基于圖像傳感器的CPLD視覺系統(tǒng)設(shè)計與研究

時序邏輯部分主要完成對圖像傳感器時序信號的識別。如圖2所示，CPLD需要首先檢測VSYNc的下降沿，接著檢測HREF信號的上升沿，然后在PCLK信號的上升沿將圖像數(shù)據(jù)讀入。

　　在Verilog語言中，對上升沿的檢測是通過always語句來實現(xiàn)的。例如檢測時鐘信號cam_pclk的上升沿：always@(posedge cam_pclk)。但從上面的分析中可以看出，需要檢測的信號沿有3個，可以都用always來檢測，但在Verilog的語法中always語句是不可以嵌套的。為了解決這個問題，本系統(tǒng)中采用了如下方式：整個模塊只有一個時序邏輯的always塊，其他的信號沿檢測用與al—ways等價的方式實現(xiàn)。例如對于cam_vsyn信號，設(shè)置2個臨時信號vsyn_0和vsyn_1，在每個時鐘信號的上升沿，進行如下賦值：

　　這樣，當(dāng)每個時鐘沿到來時都會更新vsyn_0和vsyn_1的值。當(dāng)vsyn_O的值為O且vsyn_1的值為1時，認為是上升沿到來，同理也可以檢測下降沿。需要注意的是：這種方式下，時鐘信號的周期要遠遠小于被檢測信號的高電平和低電平的持續(xù)時間。如果信號脈沖過窄，在整個脈沖期間vsyn_O和vsyn_l的值都沒有更新，就會丟失邊沿的檢測。

　　數(shù)據(jù)寫入SRAM的過程是用Mealy狀態(tài)機來實現(xiàn)的，程序具有通用性。若使用其他型號的SRAM，只需要根據(jù)器件的讀寫時序在相應(yīng)的狀態(tài)中修改高低電平。狀態(tài)機使程序的結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便。

　　3．2 ARM部分程序設(shè)計

　　目前，基于PC機的視覺處理算法有很多，但在基于微處理器的嵌入式視覺系統(tǒng)中，系統(tǒng)在硬件資源和處理速度上都無法與PC機相比。特別是在有實時性要求的情況下，需要編寫適合嵌入式系統(tǒng)特點的快速有效的算法。下面編寫的算法都是根據(jù)這個思想來編寫的。

　　顏色跟蹤：顏色跟蹤的任務(wù)可以分解為顏色標(biāo)定和顏色分割兩個步驟。顏色標(biāo)定的任務(wù)是通過一個已知的顏色，找出其在顏色空間內(nèi)與之對應(yīng)的一個封閉區(qū)域。顏色分割則是通過比較器判斷圖像中像素點在顏色空間中是否落在標(biāo)定的空間內(nèi)，若在已標(biāo)定的空間內(nèi)，則認為其顏色與已標(biāo)定的顏色一樣，這樣就可以根據(jù)標(biāo)定的封閉區(qū)域識別出圖像中具有與標(biāo)定顏色相同的物體。為了滿足不同情況下應(yīng)用的需求，顏色跟蹤設(shè)置了2種模式。

　　(1)幀處理模式

　　該模式需要用戶輸入要跟蹤的R、G、B三個顏色邊界，構(gòu)成一個RGB跟蹤的顏色空間。然后處理器從圖像的左上角開始，順序逐行逐點的檢查每一個像素。如果被檢查的像素正好落入用戶定義的顏色范圍，就將這個像素標(biāo)記為跟蹤的；同時，需要記錄被跟蹤點中的最高點、最低點、最左點和最右點。如果檢測到的像素位置在當(dāng)前跟蹤區(qū)域的標(biāo)記框外，則需要增大標(biāo)記框來包含該像素；同時，需要記錄符合要求的像素的數(shù)量，當(dāng)一幀圖像掃描完成后，可以分別用符合要求的點的橫縱坐標(biāo)和除以符合要求的像素點數(shù)，得出被追蹤物體的中心坐標(biāo)。

　　這樣在對一幀圖像的一次掃描后，就可以得到被跟蹤物體的中心坐標(biāo)，同時處理器只需記錄較少的全局變量，在時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度上都適合嵌入式系統(tǒng)。

