一種基于TMS320DM6467的快速去霧系統(tǒng)方案

李昂，王敬東，肖劍峰，王佳偉

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

一種基于TMS320DM6467的快速去霧系統(tǒng)方案

李昂，王敬東，肖劍峰，王佳偉

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：針對(duì)霧天視頻的退化現(xiàn)象使用TMS320DM6467處理器及其外圍電路，搭建一套完整的嵌入式處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻流的快速除霧。采用基于YCbCr顏色空間的快速去霧算法,并利用查表法降低算法復(fù)雜度，具有較好的去霧效果。該去霧平臺(tái)利用EDMA技術(shù)提高數(shù)據(jù)搬運(yùn)能力，通過高速緩存和乒乓緩存技術(shù)提高系統(tǒng)處理速度，使得系統(tǒng)處理1080P視頻的速度可達(dá)到30幀/s，滿足處理高清視頻的實(shí)時(shí)要求。

關(guān)鍵詞：視頻；快速去霧；嵌入式系統(tǒng)；視頻處理

Model Scheme for Rapid Defog System Based on TMS320DM6467

LI Ang, WANG Jingdong, XIAO Jianfeng, WANG Jiawei

( College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:In view of the degeneracy phenomenon of video image in fog days, this paper uses TMS320DM6467 processor and its peripheral circuits to build a set of embedded processing platform which is applied to rapid defogging in video stream. The rapid defogging algorithm based on the YCbCr color space used in this paper has a good defogging effect, and the checking list is used to reduce the computional complexity. It also uses EDMA technology to improve the data handling capacity. The system speed is improved through the cache and ping-pong buffer store technology. The processing 1080P video speed is up to 30 frames per second. This speed meets the real time requirement of high-definition video processing.

Keywords:video; rapid defogging; embedded system; video processing

0引言

視頻監(jiān)控產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸，安全防衛(wèi)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，軍事科技等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，當(dāng)前的視頻監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)天氣條件非常敏感，尤其是在能見度較低的霧天條件下，景物圖像嚴(yán)重退化，這極大地限制和影響了戶外監(jiān)視系統(tǒng)效用的發(fā)揮。因此，霧天視頻圖像清晰化處理的研究具有重要的科研意義和實(shí)用價(jià)值[1]。

隨著嵌入式芯片的發(fā)展，視頻處理芯片一方面具備了更強(qiáng)的運(yùn)算能力，另一方面能進(jìn)行靈活的系統(tǒng)整合，可以快速地進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。德州儀器公司(texas instruments，TI)推出了面向新一代數(shù)字視頻產(chǎn)品的名為達(dá)芬奇(DaVinci)的開發(fā)平臺(tái)，其獨(dú)特的DSP和ARM雙核結(jié)構(gòu)不僅能同時(shí)滿足視頻應(yīng)用在運(yùn)算能力和控制功能上的要求，而且大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[2]。這使得在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)除霧系統(tǒng)成為可能。

霧天視頻清晰化與霧天圖像清晰化有著很強(qiáng)的聯(lián)系，可以將數(shù)字視頻看作是一組圖像序列，因此圖像清晰化算法可以用于數(shù)字視頻清晰化。相對(duì)于霧天圖像來說霧天視頻清晰化也有其自身的特點(diǎn)，如要求實(shí)時(shí)性高。在計(jì)算機(jī)上，一般的除霧算法使用RGB格式輸入，而嵌入式視頻處理系統(tǒng)一般輸入YCbCr格式視頻，文中提出了基于YCbCr格式的快速除霧算法，在亮度通道上采用基于大氣模型的快速去霧算法，增強(qiáng)細(xì)節(jié)，在色度分量上進(jìn)行對(duì)比度拉伸。該方法在取得較好的清晰化效果的同時(shí)，具有較快的處理速度。

1系統(tǒng)硬件組成

去霧算法通常需要消耗大量的計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高。為此，選用了TI公司推出的基于Davinci架構(gòu)的超強(qiáng)數(shù)字媒體處理器TMS320DM6467(簡(jiǎn)稱DM6467)為核心處理芯片。

TMS320DM6467是專門為滿足商業(yè)和消費(fèi)類市場(chǎng)對(duì)高端視頻處理需求而設(shè)計(jì)的，通過DSP+ARM雙核高度集成的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了比前一代數(shù)字多媒體處理器快10倍的性能，同時(shí)仍能夠保證所需的靈活性。TMS320DM6467數(shù)字媒體處理器集成了一個(gè)ARM926EJ-S核與600MHz的C64X+DSP核，并且采用了高淸視頻/影像協(xié)處理器(HD-VICP)、視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引擎，可以滿足視頻除霧算法處理的實(shí)時(shí)性和算法運(yùn)算量要求。

