基于TI TM320DM642的仿生眼視覺圖像處理系統(tǒng)
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近年來，國內外開展了大量對視頻圖像處理系統(tǒng)的研究，主要是針對一定范圍內的靜、動態(tài)場景進行監(jiān)控或跟蹤，并應用于智能車輛檢測、視頻監(jiān)控、人臉識別、目標跟蹤等方面。如文獻[3]成功設計了一個基于視覺的低空跟蹤系統(tǒng)；文獻[4]成功設計一個基于視頻圖像處理的車輛流量實時檢測系統(tǒng)。調查研究表明，國內外嵌入式機載視頻圖像處理系統(tǒng)的核心處理器多采用DSP、FPGA或者ARM來處理海量的圖像數據。其主要采用的結構有單片高性能DSP、FPGA+DSP結構及ARM+FPGA+DSP結構等。文獻[5]設計了一種單DSP的視頻圖像處理系統(tǒng)。文獻[6]設計了一種FPGA+DSP結構的視頻圖像處理系統(tǒng)。文獻[7]設計了一種基于DSP+FPGA+ARM體系結構的嵌入式實時圖像處理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)代表了目前嵌入式視頻圖像處理系統(tǒng)的基本類型和主要成果。隨著數字信號處理器的高速發(fā)展，針對視頻和圖像解決方案而設計的高性能數字多媒體處理器TMS320DM642在實時視頻處理領域得到了廣泛應用。因此，根據仿生眼對圖像處理性能的實際要求，可以采用基于單片高性能DSP結構的系統(tǒng)。
本文設計的仿生眼嵌入式機載視頻圖像處理系統(tǒng)采用TI公司的TMS320DM642高性能數字多媒體處理器作為核心處理器，系統(tǒng)實現了實時采集圖像、實時處理圖像、實時輸出目標信息、實時顯示等功能，具有針對性強、電路簡單、集成度高、可靠性好等優(yōu)點。此外，本系統(tǒng)實現了對經典Prewitt算法及其改進算法的驗證。結果表明，該系統(tǒng)能夠滿足實時圖像處理系統(tǒng)運算量大、數據傳輸率高以及實時性的要求。
1 系統(tǒng)整體結構與硬件設計
1.1 系統(tǒng)整體框架結構
系統(tǒng)以TM320DM642為核心，由4個部分組成：視頻采集、圖像處理、視頻輸出、串口通信。系統(tǒng)流程如圖1所示。首先CCD攝像頭采集的視頻圖像，經過視頻解碼芯片轉化為便于DSP處理的視頻碼流；然后在DSP中設計合適的視頻圖像處理算法，分割、識別出運動目標，并計算出目標的位置參數；最后將位置參數通過串口發(fā)送給眼動控制模塊。同時利用視頻編碼芯片編碼DSP輸出的視頻碼流，送到顯示器實時顯示，便于人機交互。
1.2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件設計分為6個模塊：視頻采集模塊、圖像處理模塊、視頻輸出模塊、串口通信模塊、電源時鐘模塊、存儲模塊。其結構圖如圖2所示。
1.2.1 TMS320DM642圖像處理模塊
TMS320DM642是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，它是TI公司推出的一款專用于數字媒體應用的高性能32 bit定點DSP，具有豐富的外設接口和高速的處理能力，是目前實時視頻處理領域性價比較高的芯片[8]。DM642最高主頻達600 MHz，并行處理指令最高可達每個指令周期處理8條32 bit指令，最大指令處理速度為4 800 MIPS。DM642的高性能主要體現在采用了二級緩存結構和64 bit的EDMA控制器，使其在沒有CPU參與的情況下，進行數據搬移，大大提高了程序的運行效率[9]。因此，為提高系統(tǒng)實時性[10]，采用EDMA傳輸是必要之舉。此外，DM642具有豐富的外圍接口，其3個可配置的視頻口可以與視頻編解碼芯片進行無縫連接；片內64 bit的EMIF接口可以與SDRAM、FLASH 等存儲器無縫連接；利用I2C還可以方便地控制外圍器件等。
