基于PCI總線的實時圖像識別與跟蹤平臺設(shè)計

１ Ｃ６７０１數(shù)字信號處理器簡介

Ｃ６７０１芯片內(nèi)有８個并行處理單元，分為相同的兩組。采用甚長指令字ＶＬＩＷ結(jié)構(gòu)，使Ｃ６７０１成為高性能的數(shù)字信號處理芯片。其單指令字長為３２ｂ，８個指令組成一個指令包，總字長為２５６ｂ。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊，可以將每個２５６ｂ指令包同時分配到８個處理單元，８個單元可同時運行。芯片的最高時鐘頻率達到１６７ＭＨｚ，此時浮點運算處理能力可達到１ＧＦＬＯＰＳ。外部存儲器接口ＥＭＩＦ支持８／１６／３２ｂ數(shù)據(jù)寬度的各種類型的同步、異步存儲器,便于系統(tǒng)擴展。Ｃ６７０１片內(nèi)有６４ＫＢ的數(shù)據(jù)ＲＡＭ和６４ＫＢ的程序ＲＡＭ；片外存儲空間分為４個區(qū)（ＣＥ０、ＣＥ１、ＣＥ２、ＣＥ３）；有４個相互獨立的可編程ＤＭＡ通道，還有第五個ＤＭＡ通道可與ＨＰＩ接口。

２ ＰＣＩ９０５４的主要特點及應(yīng)用

ＰＣＩ０９０５４是美國ＰＬＸ公司生產(chǎn)的一種３２ｂ ３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線主控Ｉ／Ｏ加速器。采用先進的ＰＬＸ流水線結(jié)構(gòu)；符合ＰＣＩ本地總線規(guī)范２．２版，突發(fā)傳輸速率達到１３２ＭＢ／ｓ；本地總線復(fù)用／非復(fù)用的３２ｂ地址／數(shù)據(jù)線，有 Ｍ、Ｊ、Ｃ三種工作模式，但Ｃ模式的數(shù)據(jù)和地址總線是非復(fù)用的；支持８ｂ、１６ｂ、３２ｂ外圍設(shè)備和存儲設(shè)備，本地總線操作速率高達５０ＭＨｚ；內(nèi)部有６種可編程的ＦＩＦＯ，可實現(xiàn)零等待的突發(fā)傳輸及本地總線時鐘和ＰＣＩ總線時鐘的異步操作，支持主模式、從模式和ＤＭＡ傳輸模式。ＰＣＩ９０５４是一種性價比高的ＰＣＩ橋接芯片。

圖１給出了ＰＣＩ總線接口連接圖，使用２Ｋ的ＳＴ９３ＣＳ５６串行ＥＥＰＲＯＭ作為ＰＣＩ９０５４的配置芯片，圖中雙口ＲＡＭ可設(shè)計成３２ｂ、１６ｂ或８ｂ。ＰＬＸ９０５４工作在Ｃ模式下。本地總線晶振為３０ＭＨｚ，經(jīng)過測試ＰＬＸ９０５４工作在從模式單字節(jié)讀寫的情況下，本地總線速度已達１２ＭＢ／ｓ。根據(jù)實際圖像傳輸需要（圖像大小為２５６×２５６，深度為８ｂ的灰度圖像）幀頻為２５幀／ｓ，已經(jīng)滿足需要。為了再提高傳輸速度，ＰＬＸ９０５４可以開發(fā)成突發(fā)或ＤＭＡ傳輸方式。使用ＣＰＬＤ(Ｘｉｌｉｎｘ的ＸＣ９５１０８)完成ＰＣＩ９０５４到雙口ＲＡＭ的譯碼電路，本地地址空間可尋址大小為１ＭＢ，１ＭＢ的本地地址空間映射為地址００００００００Ｈ～０００ｆｆｆｆｆＨ,ＰＣＩ總線的地址空間（計算機自動分配）為ｅｆ１０００００Ｈ～ｅｆ１ｆｆｆｆｆＨ，同時要求ＰＣＩ基址空間２（對應(yīng)寄存器ＰＣＩＢＡＲ２）映射到本地地址空間０(對應(yīng)寄存器ＬＡＳ０ＢＡ()即ＬＡＳ０ＲＲ寄存器設(shè)為ｆｆｆ０００００Ｈ,ＬＡＳ０ＢＡ寄存器設(shè)為０００００００１Ｈ。其中，ＬＡＳ０ＢＡ的最低位置成“１”，表示ＰＣＩ直接從模式訪問本地地址空間０，使能譯碼；寫“０”則禁止使能。ＰＣＩＢＡＲ２的值為ｅｆ１０００００Ｈ。