圖1　系統(tǒng)硬件構(gòu)成

針對(duì)高清視頻的特點(diǎn)，將視頻除霧系統(tǒng)分為三個(gè)組成部分：高清視頻輸入部分、視頻處理部分和視頻輸出部分，構(gòu)成如圖1所示。高清晰度多媒體接口(high definition multimedia interface，HDMI)是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，是適合影像傳輸?shù)膶Ｓ眯蛿?shù)字化接口，可同時(shí)傳送音頻和視頻信號(hào)，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為5Gbps，滿足設(shè)計(jì)的高清輸入要求。YCbCr是DVD、攝像機(jī)、數(shù)字電視等消費(fèi)類視頻產(chǎn)品中，常用的色彩編碼方案，滿足輸出到高清液晶顯示器要求。

視頻輸入部分通過SII9125芯片對(duì)HDMI輸入高清有霧視頻進(jìn)行解碼，生成YCbCr420格式的數(shù)字視頻信號(hào)，輸入到DM6467的VPIF口。VPIF口對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行捕獲，捕獲的一幀視頻數(shù)據(jù)存入DDR2中，以備后續(xù)去霧處理[3]。視頻處理部分通過ARM端調(diào)用DSP端算法對(duì)存儲(chǔ)在DDR2中的一幀視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行去霧處理，并將處理結(jié)果存入DDR2中。視頻輸出部分通過ADV7343芯片將除霧后的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼，生成YCbCr分量格式的視頻信號(hào)輸出到液晶顯示設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)除霧后視頻的顯示。

2YCbCr空間下的快速除霧算法

選擇在YCbCr色彩空間進(jìn)行增強(qiáng)處理的優(yōu)勢(shì)主要有兩個(gè)方面：1) 目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中最常用的視頻格式就是YCbCr色彩空間，如果能夠在YCbCr空間直接增強(qiáng)處理可以避免色彩空間之間的轉(zhuǎn)換所需的運(yùn)算，因此能夠提高算法的實(shí)時(shí)性；2) 與依據(jù)人眼視覺特性的數(shù)據(jù)壓縮有關(guān)，因?yàn)槿搜蹖?duì)低頻信號(hào)比對(duì)高頻信號(hào)具有更高的敏感度，對(duì)明視度的改變也比對(duì)色彩的改變要敏感得多。對(duì)于人眼而言，Y分量比Cb和Cr分量重要，正是根據(jù)人眼的這一特征，在不使用任何復(fù)雜算法的前提下，僅通過適當(dāng)拋棄Cb和Cr分量就可以達(dá)到壓縮的目的[4]，這就是部分取樣。

2.1大氣退化模型

在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中，廣泛使用以下Koschmieder公式[5]來描述大氣退化模型：

I(x)=J(x)t(x)+A(1-t(x))

(1)

其中，x是圖像中像素點(diǎn)的索引，I(x)、J(x)、A為三維列向量，I(x)表示采集到的圖像，J(x)表示無霧場(chǎng)景輻射，A表示大氣光，t(x)表示介質(zhì)透射率，A(1-t(x))稱為大氣光幕，J(x)t(x)稱為直接衰減項(xiàng)。當(dāng)大氣均勻時(shí)t(x)=e-βd(x)，β為大氣散射系數(shù)，d(x)為場(chǎng)景深度。

令大氣光幕(atmospheric veil)V(x)=A(1-t(x))，則式(1)可改寫為：

(2)

式(2)中I(x)為已知，若能估算出大氣光A和大氣光幕V(x)，即可以按照上式恢復(fù)出無霧圖像J(x)。

2.2基于亮度通道的快速去霧法

KaimingHe等提出一種新的先驗(yàn)規(guī)律——暗原色先驗(yàn)[6]，利用這個(gè)先驗(yàn)規(guī)律能夠直接評(píng)估霧光的透射信息，進(jìn)而對(duì)單幅圖像進(jìn)行去霧處理。暗原色先驗(yàn)理論是先將圖像分塊，在局部區(qū)域中尋找暗原色，得到粗糙的傳輸圖，再使用摳圖算法來得到精確的傳輸圖。該算法耗時(shí)巨大，顯然不能應(yīng)用于高清視頻實(shí)時(shí)去霧系統(tǒng)。

