基于PCI總線的實時圖像識別與跟蹤平臺設(shè)計

1、基于PCI總線的實時圖像識別與跟蹤平臺設(shè)計        摘要：探討了應(yīng)用PCI總線主控I/O加速器PLX9054開發(fā)PCI總線的圖像傳輸卡，該卡完成了與TMS320C6701數(shù)字信號處理器構(gòu)成的圖像識別與跟蹤處理板的實時序列圖像傳輸，利用TMS320C6701實現(xiàn)了不變矩特征對目標(biāo)的識別，同時完成了對目標(biāo)的運動軌跡預(yù)測和實時跟蹤。經(jīng)實驗取得了很好的效果。關(guān)鍵詞：PCI總線 圖像識別 圖像跟蹤 TMS320C6701在沒有紅外探測器或其它圖像采集設(shè)備的條件下，可以先開發(fā)基于PCI總線的圖像處理平臺，由計算機模擬圖像

2、的生成并完成圖像的高速傳輸，以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，使系統(tǒng)靈活、實用、便于進行功能擴展。采用美國TI公司的新一代高性能浮點數(shù)字信號處理器TMS320C6701（以下簡稱C6701）研制了實時圖像識別與跟蹤處理平臺，利用不變矩進行圖像識別，采用質(zhì)心跟蹤方案，獲得了很好的實驗效果。充分發(fā)揮了C6701強大的數(shù)字信號處理能力，并為后續(xù)的研究提供了很好的軟硬件平臺基礎(chǔ)。1 C6701數(shù)字信號處理器簡介C6701芯片內(nèi)有8個并行處理單元，分為相同的兩組。采用甚長指令字VLIW結(jié)構(gòu)，使C6701成為高性能的數(shù)字信號處理芯片。其單指令字長為32b，8個指令組成一個指令包，總字長為256b。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指

3、令分配模塊，可以將每個256b指令包同時分配到8個處理單元，8個單元可同時運行。芯片的最高時鐘頻率達到167MHz，此時浮點運算處理能力可達到1GFLOPS。外部存儲器接口EMIF支持81632b數(shù)據(jù)寬度的各種類型的同步、異步存儲器,便于系統(tǒng)擴展。C6701片內(nèi)有64KB的數(shù)據(jù)RAM和64KB的程序RAM；片外存儲空間分為4個區(qū)（CE0、CE1、CE2、CE3）；有4個相互獨立的可編程DMA通道，還有第五個DMA通道可與HPI接口。2 PCI9054的主要特點及應(yīng)用PCI9054是美國PLX公司生產(chǎn)的一種32b 33MHz的PCI總線主控I/O加速器。采用先進的PLX流水線結(jié)構(gòu)；符合PCI本地

4、總線規(guī)范2.2版，突發(fā)傳輸速率達到132MB/s；本地總線復(fù)用/非復(fù)用的32b地址/數(shù)據(jù)線，有M、J、C三種工作模式，但C模式的數(shù)據(jù)和地址總線是非復(fù)用的；支持8b、16b、32b外圍設(shè)備和存儲設(shè)備，本地總線操作速率高達50MHz；內(nèi)部有6種可編程的FIFO，可實現(xiàn)零等待的突發(fā)傳輸及本地總線時鐘和PCI總線時鐘的異步操作，支持主模式、從模式和DMA傳輸模式。PCI9054是一種性價比高的PCI橋接芯片。圖1給出了PCI總線接口連接圖，使用2K的ST93CS56串行EEPROM作為PCI9054的配置芯片，圖中雙口RAM可設(shè)計成32b、16b或8b。PLX9054工作在C模式下。本地總線晶振為30

5、MHz，經(jīng)過測試PLX9054工作在從模式單字節(jié)讀寫的情況下，本地總線速度已達12MB/s。根據(jù)實際圖像傳輸需要（圖像大小為256×256，深度為8b的灰度圖像）幀頻為25幀/s，已經(jīng)滿足需要。為了再提高傳輸速度，PLX9054可以開發(fā)成突發(fā)或DMA傳輸方式。使用CPLD(XILINX的XC95108)完成PCI9054到雙口RAM的譯碼電路，本地地址空間可尋址大小為1MB，1MB的本地地址空間映射為地址00000000H000fffffH, PCI總線的地址空間（計算機自動分配）為ef100000Hef1fffffH，同時要求PCI基址空間2（對應(yīng)寄存器PCIBAR2）映射到本地地

6、址空間0(對應(yīng)寄存器LAS0BA()即LAS0RR寄存器設(shè)為fff00000H,LAS0BA寄存器設(shè)為00000001H。其中，LAS0BA的最低位置成“1”，表示PCI直接從模式訪問本地地址空間0，使能譯碼；寫“0”則禁止使能。PCIBAR2的值為ef100000H 。利用WinDriver6.01驅(qū)動程序開發(fā)工具生成PCI圖像傳輸卡的WDM驅(qū)動程序代碼，用VisualC+6.0編寫應(yīng)用程序，完成圖像處理版與PC機之間的高速率的圖像序列傳輸。3 圖像處理板硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。圖像處理板以DSP C6701為核心，C6701主要負責(zé)圖像處理，包括對目標(biāo)的識別和跟蹤，并給出最終的跟蹤

