基于雙DSP平臺(tái)的實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文以兩片定點(diǎn)DSPTMS320C6203為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于處理10241024大小圖像（12位數(shù)字相機(jī)）的電視跟蹤系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了詳細(xì)介紹。對(duì)實(shí)時(shí)圖像序列進(jìn)行預(yù)處理后，DSP1進(jìn)行捕獲和圖像增強(qiáng)、顯示，DSP2用于實(shí)時(shí)跟蹤。主要解決了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：第一，采用分段投影的方法，解決了對(duì)于大圖像大數(shù)據(jù)量的目標(biāo)全屏捕獲問(wèn)題，并滿足實(shí)時(shí)要求；第二，根據(jù)目標(biāo)大小動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)跟蹤窗，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤有很好的性能。
關(guān)鍵字：雙DSP平臺(tái)，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)，12位數(shù)字相機(jī)

引言

實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)中目標(biāo)的捕獲和跟蹤是圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別等領(lǐng)域的重要課題，在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和交通等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)是一般是針對(duì)8位的數(shù)字圖像，大多數(shù)的跟蹤器采用TI公司所推出的優(yōu)秀的高速數(shù)字信號(hào)處理芯片C6x系列DSP，TI公司提供了很多針對(duì)處理256灰度級(jí)圖像的圖像處理支持庫(kù)，用戶可以方便的調(diào)用里面的API函數(shù)，并通過(guò)CCS自帶的調(diào)試工具進(jìn)行簡(jiǎn)單快捷的調(diào)試，縮短程序的開(kāi)發(fā)周期。由于信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重跟蹤的精度和可靠性，高分辨率高精度的相機(jī)越來(lái)越受到人們的青睞，而對(duì)于大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)處理問(wèn)題也伴隨產(chǎn)生。

本文針對(duì)分辨率為10241024的12位數(shù)字相機(jī)提供了一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)的建立對(duì)后續(xù)算法的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，由于目標(biāo)本身的特點(diǎn)本文以重心法為例進(jìn)行分析。

1. TMS320C6203簡(jiǎn)介

TMS320C6203芯片是TMS320C62x系列定點(diǎn)DSP中的一員。定點(diǎn)DSP在硬件結(jié)構(gòu)上比浮點(diǎn)器件簡(jiǎn)單，具有價(jià)格低和速度快的特點(diǎn)，因而應(yīng)用的最多。C62系列DSP的主要特點(diǎn)是在體系結(jié)構(gòu)上采用了由TI公司研發(fā)的VelociTi甚長(zhǎng)字（VLIW）結(jié)構(gòu)。每個(gè)指令字包含多個(gè)字段（指令），字段之間相互獨(dú)立，各自控制一個(gè)功能單元，因此可以單周期發(fā)送多條指令，實(shí)現(xiàn)很高的指令級(jí)并行效率。C6000的VLIW采用了類(lèi)RISC指令集，使用大的統(tǒng)一的寄存器堆，結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有潛在的易編程性和良好的編譯性能，在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮良好的作用。300MHz時(shí)鐘的C6203峰值性能可以達(dá)到2400MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）。C6203有8個(gè)獨(dú)立的功能單元，其中6個(gè)加法器，兩個(gè)16位乘法器可以得到32位的結(jié)果，可以每周期執(zhí)行8條32bit指令，專(zhuān)用存取結(jié)構(gòu)，32個(gè)32bit通用寄存器，支持40bit ALU運(yùn)算，支持位操作。由于多功能單元的并行操作，使DSPs在相同的時(shí)間內(nèi)能夠完成更多的操作，因而提高了程序的執(zhí)行速度。除多功能單元外，流水技術(shù)是提高DSPs程序執(zhí)行效率的另一個(gè)主要手段。

DSPs采用了程序總線和數(shù)據(jù)總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)取指和取操作數(shù)，片內(nèi)提供256位的程序總線、2套32位數(shù)據(jù)總線和1套32位的DMA專(zhuān)用總線。靈活的總線結(jié)構(gòu)大大緩解了數(shù)據(jù)瓶頸對(duì)系統(tǒng)性能的限制。

C6203芯片片內(nèi)提供多種功能強(qiáng)大的集成外設(shè)，包括3個(gè)多通道緩沖串口，兩個(gè)通用計(jì)數(shù)器，一個(gè)32bit擴(kuò)展總線，32bit高性能外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）提供了與SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步、異步存儲(chǔ)器的直接接口。