受文獻(xiàn)[6]啟發(fā),不再對(duì)圖像分塊，直接對(duì)整幅圖像求取暗通道。很顯然，該方法是文獻(xiàn)[6]理論的延伸， 進(jìn)一步延伸到Y(jié)CbCr色彩空間中，亮度通道即可視為暗通道，可以作為大氣光幕V(x)的估計(jì)。此方法既可避免由于分塊造成對(duì)t(x)估計(jì)不精確的問題，也避免了因細(xì)化t(x)而帶來的繁重運(yùn)算量，節(jié)約了大量的運(yùn)算時(shí)間。

對(duì)于大氣光的求取，文中采用了文獻(xiàn)[7]中的方法，取Y通道最大亮度值來作為大氣環(huán)境光A的估計(jì)，綜合已經(jīng)估計(jì)出的大氣光幕V(x),根據(jù)式(2)即可恢復(fù)出無霧亮度通道圖。一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，圖2(a)為輸入霧天圖像，圖2(b)為亮度通道去霧后的結(jié)果?？梢娨曈X效果得到明顯提升，但顏色較為昏暗，需進(jìn)一步對(duì)色度通道進(jìn)行處理圖2(c)。

圖2　YCbCr色彩空間下的快速去霧算法結(jié)果

2.3在色度分量使用線性變換進(jìn)行色度調(diào)整

由于霧會(huì)使視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像中的景物呈現(xiàn)泛白的現(xiàn)象，圖像的色差分量偏低，所以需對(duì)兩個(gè)色差分量進(jìn)行增強(qiáng)處理?？紤]到算法的復(fù)雜度和處理結(jié)果之間的均衡，對(duì)Cb和Cr兩個(gè)色差分量進(jìn)行線性拉伸處理。

線性拉伸是一種簡(jiǎn)單有效的色差分量調(diào)整方法。根據(jù)高斯分布“3e”規(guī)則，即對(duì)于正態(tài)隨機(jī)變量而言，其值落在區(qū)間[m-3e，m+3e]內(nèi)是允許的。因此對(duì)于Cb和Cr兩個(gè)色差分量，其拉伸后取值范圍：

(3)

式中：Cbmin和Cbmax分別為色差分量Cb的最小值和最大值；Crmin和Crmax分別是色差分量Cr的最小值和最大值；Cbmean和Crmean分別為色差分量Cb和Cr的均值；eCb和eCr分別為色差分量Cb和Cr的標(biāo)準(zhǔn)差。經(jīng)過拉伸后的圖像的色差分量的輸出為：

(4)

(5)

式中：Cbin、Crin和Cbout、Crout分別是Cb和Cr分量的輸入和輸出；Rmax為輸出設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。處理效果如圖2(c)所示，圖像顏色更加逼真明亮，取得了良好的視覺效果。

3基于達(dá)芬奇構(gòu)架的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1除霧系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)

TMS320DM6467 在一個(gè)芯片上集成了 ARM 核和 DSP 核，利用 Codec Engine 軟件框架進(jìn)行兩者之間的交互。ARM 運(yùn)行在 MontaVistaLinux 操作系統(tǒng)上，負(fù)責(zé)常用的控制任務(wù)及與外設(shè)之間的交互。DSP運(yùn)行在 Bios 操作系統(tǒng)上，相當(dāng)于一個(gè)“黑匣子”，只進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理算法，這種雙核并行處理模式大大提高了系統(tǒng)處理速度。

系統(tǒng)利用DM6467的強(qiáng)大運(yùn)算能力，在DSP內(nèi)核運(yùn)行快速除霧算法，該算法符合數(shù)字媒體(eXpressDSP Digital Media standard，xDM)標(biāo)準(zhǔn)。ARM內(nèi)核負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、視頻采集、視頻輸出、外圍器件控制等工作并通過DDR2共享存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)與DSP之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示， ARM端通過V4L2驅(qū)動(dòng)對(duì)VPIF口輸入隊(duì)列的視頻流進(jìn)行采集，并將一幀視頻存入輸入緩沖區(qū)中，然后通過Codec Engine機(jī)制調(diào)用DSP端除霧算法包對(duì)輸入緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將處理后的一幀視頻送到輸出緩沖區(qū)，再通過V4L2驅(qū)動(dòng)將該緩沖區(qū)加入到輸出隊(duì)列送顯示器顯示。