圖2 圖像處理系統(tǒng)硬件框圖

利用ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ６．０１驅(qū)動程序開發(fā)工具生成ＰＣＩ圖像傳輸卡的ＷＤＭ驅(qū)動程序代碼，用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０編寫應(yīng)用程序，完成圖像處理版與ＰＣ機之間的高速率的圖像序列傳輸。

３ 圖像處理板硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件框圖如圖２所示。圖像處理板以ＤＳＰ Ｃ６７０１為核心，Ｃ６７０１主要負責(zé)圖像處理，包括對目標的識別和跟蹤，并給出最終的跟蹤角誤差。源圖像通過ＰＣＩ接口卡傳入圖像處理板的兩片雙口ＲＡＭ，兩片雙口ＲＡＭ采用乒乓式存儲。即為了保證圖像處理的實時性，當(dāng)一片ＲＡＭ接收數(shù)據(jù)時，另一片ＲＡＭ為ＤＳＰ提供圖像處理的數(shù)據(jù)。ＳＤＲＡＭ用作ＤＳＰ ＲＡＭ的擴展，存儲圖像處理的中間結(jié)果。圖像處理后的方位與俯仰角度數(shù)據(jù)通過８２Ｃ５２轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)ＤＳ８９２１轉(zhuǎn)換成ＲＳ－４２２電平，送給系統(tǒng)的后續(xù)電路。

ＦＰＧＡ選用Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００,完成整個圖像處理板的譯碼邏輯，并承擔(dān)部分圖像處理功能。ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００門數(shù)為２０萬門，采用串行配置時必須使用兩片ＥＰＣ２。ＦＰＧＡ配置在Ｃ６７０１的ＣＥ０空間。ＦＬＡＳＨ選用４Ｍｂ的ＡＭ２９ＬＶ０４０，用作ＤＳＰ ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ加載程序時的８ｂ ＲＯＭ，只能配置在ＣＥ１空間，因為Ｃ６７０１只有ＣＥ１空間可以與８ｂ／１６ｂ的“窄存儲器”接口。ＳＤＲＡＭ的容量為４Ｍ×３２ｂ，配置在ＣＥ２空間。兩片雙口ＲＡＭ為ＣＹ７Ｃ０２８Ｖ，容量為６４Ｋ×１６ｂ，都配置在ＣＥ３空間，地址分別譯為０ｘ０３００００００和０ｘ０３０４００００。Ｃ６７０１的ＢＯＯＴＭＯＤＥ[４:０]＝０１１０１,即存儲器映射方式為ＭＡＰ１、８ｂｉｔＲＯＭ加載、地址０處的存儲器對應(yīng)為ＤＳＰ內(nèi)部程序ＲＡＭ。

４ 軟件算法

圖像由計算機經(jīng)ＰＣＩ卡傳到圖像處理板的雙口ＲＡＭ后，ＤＳＰ對圖像進行預(yù)處理，包括圖像校正、圖像濾波，之后進行圖像分割和識別。當(dāng)識別出目標時設(shè)置跟蹤波門，則后續(xù)圖像序列在波門內(nèi)進行跟蹤。本系統(tǒng)識別的目標為高空飛行的飛機圖像，采用的識別算法要求具有平移、旋轉(zhuǎn)和比例的識別特征不變性，同時要求跟蹤速度快。

４.１ 圖像分割

圖像分割的目的是將圖像目標和背景分割開來，從而知道目標的大致位置。目前已有各種各樣的方法，其中簡單有效的方法是直方圖分割法中的最大距離法（類間方差門限法）。它的基本思想是：在直方圖取值范圍內(nèi)，任一灰度級可將直方圖分為左右兩部分，如果這兩部分的灰度均值與總體的灰度均值相距最大，則該灰度級就取為分割門限。這種分割技術(shù)可由如下公式描述：

Ｄ(ｌ′)＝{[λ(l)-μPo(l)] 2}/Po(l)[1-Po(l)] (1)

式中,，Ｐｌ為灰度ｌ級處的概率。分割的準則是將Ｄ(ｌ′)為最大值的灰度級ｌ′作為圖像分割的門限值。圖像中凡是灰度值大于分割門限的像點，均認為是背景中的點；反之，則認為是潛在目標區(qū)域中的點。這種分割方法可以精確地找到分割門限，提取目標。

