基于DSP的嵌入式通用主動視覺系統(tǒng)

摘要：根據(jù)通用主動視覺系統(tǒng)的設(shè)計要求，提出了基于DSP的嵌入式主動視覺系統(tǒng)的設(shè)計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。最終實現(xiàn)的系統(tǒng)具有俯仰和搖擺2個自由度、支持雙CCD視覺傳感器和雙傾角傳感器。該系統(tǒng)的硬件分別采用TMS320C6711和TMS320F2812實現(xiàn)了視頻處理、運動控制、傳感器信息采集及系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通訊。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有計算和接口資源豐富、操作靈活等特點，達(dá)到設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：主動視覺；視覺伺服；圖像采集；步進(jìn)電機(jī)控制；數(shù)字信號處理

主動視覺(Active Vision)是當(dāng)今計算機(jī)視覺和機(jī)器視覺研究領(lǐng)域中的一個熱門課題。主動視覺強(qiáng)調(diào)的是視覺系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交互作用能力。具體地說，主動視覺系統(tǒng)應(yīng)具有根據(jù)自己在當(dāng)前環(huán)境中所處的狀態(tài)，如幾何位置、姿態(tài)、攝像機(jī)的成像光學(xué)條件等，調(diào)整自身各部分的狀態(tài)參數(shù)，使其能夠達(dá)到一個最佳成像狀態(tài)，從而使系統(tǒng)能夠最方便地完成特定的視覺任務(wù)，如動態(tài)地跟蹤物體的運動。主動視覺系統(tǒng)的研制與開發(fā)具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景，如各類導(dǎo)彈的成像導(dǎo)引頭、機(jī)器人、人機(jī)交互研究等。
以往的主動視覺系統(tǒng)大多采用以圖形工作站為中心，由圖形工作站完成圖像的采集、處理、跟蹤控制，再通過RS232等接口控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動以完成跟蹤任務(wù)。以圖形工作站為中心的系統(tǒng)雖然應(yīng)用靈活，但具有體積龐大、價格昂貴、可靠性差等缺點。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單芯片的計算能力發(fā)生了質(zhì)的飛躍。以往往往需要由許多顆芯片才能完成的計算任務(wù)，現(xiàn)在只需要極少量的芯片便可實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)是針對特定應(yīng)用設(shè)計和優(yōu)化的計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、可靠性高和價格低廉等優(yōu)點。本文正是在這樣的大背景下研制和開發(fā)了基于DSP的嵌入式主動視覺系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析
主動視覺系統(tǒng)主要用于人機(jī)交互和高速視覺伺服任務(wù)，根據(jù)這一用途在設(shè)計中主要考慮以下幾個問題：
首先是系統(tǒng)的圖像處理能力。標(biāo)準(zhǔn)PALL電視信號的幀頻率為25 Hz，分辨率約為720x576像素；場頻率為50 Hz，圖像分辨率約為720x288像素，因此系統(tǒng)的圖像處理能力應(yīng)該能夠滿足處理PAL傳輸視頻的要求。
其次考慮系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)要求。人眼正常運動角速度約為60度／秒，掃視運動時可高達(dá)700度／秒，因此要求電機(jī)控制系統(tǒng)能夠達(dá)到近似的運動速度。
最后系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的通用性和靈活性，以便接收測試數(shù)據(jù)和實現(xiàn)靈活多樣的任務(wù)，因此平臺應(yīng)具有靈活、豐富的計算機(jī)接口和充足的計算資源。

2 總體設(shè)計
基于以上對系統(tǒng)性能要求的分析，系統(tǒng)采用TI高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320C6711實現(xiàn)圖像的處理功能并采用TMS320E2812高性能控制芯片完成電機(jī)的控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和實現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊功能。TMS320C6711主要用于通訊、聲音信號處理和數(shù)字圖像的處理，具有
900MFLOPS的浮點運算能力和很高的性價比。TMS320F2812是TI專門針對運動控制而開發(fā)的高性能控制芯片，具有16通道12-Bit ADC、豐富的片上資源和多種通訊接口，如McBsp、CAN和SCI接口等。系統(tǒng)將C6711和F2812兩款高性能芯片相結(jié)合，充分利用F2812豐富的接口資源彌補C6711在控制和通訊功能上的不足，從而充分發(fā)揮C6711的計算功能，最終實現(xiàn)高性能的主動視覺系統(tǒng)。MS320C6711的時鐘頻率為150 MHz并采用了BGA封裝，給設(shè)計和制造帶來很大困難。C6711 DSK是低價位、易用性C6000 DSP開發(fā)板。該板不僅能夠充分發(fā)揮C6711DSP的性能，還提供了豐富的功能，例如聲音采集和EEP并口在線開發(fā)等等。本設(shè)計通過擴(kuò)展C6711 DSK的圖像采集功能縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在C6711DSK基礎(chǔ)上，通過其外圍擴(kuò)展接口擴(kuò)展圖像采集功能。TMS320C6711和TMS320F2812之間通過McBsp接口實現(xiàn)芯片之間信息的交換。F2812與PC機(jī)之間通過CAN總線或者RS232實現(xiàn)通訊。系統(tǒng)中采用的傾角傳感器是具有RS232接口的智能傳感器。通過F2812的SCI可以實現(xiàn)RS232串口，進(jìn)而實現(xiàn)傾角傳感器配置和數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3．1 圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
系統(tǒng)采用Philips公司提供的專用視頻解碼芯片SAA7111實現(xiàn)模擬視頻信號的采集。SAA7111與C6711之間通過專用視頻幀存儲器AL422實現(xiàn)，外圍接口邏輯由一片EPM7032實現(xiàn)，如圖2所示。