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖

3.2查表和移位在快速除霧算法中的應(yīng)用

針對(duì)亮度通道進(jìn)行基于大氣模型的去霧算法，其求解過程是一種多變量非線性復(fù)雜函數(shù)關(guān)系式，需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。DM6467為定點(diǎn)DSP，進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定點(diǎn)運(yùn)算，為此采用了一種快速有效的查表求解法。

首先建立順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊中存儲(chǔ)的是移位處理后的整型數(shù)據(jù),接下來查找輸入變量在已存變量存儲(chǔ)塊中的自然序號(hào)，最后利用查得的變量自然數(shù)序號(hào)及事先確定的算法查找這些變量所對(duì)應(yīng)的函數(shù)值的存儲(chǔ)地址，進(jìn)而得到計(jì)算結(jié)果。實(shí)現(xiàn)了非線性復(fù)雜關(guān)系式的快速精確求解，大大提高了算法運(yùn)行效率。

3.3高速緩存技術(shù)和乒乓緩存技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于除霧系統(tǒng)中有大量數(shù)據(jù)需要處理，利用DM6467的L1和L2兩級(jí)高速緩存來配置為Cache高速緩存和內(nèi)部存儲(chǔ)器來提高DSP的利用率和數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速度的提高。但Cache空間有限,為了進(jìn)一步利用內(nèi)部存儲(chǔ)器資源，本系統(tǒng)引入Ping-pong緩存技術(shù)[8]，即在CPU處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，啟動(dòng)EDMA傳輸處理數(shù)據(jù)到內(nèi)部存儲(chǔ)器中，提高內(nèi)部存儲(chǔ)器的利用效率。合理配置和使用L1和L2是能否提高系統(tǒng)速度的關(guān)鍵。DM6467提供了128K的L2空間和64K的L1空間，一方面要使Cache高速緩存盡量的大，以提高數(shù)據(jù)在Cache中的命中率，減少因數(shù)據(jù)置換而造成的時(shí)間浪費(fèi)，另一方面要確保內(nèi)部存儲(chǔ)器的大小，保證有足夠的存儲(chǔ)空間進(jìn)行乒乓緩存。

乒乓緩存技術(shù)在數(shù)據(jù)接收端建立兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)?shù)谝唤M數(shù)據(jù)進(jìn)來時(shí)，EDMA在數(shù)據(jù)放入ping緩存區(qū)的同時(shí)，CPU從pong緩存區(qū)取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；當(dāng)ping緩存區(qū)放滿時(shí)發(fā)出中斷，Ping-pong緩存區(qū)進(jìn)行切換：EDMA將下一組數(shù)據(jù)重新定向到pong緩存區(qū)，而CPU從ping緩存區(qū)取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Ping-pong緩存技術(shù)提供了EDMA數(shù)據(jù)傳輸和CPU數(shù)據(jù)處理的并行機(jī)制，大大地提高了CPU的利用率，其原理如圖4所示。

圖4　Ping-pong緩存原理圖

3.4EDMA3技術(shù)在除霧系統(tǒng)中的應(yīng)用

在視頻除霧處理流程中，需要將輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)復(fù)制到輸出緩沖區(qū)，這需要消耗大量時(shí)間和數(shù)據(jù)空間，為此使用了EDMA (enhanced direct memory access，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取)技術(shù)。EDMA傳輸是指在沒有CPU參與下自動(dòng)完成不同存儲(chǔ)器空間之間的數(shù)據(jù)搬移，主要應(yīng)用在需要大批量數(shù)據(jù)搬移的場(chǎng)合。DM6467 提供了增強(qiáng)型 EDMA控制器 EDMA3，它基于RAM 結(jié)構(gòu)。EDMA3具有128個(gè)相互獨(dú)立的傳輸通道，每個(gè)通道均對(duì)應(yīng)一個(gè)可觸發(fā)傳輸?shù)耐绞录?，通道的傳輸行為由?duì)應(yīng)的片上參數(shù)存儲(chǔ)器編程指定，如圖5所示。Ping-pong緩存方式下 EDMA通道有兩個(gè)參數(shù)集，一個(gè)用于 ping傳入/出。另一個(gè)用于pong傳入/出。當(dāng)一個(gè)通道傳輸完畢，參數(shù)集會(huì)重新加載它們以啟動(dòng)下一次傳輸。

