基于DSP的嵌入式通用主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)

摘要：根據(jù)通用主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，提出了基于DSP的嵌入式主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有俯仰和搖擺2個(gè)自由度、支持雙CCD視覺(jué)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(shí)現(xiàn)了視頻處理、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器信息采集及系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通訊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有計(jì)算和接口資源豐富、操作靈活等特點(diǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：主動(dòng)視覺(jué)；視覺(jué)伺服；圖像采集；步進(jìn)電機(jī)控制；數(shù)字信號(hào)處理

主動(dòng)視覺(jué)(Active Vision)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器視覺(jué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱門(mén)課題。主動(dòng)視覺(jué)強(qiáng)調(diào)的是視覺(jué)系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交互作用能力。具體地說(shuō)，主動(dòng)視覺(jué)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(gè)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(jué)任務(wù)，如動(dòng)態(tài)地跟蹤物體的運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景，如各類(lèi)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(dòng)視覺(jué)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(guò)RS232等接口控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jià)格昂貴、可靠性差等缺點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單芯片的計(jì)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(jì)算任務(wù)，現(xiàn)在只需要極少量的芯片便可實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)是針對(duì)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)和優(yōu)化的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、可靠性高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文正是在這樣的大背景下研制和開(kāi)發(fā)了基于DSP的嵌入式主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析
主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)主要用于人機(jī)交互和高速視覺(jué)伺服任務(wù)，根據(jù)這一用途在設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：
首先是系統(tǒng)的圖像處理能力。標(biāo)準(zhǔn)PALL電視信號(hào)的幀頻率為25 Hz，分辨率約為720x576像素；場(chǎng)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(mǎn)足處理PAL傳輸視頻的要求。
其次考慮系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)要求。人眼正常運(yùn)動(dòng)角速度約為60度／秒，掃視運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)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(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)靈活多樣的任務(wù)，因此平臺(tái)應(yīng)具有靈活、豐富的計(jì)算機(jī)接口和充足的計(jì)算資源。

2 總體設(shè)計(jì)
基于以上對(duì)系統(tǒng)性能要求的分析，系統(tǒng)采用TI高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6711實(shí)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(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊功能。TMS320C6711主要用于通訊、聲音信號(hào)處理和數(shù)字圖像的處理，具有
900MFLOPS的浮點(diǎn)運(yùn)算能力和很高的性?xún)r(jià)比。TMS320F2812是TI專(zhuān)門(mén)針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制而開(kāi)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(bǔ)C6711在控制和通訊功能上的不足，從而充分發(fā)揮C6711的計(jì)算功能，最終實(shí)現(xiàn)高性能的主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)。MS320C6711的時(shí)鐘頻率為150 MHz并采用了BGA封裝，給設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大困難。C6711 DSK是低價(jià)位、易用性C6000 DSP開(kāi)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(kāi)發(fā)等等。本設(shè)計(jì)通過(guò)擴(kuò)展C6711 DSK的圖像采集功能縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)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(guò)其外圍擴(kuò)展接口擴(kuò)展圖像采集功能。TMS320C6711和TMS320F2812之間通過(guò)McBsp接口實(shí)現(xiàn)芯片之間信息的交換。F2812與PC機(jī)之間通過(guò)CAN總線或者RS232實(shí)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(guò)F2812的SCI可以實(shí)現(xiàn)RS232串口，進(jìn)而實(shí)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(jì)
3．1 圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用Philips公司提供的專(zhuān)用視頻解碼芯片SAA7111實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)的采集。SAA7111與C6711之間通過(guò)專(zhuān)用視頻幀存儲(chǔ)器AL422實(shí)現(xiàn)，外圍接口邏輯由一片EPM7032實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。