　　上述方法中，只有一個跟蹤點就可以改變標(biāo)記框，因此如果在跟蹤過程中出現(xiàn)噪聲點，就會對標(biāo)記框產(chǎn)生影響。去噪的思想是：如果一個像素點周圍的其他點也落在用戶輸入的RGB范圍內(nèi)，那么這個點就被認為是符合要求的。

　　(2)行處理模式

　　與幀處理模式不同的是，行處理模式在掃描完一行數(shù)據(jù)后就記錄下所在行中符合要求的連續(xù)點的最左端坐標(biāo)和最右端坐標(biāo)，不妨分別記為(XnL，YnL)和(XnR，YnR)。在一幀圖像處理完成后，會得到圖3所示的圖形。

　　根據(jù)得到的結(jié)果，可以計算出更多關(guān)于跟蹤物體的信息：

　?、儆嬎銋^(qū)域面積。計算每條線段的長度l(n)，然后將l(n)進行累積疊加，即可獲得跟蹤區(qū)域面積值S。

　　④識別物體的形狀。根據(jù)得到的每行跟蹤點的長度，以及同一行中有幾段符合要求的連續(xù)跟蹤點，可以得知物體從攝像頭角度看到的形狀。特別是在檢測平面上線條時，可以識別是否有分支，這一點是幀處理模式無法做到的。

　　需要指出的是，行處理模式雖然會得到關(guān)于跟蹤目標(biāo)的更多信息，但是每行處理的方式增大了處理器的負擔(dān)，處理速度也沒有幀處理快。

　　4 提高系統(tǒng)的工作速率

　　目前，系統(tǒng)工作在幀處理模式下的工作速率是25幀／s，作為系統(tǒng)功能的驗證，這里采用的算法是顏色跟蹤。如果僅做純粹的圖像采集，而不做圖像處理，那么系統(tǒng)可以達到OV6620的最高工作速率，即60幀／s。而在圖像處理方面，不同的圖像處理程序效率對系統(tǒng)的工作頻率有較大的影響。下面給出在通用ARM處理器下提高程序效率的幾個建議：

　?、賰?nèi)嵌(inline)可通過刪除子函數(shù)調(diào)用的開銷來提高性能。如果函數(shù)在別的模塊中不被調(diào)用，一個好的建議是用static標(biāo)識函數(shù)；否則，編譯器將在內(nèi)嵌譯碼里把該函數(shù)編譯成非內(nèi)嵌的。

　　②在ARM系統(tǒng)中，函數(shù)調(diào)用過程中參數(shù)個數(shù)≤4時，通過R0～R3傳遞；參數(shù)個數(shù)>4時，通過壓棧方式傳遞(需要額外的指令和慢速的存儲器操作)。通常限制參數(shù)的個數(shù)，使它為4或更少。如果不可避免，則把常用的前4個參數(shù)放在R0～R3中。

　　第1種方式比較需要2條指令A(yù)DD和CMP，而第2種方式只需一條指令SUBS。

　?、蹵RM核不含除法硬件，除法通常用一個運行庫函數(shù)來實現(xiàn)，運行需要很多個周期。一些除法操作在編譯時作為特例來處理，例如除以2的操作用左移代替余數(shù)的操作符“％”，通常使用模算法。如果這個值的模不是2的n次冪，則將花費大量的時間和代碼空間避免這種情況的發(fā)生。具體辦法是使用if()作狀態(tài)檢查。

　　比如，count的范圍是0~59；

　　count=(count+1)%60；

　　用下面語句代替：

　　if(++count>=60) count="0"；

　?、荼苊馐褂么蟮木植拷Y(jié)構(gòu)體或數(shù)組，可以考慮用malloc／free代替。

　　⑥避免使用遞歸。

　　結(jié) 語

　　本文介紹了一種基于ARM和CPLD的嵌入式視覺系統(tǒng)，可以實現(xiàn)顏色跟蹤。在硬件設(shè)計上，圖像采集和圖像處理分離，更利于系統(tǒng)功能的升級。而視覺處理算法更注重處理的效率和實時性，同時根據(jù)不同的需要有兩種模式可供選擇。最后給出了提高程序效率的一些建議和方法。與基于PC機的視覺系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)功耗低、體積小，適合應(yīng)用于移動機器人等領(lǐng)域。