圖5　參數(shù)RAM設(shè)定格式

在除霧系統(tǒng)中，視頻分辨率為1920×1080，再結(jié)合L2內(nèi)部存儲(chǔ)器容量將Ping-pong緩存區(qū)設(shè)置為12800B，為多行圖像數(shù)據(jù)的大小。EDMA傳輸源地址為外部存儲(chǔ)器DDR2中圖像數(shù)據(jù)的地址，傳輸目的地址為申請(qǐng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器地址。設(shè)置好EDMA3的參數(shù)存儲(chǔ)器后，圖像數(shù)據(jù)的傳遞即可在脫離CPU的情況下自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與CPU的并行處理，大大提高系統(tǒng)的處理速度。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

文中使用的算法去霧效果如圖6所示，左側(cè)是原圖，右側(cè)是除霧結(jié)果圖。第一行圖像(圖像1)描述的是航拍影像除霧的情況，除霧后可以看出植被河流的色彩更加鮮艷，航拍的建筑物也更加清晰，圖像對(duì)比度明顯加強(qiáng)。第二行圖像(圖像2)描述的道路近景圖，除霧后的圖像能夠分辨出路遠(yuǎn)方的樹木，近處的汽車和道路也更加清晰自然。第三行圖像(圖像3)描述的是大面積天空和水域的除霧情況，可見邊緣較少，除霧后的圖像層次更加清晰，能夠分辨出島上的建筑物，除霧效果明顯。由圖6中對(duì)比可以直觀地看到處理后的效果有了很大的改善，而且可以看出該算法適用范圍較廣，對(duì)有霧圖像都有一定的除霧效果。

圖6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證去霧效果，使用 Hautiere等人所提出的可見邊梯度法[9]對(duì)去霧效果進(jìn)行客觀評(píng)定。該方法根據(jù)由Jourlin和Pinoli所提出的對(duì)數(shù)圖像處理(logarithmic image processing，LIP)模型[10]，采用原有霧圖像與去霧圖像的新可見邊集合數(shù)目比(e)、平均梯度比(r)和黑色像素點(diǎn)所占圖像大小百分比(σ)3個(gè)指標(biāo)，其中e反映了圖像復(fù)原算法復(fù)原出圖像中可見邊緣的能力，r反映圖像復(fù)原算法的對(duì)比度增強(qiáng)能力，σ表示復(fù)原后過飽和的像素點(diǎn)所占總像素點(diǎn)的比例。對(duì)于除霧算法，其目標(biāo)是盡可能地提高清晰化的程度，并在不丟失視覺信息的同時(shí)，增加圖像的對(duì)比度。因此，e和r值越大，σ值越小，去霧效果越好。

除霧客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。新可見邊集合數(shù)目明顯增加，平均梯度比增加，新增黑色或白色像素占圖像像素比接近于0，處理后圖像相對(duì)于原圖有了很好的改善。

表1　圖像去霧算法客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖像大小1 080P)

比較采用EDMA技術(shù)和乒乓緩存技術(shù)與不采用該技術(shù)的處理圖像耗時(shí)如表2所示。其中t是采用上述技術(shù)，t1是僅采用EDMA技術(shù)的耗時(shí)，t2是僅采用高速緩存和乒乓緩存技術(shù)的耗時(shí)，t3是不采用上述兩種技術(shù)的耗時(shí)。

表2　比較使用相關(guān)技術(shù)耗時(shí)(圖像大小1 080P)　ms

由表2中數(shù)據(jù)可知，使用上述技術(shù)后單幅1080P圖像處理時(shí)間僅為28.7ms，而不使用上述技術(shù)處理時(shí)間明顯增加，所以該系統(tǒng)處理1080P視頻流速度可以達(dá)到30幀/s，符合實(shí)時(shí)要求。

5結(jié)語

提出了一種基于TMS320DM6467的高清視頻除霧方案。該系統(tǒng)提出一種YCbCr色彩空間下的快速除霧算法,對(duì)各種霧天視頻圖像具有良好的除霧效果。同時(shí)該方案引入了基于高速緩存和乒乓機(jī)制的緩存技術(shù)，極大地提高了 CPU 的處理效率，使得系統(tǒng)處理1080P視頻的速度可達(dá)到30幀/秒，滿足高清視頻的實(shí)時(shí)處理要求。

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收稿日期：2014-01-14

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0116-04

作者簡(jiǎn)介：李昂——