一種仿生眼視覺圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的日新月異的發(fā)展和普及，人類已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的信息化時(shí)代，人類大概有80的信息來自圖像，科學(xué)研究、技術(shù)應(yīng)用中圖像處理技術(shù)越來越成為不可缺少的手段。圖像處理所涉及的領(lǐng)域有軍事應(yīng)用、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)監(jiān)控、物體的自動分檢識別系統(tǒng)等等，這些系統(tǒng)無不需要計(jì)算機(jī)提供實(shí)時(shí)動態(tài)，效果逼真的圖像。隨著數(shù)字信號處理器的高速發(fā)展，針對視頻和圖像解決方案而設(shè)計(jì)的高性能數(shù)字多媒體處理器TMS320DM642在實(shí)時(shí)視頻處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，根據(jù)仿生眼對圖像處理性能的實(shí)際要求，可以采用基于單片高性能DSP結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的仿生眼嵌入式機(jī)載視頻圖像處理系統(tǒng)采用TI公司的TMS320DM642高性能數(shù)字多媒體處理器作為處理器，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集圖像、實(shí)時(shí)處理圖像、實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)信息、實(shí)時(shí)顯示等功能，具有針對性強(qiáng)、電路簡單、集成度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對經(jīng)典Prewitt算法及其改進(jìn)算法的驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)運(yùn)算量大、數(shù)據(jù)傳輸率高以及實(shí)時(shí)性的要求。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以TM320DM642為，由4個(gè)部分組成：視頻采集、圖像處理、視頻輸出、串口通信。系統(tǒng)流程如圖1所示。首先CCD攝像頭采集的視頻圖像，經(jīng)過視頻解碼芯片轉(zhuǎn)化為便于DSP處理的視頻碼流；然后在DSP中設(shè)計(jì)合適的視頻圖像處理算法，分割、識別出運(yùn)動目標(biāo)，并計(jì)算出目標(biāo)的位置參數(shù)；將位置參數(shù)通過串口發(fā)送給眼動控制模塊。同時(shí)利用視頻編碼芯片編碼DSP輸出的視頻碼流，送到顯示器實(shí)時(shí)顯示，便于人機(jī)交互。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為6個(gè)模塊：視頻采集模塊、圖像處理模塊、視頻輸出模塊、串口通信模塊、電源時(shí)鐘模塊、存儲模塊。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2.1TMS320DM642圖像處理模塊

TMS320DM642是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的，它是TI公司推出的一款專用于數(shù)字媒體應(yīng)用的高性能32bit定點(diǎn)DSP,具有豐富的外設(shè)接口和高速的處理能力，是目前實(shí)時(shí)視頻處理領(lǐng)域性價(jià)比較高的芯片[8].DM642主頻達(dá)600MHz,并行處理指令可達(dá)每個(gè)指令周期處理8條32bit指令，指令處理速度為4800MIPS.DM642的高性能主要體現(xiàn)在采用了二級緩存結(jié)構(gòu)和64bit的EDMA控制器，使其在沒有CPU參與的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，大大提高了程序的運(yùn)行效率[9].因此，為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性[10],采用EDMA傳輸是必要之舉。此外，DM642具有豐富的外圍接口，其3個(gè)可配置的視頻口可以與視頻編解碼芯片進(jìn)行無縫連接；片內(nèi)64bit的EMIF接口可以與SDRAM、FLASH等存儲器無縫連接；利用I2C還可以方便地控制外圍器件等。

該模塊的主要功能是將輸入的BT.656格式的視頻信號進(jìn)行中值濾波、圖像分割等預(yù)處理，然后通過目標(biāo)識別算法計(jì)算目標(biāo)位置參數(shù)，將結(jié)果通過串口模塊實(shí)時(shí)地送給眼動控制模塊，眼動控制模塊再結(jié)合仿生控制率對眼球進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于系統(tǒng)采用EDMA傳輸，大大保證了圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。CPU的開銷主要用于圖像處理的識別算法上。

1.2.2視頻圖像采集模塊

視頻圖像采集模塊由CCD攝像頭XL-3130CP4和視頻解碼芯片TVP5150組成，用于實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。DM642具有3個(gè)視頻口，每個(gè)視頻口包括A、B2個(gè)通道，每個(gè)通道均可配置為輸入或輸出口。本系統(tǒng)將VP0A配置成視頻輸入，VP1A配置成視頻輸出。CCD采集的視頻信號采用PAL制式，即：分辨率為720×576,幀頻為25幀/s.通過TVP5150視頻解碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號（YUV4:2:2），輸出格式為ITU-RBT.656,輸入到VP0A口。DM642支持BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)流的輸入格式，能與TVP5150的視頻數(shù)據(jù)流無縫連接。視頻編解碼器與DSP的連接框圖如圖3所示。