7、角誤差。源圖像通過PCI接口卡傳入圖像處理板的兩片雙口RAM，兩片雙口RAM采用乒乓式存儲。即為了保證圖像處理的實時性，當(dāng)一片RAM接收數(shù)據(jù)時，另一片RAM為DSP提供圖像處理的數(shù)據(jù)。SDRAM用作DSP RAM的擴展，存儲圖像處理的中間結(jié)果。圖像處理后的方位與俯仰角度數(shù)據(jù)通過82C52轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)DS8921轉(zhuǎn)換成RS-422電平，送給系統(tǒng)的后續(xù)電路。FPGA選用Altera公司的APEXEP20K200,完成整個圖像處理板的譯碼邏輯，并承擔(dān)部分圖像處理功能。APEXEP20K200門數(shù)為20萬門，采用串行配置時必須使用兩片EPC2。FPGA配置在C6701的CE0空間。FLASH選

8、用4Mb的AM29LV040，用作DSP BootLoader 加載程序時的8b ROM ，只能配置在CE1空間，因為C6701只有CE1空間可以與8b/16b的“窄存儲器”接口。SDRAM的容量為4M×32b，配置在CE2空間。兩片雙口RAM為CY7C028V，容量為64K×16b，都配置在CE3空間，地址分別譯為003000000和003040000。C6701的BOOTMODE4:001101,即存儲器映射方式為MAP1、8bitROM加載、地址0處的存儲器對應(yīng)為DSP內(nèi)部程序RAM。4 軟件算法圖像由計算機經(jīng)PCI卡傳到圖像處理板的雙口RAM后，DSP對圖像進行預(yù)處

9、理，包括圖像校正、圖像濾波，之后進行圖像分割和識別。當(dāng)識別出目標(biāo)時設(shè)置跟蹤波門，則后續(xù)圖像序列在波門內(nèi)進行跟蹤。本系統(tǒng)識別的目標(biāo)為高空飛行的飛機圖像，采用的識別算法要求具有平移、旋轉(zhuǎn)和比例的識別特征不變性，同時要求跟蹤速度快。4.1 圖像分割圖像分割的目的是將圖像目標(biāo)和背景分割開來，從而知道目標(biāo)的大致位置。目前已有各種各樣的方法，其中簡單有效的方法是直方圖分割法中的最大距離法（類間方差門限法）。它的基本思想是：在直方圖取值范圍內(nèi)，任一灰度級可將直方圖分為左右兩部分，如果這兩部分的灰度均值與總體的灰度均值相距最大，則該灰度級就取為分割門限。這種分割技術(shù)可由如下公式描述：  

10、(1)式中, Pl為灰度l級處的概率。分割的準(zhǔn)則是將D(l)為最大值的灰度級l作為圖像分割的門限值。圖像中凡是灰度值大于分割門限的像點，均認為是背景中的點；反之，則認為是潛在目標(biāo)區(qū)域中的點。這種分割方法可以精確地找到分割門限，提取目標(biāo)。4.2 圖像識別圖像經(jīng)過分割后，接下來就要對目標(biāo)圖像識別。實現(xiàn)目標(biāo)識別技術(shù)的關(guān)鍵是如何利用一組特征參數(shù)對區(qū)域的本質(zhì)特征進行有效的描述。適當(dāng)?shù)剡x擇特征是很重要的，因為在識別目標(biāo)時它是唯一的依據(jù)。圖像的識別特征有各種各樣的描述，如目標(biāo)形狀、大小、統(tǒng)計分布等。這里使用仿射矩不變量和分散度特征來識別目標(biāo)，取得了較好的效果。對于經(jīng)過分割（二值）處理的數(shù)字圖像f(x,y)，

11、可以定義（p+q）階矩：mpqXpYqf(x,y) （2）式中, p,q0，1，3f(x,y)的（p+q）階中心矩可用下式表示：（XX）p(YY)qf(x,y) （3）式中,Xm10/m00, Ym01/m00,即(X,Y)為目標(biāo)區(qū)域灰度質(zhì)心。f(x,y)惟一地確定一個矩序列mpq，反之，矩序列mpq也唯一確定f(x,y)。在此利用公式（4）的5個幾何矩不變量4，再加上分散度特征一起代入目標(biāo)匹配公式2進行目標(biāo)識別。其中,。此5個不變矩對目標(biāo)區(qū)域的平移(T)、旋轉(zhuǎn)(R)和區(qū)域的比例大小(S)保持不變。4.3 目標(biāo)跟蹤與軌跡預(yù)測 識別出目標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)確定跟蹤波門大小，在跟蹤波門內(nèi)進行跟蹤，波門的

12、大小采用自適應(yīng)設(shè)置。常用的跟蹤算法有波門跟蹤、圖像匹配跟蹤和多模跟蹤算法，考慮到背景較簡單，采用基于公式（1）的質(zhì)心跟蹤方案。把波門的中心G(xG,yG)和目標(biāo)質(zhì)心T(xT,yT)的偏差作為跟蹤誤差，通過RS-422接口輸出給后續(xù)處理板來實時進行跟蹤。在跟蹤過程中，目標(biāo)的位置按照自身的運動方式不斷變化著，同時目標(biāo)也會出現(xiàn)被遮擋的情況。此時，需要對目標(biāo)的運動軌跡進行預(yù)測，可以采用基于最小二乘法的綜合預(yù)測器來預(yù)測2，認為目標(biāo)的運動軌跡可以是直線和二次曲線的某種組合。即式中，為線性預(yù)測器；為平方預(yù)測器，W為權(quán)函數(shù)（0W1）。權(quán)函數(shù)可以根據(jù)實時測得的平方預(yù)測器的誤差而實時構(gòu)成。當(dāng)平方預(yù)測器誤差較大時，則增大權(quán)值，否則減小權(quán)值。線性和平方預(yù)測器的記憶點數(shù)的選取要視具體工作情形而定。當(dāng)特征量的變化不是太快時，值