隨著DSPs應(yīng)用的日益廣泛深入和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，TI公司推出了世界上第一個(gè)效率可達(dá)70％～80％的匯編語(yǔ)言級(jí)C編譯器，它產(chǎn)生的代碼的平均效率是其他DSPs編譯器的3倍，另外，C6000獨(dú)有的匯編優(yōu)化器可以使開(kāi)發(fā)者采用線性匯編語(yǔ)言得到近似標(biāo)準(zhǔn)匯編的性能，因而降低了開(kāi)發(fā)難度。CCS的出現(xiàn)，提供了更加豐富和強(qiáng)有力的調(diào)試手段來(lái)提高程序調(diào)試的效率和精度，使應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)變成一件輕松而有趣的工作。

2. 電視跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電視跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，以兩片DSP TMS320C6203為核心，有FPGA完成圖像預(yù)處理工作如圖一所示。

圖1. 電視跟蹤系統(tǒng)硬件框圖

本文實(shí)驗(yàn)所用到的高精度相機(jī)為DALSA公司生產(chǎn)的1M30相機(jī)，10241024協(xié)議，全局CCD結(jié)構(gòu)，幀頻為30fps，40MHz數(shù)據(jù)吞吐率，12位數(shù)字化，高靈敏度低暗電流，異步圖像獲取，外部觸發(fā)結(jié)構(gòu)，單12V~24V供電，多觸發(fā)控制。

3. 投影法及在捕獲、跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

投影法是一種簡(jiǎn)單而且容易實(shí)現(xiàn)的方法，設(shè)圖像Image上的元素為的大小為mn，則水平方向的投影與垂直方向的投影分別為：

DSP1捕獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

由于DMA傳遞數(shù)據(jù)的最大限度為0xffff，可將10241024大小的圖像通過(guò)DMA分8次倒入DSP中，DSP1沒(méi)有接到捕獲命令的時(shí)候可以進(jìn)行圖像拉伸或目標(biāo)位置預(yù)測(cè)等算法，協(xié)助和檢驗(yàn)DSP2的跟蹤；當(dāng)DSP1接到自動(dòng)捕獲命令后進(jìn)入捕獲狀態(tài)，分塊累計(jì)直方圖計(jì)算閾值，將圖像二值化，然后通過(guò)投影法求取水平方向投影和垂直方向的投影，整場(chǎng)計(jì)算完畢累計(jì)投影值，找到水平方向投影最大值與垂直方向投影最大值的交界處，將該位置通過(guò)FIFO送給DSP2用于以后的跟蹤。

DSP2跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

當(dāng)DSP2接到跟蹤命令后進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，跟蹤命令或由DSP1給出，或由鼠標(biāo)通過(guò)串口通信強(qiáng)制跟蹤，本文以初值256256畫(huà)跟蹤窗，通過(guò)DMA傳遞數(shù)據(jù)將窗口內(nèi)的圖像轉(zhuǎn)到片內(nèi)寄存器進(jìn)行處理。由于目標(biāo)與鄰近的背景之間一般有著很高的對(duì)比度，可以在跟蹤窗內(nèi)對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別。累計(jì)跟蹤窗內(nèi)的直方圖，計(jì)算窗口內(nèi)閾值將圖像二值化計(jì)算目標(biāo)重心位置，并通過(guò)投影法找到目標(biāo)各個(gè)方向的邊界，估算目標(biāo)大小調(diào)整跟蹤窗的尺寸。若跟蹤窗內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)則向DSP1發(fā)出捕獲命令。

（a） （b）

圖2 （a）為原始圖像，（b）為二值化后的圖像，左方為目標(biāo)的水平投影，上方為目標(biāo)的垂直投影

4．試驗(yàn)結(jié)果與展望

經(jīng)試驗(yàn)，基于雙DSP平臺(tái)的實(shí)時(shí)電視跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確性滿足要求，能夠及時(shí)送出脫靶量，延遲小，工作穩(wěn)定，并且跟蹤窗能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，有很好的跟蹤效果。此平臺(tái)滿足自然背景下的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤要求，但由于只使用了定點(diǎn)DSP必然有其算法的局限性，可再加入一片浮點(diǎn)DSP TMS320C6701設(shè)計(jì)多DSP平臺(tái)，即可滿足算法多方面的要求，如即將準(zhǔn)備移植的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)姿態(tài)測(cè)量算法，可以在實(shí)時(shí)跟蹤的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)給出目標(biāo)旋轉(zhuǎn)的角度和縮放大小。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：建立雙DSP平臺(tái)處理高精度高分辨率圖像，兩個(gè)DSP協(xié)調(diào)工作，由于圖像較大，不能整場(chǎng)存入片內(nèi)進(jìn)行處理，因而利用分段累計(jì)投影法達(dá)到實(shí)時(shí)捕獲和跟蹤的目的。

圖3.電視跟蹤程序原理框圖

圖4. 試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)平臺(tái)

5. 參考文獻(xiàn)：

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