TVP5150的配置是通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線完成的。I2C標(biāo)準(zhǔn)總線由串行數(shù)據(jù)輸入/輸出線（SDA）和時(shí)鐘輸入/輸出線（SCL）組成。TVP5150作為從設(shè)備，TMS320DM642作為I2C總線的主設(shè)備。主設(shè)備初始化TVP5150配置的寫操作步驟如下：（1）DSP產(chǎn)生一個(gè)起始條件；（2）DSP發(fā)出一個(gè)TVP5150的地址（0xBA或0Xb8），并表明寫操作，等待TVP5150響應(yīng)；（3）接收到TVP5150的響應(yīng)后，DSP發(fā)出要配置寄存器地址，等待TVP5150響應(yīng)；（4）接收TVP5150的響應(yīng)后，發(fā)送要配置的數(shù)據(jù)，等待TVP5150響應(yīng)；（5）接收到TVP5150響應(yīng)后，發(fā)送停止位，結(jié)束配置。

1.2.3視頻圖像輸出模塊

視頻輸出模塊由視頻編碼器SAA7121和顯示器組成。SAA7121支持PAL/NTSC格式的視頻編碼，輸入支持BT.656格式的數(shù)字視頻，輸出為一路復(fù)合視頻（CVBS）和一路超級視頻（S-Video）。SAA7121的配置也是通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線完成的，并且只能作為從設(shè)備。顯示器用于實(shí)時(shí)顯示視頻圖像信息，便于人機(jī)交互。

1.2.4串口通信模塊

串口通信部分包括TL16C752B和MAX3160.采用TL16C752B作為通用異步收發(fā)器（UART），采用MAX3160將UART接口配置成RS232接口電平標(biāo)準(zhǔn)，用于為眼動控制器傳遞參數(shù)。該模塊是視覺識別系統(tǒng)與眼動控制模塊的接口，所傳遞的參數(shù)是目標(biāo)偏離圖像中心的位置信息，眼動控制系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整眼球運(yùn)動，確保目標(biāo)位于圖像中心。因此，該參數(shù)是整個(gè)眼球運(yùn)動系統(tǒng)的前提。

1.2.5外部存儲模塊

外部存儲模塊包括SDRAM和FLASH2種。TMS320-DM642通過外部存儲器接口EMIFA訪問片外存儲器。EMIFA是一個(gè)64bit的接口，可以實(shí)現(xiàn)與多種同步和異步存儲器的無縫連接。系統(tǒng)中，DM642的CE0子空間被作為64bit的SDRAM接口，SDRAM選用HY57V283220T芯片，用于緩存待處理的圖像數(shù)據(jù)；CE1子空間被配置為8bit的FLASH接口，F(xiàn)LASH選用Am29LV033C芯片，用于存儲DSP的固化程序和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)。

1.2.6電源和時(shí)鐘模塊

本系統(tǒng)需要3種不同的供電電壓，分別是+3.3V（外部存儲器、DSP的外部I/O、視頻格式轉(zhuǎn)換電路、通用異步收發(fā)器、時(shí)鐘芯片）、+1.4V（DSP的內(nèi)核）、+1.8V（視頻格式轉(zhuǎn)換電路）。采用TPS54310和TPS76718這2款電源芯片。本電源系統(tǒng)中，TPS54310輸入電壓為5V,一路調(diào)節(jié)成3.3V,另一路調(diào)節(jié)為1.4V.TPS54310輸出3.3V電壓經(jīng)TPS76718固定輸出1.8V.

本系統(tǒng)共需要4種時(shí)鐘頻率：50MHz送DSP鎖相環(huán)電路（PLL），倍頻到200MHz作為DSP芯片的工作時(shí)鐘；133MHz送EMIFA接口，同步擴(kuò)展外部SDRAM存儲器；30.72MHz送TL16C752B芯片，為通用異步串行接口通信提供時(shí)鐘；14.31818MHz送TVP5150A芯片，作為視頻格式轉(zhuǎn)換電路的工作時(shí)鐘。

2系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)包括：（1）系統(tǒng)引導(dǎo)；（2）初始化。主要包括DM642的初始化、EDMA數(shù)據(jù)傳輸、編解碼芯片的初始化等。DM642的初始化包括片內(nèi)外設(shè)的選擇、EMIF初始化、I2C接口的初始化、視頻口初始化；（3）實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)搬移、圖像處理、參數(shù)輸出、實(shí)時(shí)顯示等功能。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

系統(tǒng)上電后，由DSP先從FLASH中加載程序，完成系統(tǒng)初始化及相關(guān)寄存器和外圍器件的配置。由CCD攝像頭采集的視頻圖像傳送到TVP5150解碼器，將視頻模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成BT.656視頻數(shù)據(jù)流，接著送入DM642視頻口；然后視頻口解碼該視頻數(shù)據(jù)流，得到Y(jié)UV（4:2:2）格式的圖像，并通過EDMA傳輸?shù)絊DRAM中存儲。CPU通過訪問SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像處理算法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和計(jì)算。一方面將計(jì)算結(jié)果通過串口發(fā)送出去，另一方面將視頻數(shù)據(jù)送到SAA7121編碼器，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換并實(shí)時(shí)顯示。