該模塊的主要功能是將輸入的BT.656格式的視頻信號進行中值濾波、圖像分割等預處理，然后通過目標識別算法計算目標位置參數，最后將結果通過串口模塊實時地送給眼動控制模塊，眼動控制模塊再結合仿生控制率對眼球進行實時控制。由于系統(tǒng)采用EDMA傳輸，大大保證了圖像傳輸的實時性。CPU的開銷主要用于圖像處理的識別算法上。
1.2.2 視頻圖像采集模塊
視頻圖像采集模塊由CCD攝像頭XL-3130CP4和視頻解碼芯片TVP5150組成，用于實現視頻數據的A/D轉換。DM642具有3個視頻口，每個視頻口包括A、B 2個通道，每個通道均可配置為輸入或輸出口。本系統(tǒng)將VP0A配置成視頻輸入，VP1A配置成視頻輸出。CCD采集的視頻信號采用PAL制式，即：分辨率為720×576，幀頻為25幀/s。通過TVP5150視頻解碼器將其轉換成數字色差信號(YUV4：2：2)，輸出格式為ITU-R BT.656，輸入到VP0A口。DM642支持BT.656格式的視頻數據流的輸入格式，能與TVP5150的視頻數據流無縫連接。視頻編解碼器與DSP的連接框圖如圖3所示。
TVP5150的配置是通過標準的I2C總線完成的。I2C標準總線由串行數據輸入/輸出線(SDA)和時鐘輸入/輸出線(SCL)組成。TVP5150作為從設備，TMS320DM642作為I2C總線的主設備。主設備初始化TVP5150配置的寫操作步驟如下：(1)DSP產生一個起始條件；(2)DSP發(fā)出一個TVP5150的地址(0xBA或0Xb8)，并表明寫操作，等待TVP5150響應；(3)接收到TVP5150的響應后，DSP發(fā)出要配置寄存器地址，等待TVP5150響應；(4)接收TVP5150的響應后，發(fā)送要配置的數據，等待TVP5150響應；(5)接收到TVP5150響應后，發(fā)送停止位，結束一次配置。
1.2.3 視頻圖像輸出模塊
視頻輸出模塊由視頻編碼器SAA7121和顯示器組成。SAA7121支持PAL/NTSC格式的視頻編碼，輸入支持BT.656格式的數字視頻，輸出為一路復合視頻(CVBS)和一路超級視頻(S-Video)。SAA7121的配置也是通過標準的I2C總線完成的，并且只能作為從設備。顯示器用于實時顯示視頻圖像信息，便于人機交互。
1.2.4 串口通信模塊
串口通信部分包括TL16C752B和MAX3160。采用TL16C752B作為通用異步收發(fā)器(UART)，采用MAX3160將UART接口配置成RS232接口電平標準，用于為眼動控制器傳遞參數。該模塊是視覺識別系統(tǒng)與眼動控制模塊的接口，所傳遞的參數是目標偏離圖像中心的位置信息，眼動控制系統(tǒng)根據這個參數實時調整眼球運動，確保目標位于圖像中心。因此，該參數是整個眼球運動系統(tǒng)的前提。
1.2.5 外部存儲模塊
外部存儲模塊包括SDRAM和FLASH 2種。TMS320-DM642通過外部存儲器接口EMIFA訪問片外存儲器。EMIFA是一個64 bit的接口，可以實現與多種同步和異步存儲器的無縫連接。系統(tǒng)中，DM642的CE0子空間被作為64 bit的SDRAM接口，SDRAM選用HY57V283220T芯片，用于緩存待處理的圖像數據；CE1子空間被配置為8 bit的FLASH接口，FLASH選用Am29LV033C芯片，用于存儲DSP的固化程序和系統(tǒng)配置數據。
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