基于FPGA的相關(guān)測速系統(tǒng)

相關(guān)測速是以隨機(jī)過程的相關(guān)理論和信息理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的[1-2]，它的應(yīng)用始于上世紀(jì)40年代，首先應(yīng)用于軍事上，然后逐漸轉(zhuǎn)移到科學(xué)研究和民用上，現(xiàn)在已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到日益廣泛的應(yīng)用。

盡管相關(guān)測速的運(yùn)算量非常巨大，但是隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA的出現(xiàn)，集成電路做得比以前更快、規(guī)模更大。設(shè)計(jì)人員有很大的自由度去設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用途專一的集成化數(shù)字電路：在實(shí)驗(yàn)室里，在電腦系統(tǒng)前，現(xiàn)場設(shè)計(jì)、現(xiàn)場編程、現(xiàn)場配置、現(xiàn)場修改和現(xiàn)場驗(yàn)證，從而在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的單片化設(shè)計(jì)和應(yīng)用。這意味著無需更改電路，只要改寫FPGA內(nèi)部功能，整個(gè)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)新功能，即一個(gè)最小的芯片方案可以轉(zhuǎn)換來執(zhí)行多個(gè)功能，硬件的配置變得如同軟件一樣靈活方便，而其速度和集成度，也隨著VLS工藝的發(fā)展而迅速提高，這就為相關(guān)測速的實(shí)際應(yīng)用提供了硬件平臺(tái)。只要找到合適的算法并建立相應(yīng)的硬件處理系統(tǒng)，運(yùn)算速度和精度就能達(dá)到預(yù)期的要求。

1 系統(tǒng)硬件及相關(guān)算法的確定

本文測速的原理是：以CCD攝像頭作為前端裝置，將CCD攝像頭所采集的圖像信息送到FPGA中，由FPGA對(duì)其進(jìn)行處理，并給出當(dāng)前運(yùn)行的速度。在滿足速度上限的條件下，連續(xù)兩次采集的圖像必然有重疊的部分。對(duì)連續(xù)兩次的圖像進(jìn)行相關(guān)處理，就可以得到它們之間的位置關(guān)系，再結(jié)合采樣間隔時(shí)間，從而可以得出速度。

由于圖像處理算法涉及的運(yùn)算量比較大，對(duì)系統(tǒng)的快速處理能力和大數(shù)據(jù)量的吞吐能力有嚴(yán)格的要求[3]，因此系統(tǒng)中的核心器件FPGA的選擇必須遵循以下原則：(1)調(diào)試使用方便；(2)適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)速度；(3)適當(dāng)夠用的邏輯資源；(4)足夠的輸入輸出（I/O）端口。

根據(jù)系統(tǒng)要求，本文采用Altera公司的超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏yclone II[4]。Cyclone II系列FPGA是繼Cyclone系列低成本FPGA在市場上取得成功之后，Altera公司推出的更低成本的FPGA。Altera采用相同的方法在盡可能小的裸片面積上構(gòu)建了Cyclone II系列，擴(kuò)展了低成本FPGA的密度，最多達(dá)68 416個(gè)邏輯單元(LE)和1.1 Mbit的嵌入式存儲(chǔ)器，從而可以在低成本的FPGA上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。優(yōu)異的性價(jià)比使CycloneII系列FPGA可以廣泛地應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、音/視頻處理、通信以及測試測量等終端產(chǎn)品市場。

在測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，假設(shè)攝像頭采集到的原始圖大小為1 280×1 024，為了保證采集的圖像背景區(qū)域能夠有明顯的目標(biāo)，比較理想的情況是將模板區(qū)域取得越大越好，將目標(biāo)全部包括在內(nèi)[5-6]。當(dāng)搜索區(qū)域大小為m×m, 模板大小為n×n時(shí)，歸一化互相關(guān)算法所需的運(yùn)算次數(shù)約為（5n2+9）×(m-n+1)2次，計(jì)算量巨大。如果采用512×512大小的搜索區(qū)域，模板采用32×32大小，運(yùn)算乘加次數(shù)近12億次，硬件將無法提供足夠的乘加器。如果采用128×128的搜索區(qū)域和32×32的模板，圖像的檢索區(qū)域比較小，測速的范圍會(huì)比較低，精度也會(huì)下降。綜合考慮攝像頭采集圖像的范圍和精度，并且充分利用硬件所能提供的內(nèi)部存儲(chǔ)單元，本文將搜索區(qū)域設(shè)定為256×256，模板大小設(shè)定為32×32，如圖1所示。

2 測速系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)

根據(jù)所需的功能，將系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)模塊，分別加以實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。

(1)CCD攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊

攝像頭采集的數(shù)據(jù)需要有圖像幀和消隱幀。當(dāng)前幀是圖像幀時(shí)，讀入圖像的行數(shù)據(jù)，讀入1 280×1 024個(gè)數(shù)據(jù)后，列計(jì)數(shù)X_Cont和行計(jì)數(shù)Y_Cont歸零。消隱幀時(shí)不輸出。