3圖像處理算法的應(yīng)用

3.1經(jīng)典Prewitt邊緣檢測算法

Prewitt算子是一種一階微分算子的邊緣檢測，利用像素點(diǎn)上下、左右鄰點(diǎn)的灰度差，在邊緣處達(dá)到極值檢測邊緣，去掉部分偽邊緣，對噪聲具有平滑作用.其原理是在圖像空間利用兩個(gè)方向模板與圖像進(jìn)行鄰域卷積來完成的，這兩個(gè)方向模板一個(gè)檢測水平邊緣，一個(gè)檢測垂直邊緣。

經(jīng)典的Prewitt算子是利用像素點(diǎn)上下、左右鄰點(diǎn)灰度差在邊緣處達(dá)到極值檢測邊緣，去掉部分偽邊緣，對噪聲具有平滑作用。其原理是在圖像空間利用2個(gè)方向模板與圖像進(jìn)行鄰域卷積完成。這2個(gè)方向模板中一個(gè)是垂直梯度方向，檢測水平邊緣；另一個(gè)是水平梯度方向，檢測垂直邊緣，如圖5所示。

Prewitt算法步驟：（1）分別將2個(gè)方向模板沿圖像從一個(gè)像素移到另一個(gè)像素，并將像素的中心與圖像中的某個(gè)像素位置重合；（2）將模板內(nèi)的系數(shù)與其圖像上相對應(yīng)的像素值相乘，并將所有相乘的值相加；（3）將兩個(gè)卷積的值賦給圖像中對應(yīng)模板中心位置的像素，作為該像素新的灰度值；（4）選取合適的閾值，若新像素灰度值大于等于所設(shè)閾值，則判斷該像素點(diǎn)為圖像邊緣點(diǎn)。

3.2改進(jìn)的Prewitt邊緣檢測算法

經(jīng)典的Prewitt邊緣檢測算法只檢測水平和垂直2個(gè)方向的邊緣，通常圖像的邊緣還有其他的方向。為了能夠在不影響實(shí)時(shí)性的前提下將邊緣提取得更，本文將Prewitt算子擴(kuò)張到8個(gè)方向的邊緣樣板算子。這些樣板算子由理想的邊緣子圖像構(gòu)成，依次用邊緣樣板去檢測圖像，與被檢測區(qū)域?yàn)橄嗨频臉影褰o出值，用這個(gè)值作為輸出值，并將此輸出值與所設(shè)的閾值進(jìn)行比較，大于閾值即為邊緣點(diǎn)，這樣就可以更地檢測出邊緣。8個(gè)方向的Prewitt邊緣檢測算子模板如圖6所示。8算子樣板對應(yīng)的邊緣方向如圖7所示。

3.3軟件實(shí)現(xiàn)步驟

本文使用CCS2.2開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā)，采用C語言編程。CCS具有實(shí)時(shí)、多任務(wù)、可視化的軟件開發(fā)特點(diǎn)。使用CCS提供的工具，可以方便地對DSP軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、編碼、編譯、調(diào)試、跟蹤和實(shí)時(shí)性分析。系統(tǒng)程序的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

（1）初始化并配置資源庫，包括片內(nèi)外設(shè)的選取，DSP的片上支持庫提供了一系列的C語言程序接口，可以設(shè)置或者控制外設(shè)；

（2）實(shí)現(xiàn)對EMIFA的初始化，CE0子空間被配置為64bit的SDRAM空間，具體定位：0x80000000H-0x81FFF-

FFFH.CE1子空間被配置為8bitFlash空間，具體定位：0x90000000H-0x9007FFFFH.

（3）對I2C總線進(jìn)行初始化；

（4）TVP5150和SAA7121的初始化，選擇I2C總線，并設(shè)置為相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路；

（5）初始化視頻口VideoPort1,設(shè)為視頻輸入；

（6）利用bt656_capture_start（）函數(shù)采集一幀圖像，并將其存入顯示緩沖區(qū)；

（7）完成一幀圖像的采集，使用DAT_copy（）函數(shù)將圖像數(shù)據(jù)送SDRAM暫存；

（8）對存儲區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理；

（9）對處理的數(shù)據(jù)使用DAT_copy（）函數(shù)，送顯存進(jìn)行顯示。

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用系統(tǒng)在線編程技術(shù)，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。為了減少運(yùn)算量，算法只對圖像的中心部分進(jìn)行2種算法處理。CCD采集的PAL制式的圖像，對圖像中心的80×100的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。其結(jié)果表明：改進(jìn)的算法比傳統(tǒng)的算法能提取更多的邊緣細(xì)節(jié)，對目標(biāo)識別更有利。在實(shí)時(shí)性上，傳統(tǒng)算法處理時(shí)間為0.02s,而改進(jìn)算法的處理時(shí)間為0.