一種ASIC硬件圖像匹配最大互相關(guān)算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

圖像匹配是指通過(guò)一定的匹配算法在兩幅或多幅圖像之間識(shí)別同名點(diǎn)，如二維圖像匹配中通過(guò)比較目標(biāo)區(qū)和搜索區(qū)中相同大小的窗口的相關(guān)系數(shù)，取搜索區(qū)中相關(guān)系數(shù)最大所對(duì)應(yīng)的窗口中心點(diǎn)作為同名點(diǎn)。其實(shí)質(zhì)是在基元相似性的條件下，運(yùn)用匹配準(zhǔn)則的最佳搜索問(wèn)題。圖像匹配技術(shù)是近代信息處理，特別是圖像信息處理領(lǐng)域中極為重要的技術(shù)。圖像匹配就是要根據(jù)參考圖像和實(shí)時(shí)圖像來(lái)選定某些特征、相似性準(zhǔn)則及搜索策略進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，以確定匹配的最佳空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)。它主要研究的問(wèn)題有特征空間、相似性度量和搜索策略三個(gè)方面。圖像匹配關(guān)鍵是要確定有效的匹配方法，要求匹配概率高、誤差小、速度快且適時(shí)性好。 圖像匹配的方法一般分為基于灰度的匹配方法和基于特征的匹配方法兩大類。

　　圖像匹配是圖像處理和模式識(shí)別領(lǐng)域中的一個(gè)非常關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)也是眾多計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論與應(yīng)用的基礎(chǔ)，它的研究成果廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別、遙感測(cè)量、自動(dòng)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)診斷、生產(chǎn)自動(dòng)化及軍事等方面。由于圖像具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，而圖作為一種描述數(shù)據(jù)的工具可以保留結(jié)構(gòu)、區(qū)域之間的相互關(guān)系，是一個(gè)非常重要而有效的結(jié)構(gòu)特征信息的表示方式，因此，用圖來(lái)描述圖像的結(jié)構(gòu)特征并且應(yīng)用圖匹配來(lái)研究圖像特征之間的匹配問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注，成為了目前模式識(shí)別等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　圖像匹配一般可采用如下幾種方式實(shí)現(xiàn)：①軟件；②高速DSP;③面向算法的專用ASIC器件。軟件方法靈活，可大大降低計(jì)算量，但它必須以高速DSP硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，才可能滿足高實(shí)時(shí)性要求；高速DSP方法簡(jiǎn)單靈活，能夠滿足高實(shí)時(shí)性要求，如TI公司的TMS320C6X系列高速DSP芯片，速度高達(dá)1600MIPS[4],單片機(jī)就可實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。以這高速DSP芯片組成的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)是圖像匹配計(jì)算機(jī)首選的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。但對(duì)應(yīng)用于尖端科技的這些高速DSP芯片，西文發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)采取禁售策略，這使我國(guó)的某些科技領(lǐng)域受到很大的制約，因此在我國(guó)必須另辟途徑以避免禁售策略的制約。面向算法的專用ASIC器件方法，采用大量的并行功能單元，速度高、可以滿足嵌入式應(yīng)用中的高速實(shí)時(shí)計(jì)算要求，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件編程簡(jiǎn)單、硬件實(shí)現(xiàn)容易、體積小、成本低，特別適應(yīng)我國(guó)國(guó)情。因此開(kāi)發(fā)研究專用ASIC組成的高速圖像匹配計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

　　1 圖像匹配最大互相關(guān)算法分析

　　基于灰度的圖像匹配算法有許多種，其中最基本的有最小絕對(duì)差算法、最小平方差算法，最小卷積算法、最大互相關(guān)算法、不變矩算法等十幾種。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中最大互相關(guān)算法具有去直流噪聲、匹配位置準(zhǔn)確等特點(diǎn)，因而成為圖像匹配采用的主要方法。它的原始公式為：

　　由于原始公式中的變量X（i,j），Y（i+u,j+v）為去均值后的圖像數(shù)據(jù)，不是原始圖像象素?cái)?shù)據(jù)，這樣的算法結(jié)構(gòu)有正有負(fù)、中間結(jié)果量多、計(jì)算量大、規(guī)律性差，不利于專用硬件實(shí)現(xiàn)[3],因此必須對(duì)原始公式進(jìn)行變換。把（2）和（3）式代入原始公式（1）中，變換后的公式為：

　　由于在圖像匹配搜索過(guò)程中基準(zhǔn)圖是已知的，可預(yù)先對(duì)基準(zhǔn)圖子圖數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和平方均值計(jì)算，然后預(yù)先裝配在相關(guān)計(jì)算機(jī)上。在圖像匹配過(guò)程中可不記其所需時(shí)間，因此圖像匹配所需時(shí)間主要為求實(shí)時(shí)圖數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)子圖數(shù)據(jù)的卷積。這一結(jié)論也可通過(guò)實(shí)際圖像匹配運(yùn)算得到。在TI公司TMS320C30DSP（33M）上，采用公式（4）對(duì)不同象素?cái)?shù)的實(shí)時(shí)圖和參考圖進(jìn)行全搜索圖像匹配，其運(yùn)算時(shí)間如表1所示（匯編程序、程序放置在片內(nèi)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)片外零等待存儲(chǔ)器）。

　　從表1可看出，圖像匹配的最大互相關(guān)算法主要?dú)w結(jié)為卷積運(yùn)算，因此采用專用的硬件卷積電路必將大大加快圖像匹配運(yùn)算速度。

　　表1 采用互相變換公式圖象匹配運(yùn)算周期數(shù)和時(shí)間

　　2 以TMS320C30和專用ASIC器件LS9501組成的圖像匹配計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

　　ASIC是Application Specific Integrated Circuit的英文縮寫，在集成電路界被認(rèn)為是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。目前，在集成電路界ASIC被認(rèn)為是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。