基于CPLD+DSP的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像穩(wěn)定系統(tǒng)

數(shù)字圖像穩(wěn)定是圖像序列處理中得一項(xiàng)重要的前處理步驟。早期的方法是對(duì)攝像機(jī)本身的機(jī)械和光路進(jìn)行穩(wěn)定，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，使圖像在顯示器上能夠穩(wěn)定地顯示，同時(shí)也為了更好地為后續(xù)處理提供穩(wěn)定的圖像序列，如圖像拼接、圖像增強(qiáng)、信息融合、目標(biāo)追蹤、目標(biāo)識(shí)別等各種圖像處理技術(shù)的綜合運(yùn)用。在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像穩(wěn)定系統(tǒng)方面，由于圖像計(jì)算量大，必須選用高性能數(shù)字信號(hào)處理器。目前實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像處理的主要方式有4種：1)基于通用PC機(jī)；2)基于通用DSP；3)基于專(zhuān)用或多DSP；4)基于可編程FPGA或DSP+FPG。在通用PC機(jī)上可方便地進(jìn)行各種圖像算法的仿真試驗(yàn)，但是這種方法只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，難以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。其中基于通用DSP這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于，價(jià)格便宜、資料豐富、開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且處理速度也隨著器件性能提高，已經(jīng)能滿足圖像穩(wěn)定所需要的實(shí)時(shí)處理，形成脫機(jī)系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字圖像穩(wěn)定處理，介紹一種采用高性能系列的DSP C6416，開(kāi)發(fā)出一套數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙口RAM作為高速數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖通道，由CPLD進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯控制，DSP的EDMA完成數(shù)據(jù)的片內(nèi)片外傳送，通過(guò)配置和軟件優(yōu)化，最終完成了系統(tǒng)的高度實(shí)時(shí)運(yùn)行。

1 穩(wěn)像方法和步驟
數(shù)字圖像穩(wěn)定處理過(guò)程主要由3部分組成：運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)模塊(ME)，運(yùn)動(dòng)矢量補(bǔ)償模塊(MC)和圖像序列合成模塊(IC)。通過(guò)ME模塊找到幀間運(yùn)動(dòng)偏移，由MC模塊進(jìn)行圖像拼接完成運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，最后經(jīng)IC模塊進(jìn)行圖像剪裁輸出。
運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)模塊中，通過(guò)比較當(dāng)前圖像和參考圖像中相同的部分，找到兩幀圖像問(wèn)的偏移量，即運(yùn)動(dòng)矢量，廣泛應(yīng)用于視頻處理與編碼，如圖1所示。

圖1中用實(shí)線所畫(huà)的方框表示匹配塊，虛線所畫(huà)的方框表示搜索窗。假定第k幀為當(dāng)前幀，為了計(jì)算第k幀相對(duì)于第k-n幀的運(yùn)動(dòng)偏移量。在第k-n幀的中心位置選擇一個(gè)N×N像素大小的匹配塊，同時(shí)在第k幀上選擇一個(gè)M×M(M>N)大小的搜索窗，搜索窗的中心位置與第k幀的匹配塊中心位置重合，通過(guò)用式(1)比較兩幅圖像間所有相應(yīng)像素間絕對(duì)差的累和VSAD(Sum of Absolute Difference)，在搜索窗內(nèi)找出和匹配塊圖像最匹配的位置，即VSAD最小值的位置。該匹配位置坐標(biāo)和搜索窗中心點(diǎn)坐標(biāo)的相對(duì)位置(△x，△y)，即為兩幀圖像的偏移運(yùn)動(dòng)矢量。

式中，分別為參考圖像和當(dāng)前圖像(i，j)位置的像素強(qiáng)度。
獲得的圖像序列之間的運(yùn)動(dòng)矢量參數(shù)后，糾正當(dāng)前圖像，使其恢復(fù)到正確的位置，獲得相對(duì)穩(wěn)定的圖像序列，然后送到相應(yīng)的顯示裝置或存儲(chǔ)介質(zhì)。

2 穩(wěn)像系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
TMS320C6416是TI公司最新推出的高性能DSP，該器件擁有8個(gè)并行處理單元，工作頻率為600 Hz，最高處理速度可達(dá)4800M／s(MFLOPS)。采用類(lèi)似RISC的超常指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，在最好的情況下，TMS320 C64X系列的DSP在一個(gè)指令周期可同時(shí)執(zhí)行8條32位有效指令，因此可以達(dá)到極高的處理性能。
2．1 系統(tǒng)組成
為適合高速圖像采集與處理，采用CPLD+DSP的應(yīng)用方案，由于DSP只專(zhuān)注數(shù)據(jù)處理，但缺乏控制能力，利用高速邏輯器件CPLD配合DSP完成實(shí)時(shí)任務(wù)控制與處理，是系統(tǒng)的最佳組合。經(jīng)過(guò)比較，選用XC95144XL作為CPLD控制器，主處理DSP TMS320C6416系列器件進(jìn)行圖像處理計(jì)算。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。