４．２ 圖像識別

圖像經(jīng)過分割后，接下來就要對目標圖像識別。實現(xiàn)目標識別技術(shù)的關(guān)鍵是如何利用一組特征參數(shù)對區(qū)域的本質(zhì)特征進行有效的描述。適當(dāng)?shù)剡x擇特征是很重要的，因為在識別目標時它是唯一的依據(jù)。圖像的識別特征有各種各樣的描述，如目標形狀、大小、統(tǒng)計分布等。這里使用仿射矩不變量和分散度特征來識別目標，取得了較好的效果。

對于經(jīng)過分割（二值）處理的數(shù)字圖像ｆ(ｘ,ｙ)，可以定義（ｐ＋ｑ）階矩：

ｍｐｑ＝∑ＸｐＹｑｆ(ｘ,ｙ) （２）

式中, ｐ,ｑ＝０，１，３……

ｆ(ｘ,ｙ)的（ｐ＋ｑ）階中心矩可用下式表示：

μ＝∑（Ｘ－Ｘ）ｐ(Ｙ－Ｙ)ｑｆ(ｘ,ｙ) （３）

式中,Ｘ＝ｍ１０／ｍ００,Ｙ＝ｍ０１／ｍ００,即(Ｘ,Ｙ)為目標區(qū)域灰度質(zhì)心。

ｆ(ｘ,ｙ)惟一地確定一個矩序列{ｍｐｑ}，反之，矩序列{ｍｐｑ}也唯一確定ｆ(ｘ,ｙ)。在此利用公式（４）的５個幾何矩不變量[４]，再加上分散度特征一起代入目標匹配公式[２]進行目標識別。

φ１＝η２０＋η０２

φ２＝(η２０－η０２)２＋４η 2 11

φ３＝η２０η０２２－η （４）

φ４＝(η３０－３η１２)２＋(３η－η０３)２

φ５＝(η３０＋η１２)２＋(η＋η０３)２

其中,ηｐｑ＝μｐｑ／(μ００)(ｐ＋ｑ＋２)／２。

此５個不變矩對目標區(qū)域的平移(Ｔ)、旋轉(zhuǎn)(Ｒ)和區(qū)域的比例大小(Ｓ)保持不變。

４．３ 目標跟蹤與軌跡預(yù)測

識別出目標后，根據(jù)目標確定跟蹤波門大小，在跟蹤波門內(nèi)進行跟蹤，波門的大小采用自適應(yīng)設(shè)置。常用的跟蹤算法有波門跟蹤、圖像匹配跟蹤和多模跟蹤算法，考慮到背景較簡單，采用基于公式（１）的質(zhì)心跟蹤方案。把波門的中心Ｇ(ｘＧ,ｙＧ)和目標質(zhì)心Ｔ(ｘＴ,ｙＴ)的偏差作為跟蹤誤差，通過ＲＳ－４２２接口輸出給后續(xù)處理板來實時進行跟蹤。

在跟蹤過程中，目標的位置按照自身的運動方式不斷變化著，同時目標也會出現(xiàn)被遮擋的情況。此時，需要對目標的運動軌跡進行預(yù)測，可以采用基于最小二乘法的綜合預(yù)測器來預(yù)測[２]，認為目標的運動軌跡可以是直線和二次曲線的某種組合。即

f(ｋ＋１)＝Ｗfl(ｋ＋１)＋(１－Ｗ)fｑ(ｋ＋１) （５）

式中，fl(·）為線性預(yù)測器；fｑ(·）為平方預(yù)測器，Ｗ為權(quán)函數(shù)（０≤Ｗ≤１）。

權(quán)函數(shù)可以根據(jù)實時測得的平方預(yù)測器的誤差而實時構(gòu)成。當(dāng)平方預(yù)測器誤差較大時，則增大權(quán)值，否則減小權(quán)值。線性和平方預(yù)測器的記憶點數(shù)Ｎ的選取要視具體工作情形而定。當(dāng)特征量的變化不是太快時，Ｎ值應(yīng)選得稍大些，這樣也有利于抑制噪聲的干擾；若特征量變化甚快，則Ｎ應(yīng)選用較小的值。一般選擇Ｎ≤５,當(dāng)Ｎ＝２時，線性預(yù)測有利于跟上機動性較高的目標；當(dāng)Ｎ＝５時，預(yù)測的目標運動軌跡比較平滑，有較強的抗干擾能力。

５ 實驗結(jié)果

采用２５６×２５６大小、深度為８ｂ的連續(xù)１５０幀灰度圖像進行試驗，達到跟蹤速度為２５幀／ｓ的實時跟蹤效果，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、靈活且易于擴展。圖３給出了跟蹤的結(jié)果。