改進(jìn)的基TMS320DM642的疲勞檢測系統
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關(guān)鍵詞：TMS320DM642；疲勞檢測；EDDDS；FPGA；OSD
駕駛員疲勞、睡眠不足是引發(fā)嚴重交通事故的重要誘因之一。統計表明，由于疲勞/瞌睡造成的交通事故在交通事故總數中占7%左右，在嚴重交通事故中占40%，而在重型卡車(chē)和高速路上的交通事故中則占到35%左右。因此許多國家對司機在駕駛中的“瞌睡”檢測的研究非常重視。為了適應多媒體通信的發(fā)展，美國德州儀器公司推出了新一代數字多媒體處理器TMS320DM642（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM642）。它是TMS320C6000家族中性能最高的定點(diǎn)DSP，基于C64x CPU核，具有極強的處理能力、高度的靈活性和可編程性，同時(shí)又集成了音視頻和網(wǎng)絡(luò )通信等外設，特別適用于多媒體通信應用。DM642可廣泛應用于基于IP的音視頻傳輸、數字視頻記錄、機器視覺(jué)、醫學(xué)成像、安全監視、數字相機等領(lǐng)域。針對疲勞檢測算法中要求精確定位人眼并要求提高精度的人眼圖像的需求，筆者改進(jìn)了前期設計平臺，采用雙CCD攝像頭捕獲駕駛員紅外濾波后的頭部圖像來(lái)實(shí)現疲勞檢測算法，一個(gè)攝像頭定位人臉，一個(gè)攝像頭定位人眼，建立了以DM642為核心處理器的實(shí)時(shí)圖像采集、處理和顯示平臺。
1 TMS320DM642簡(jiǎn)介
TMS320DM642建立在C64x DSP核基礎上，采用德州儀器公司開(kāi)發(fā)的第二代高性能超長(cháng)指令字結構VelociT1.2TM，其每個(gè)乘法在每個(gè)時(shí)鐘周期內可執行2個(gè)16x16位的乘法或4個(gè)8x8位的乘法。TMS320DM642內含6個(gè)算術(shù)邏輯單元，在每個(gè)時(shí)鐘周期內都可執行2個(gè)16位或4個(gè)8位的加減、比較、移動(dòng)等運算。在600MHz的時(shí)鐘頻率下，DM642每秒可以進(jìn)行24億次16位的乘累加或48億次8位的乘累加。這樣強大的運算能力，使得DM642可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的多視頻處理和圖像處理。DM642還在C64x的基礎上增加了很多外圍設備和接口。其主要的結構特征如下：
●600MHz/4800MIPS的工作頻率；
●兩級緩存結構；
●64bit EMIF;
●64個(gè)EDMA通道；
●3個(gè)可配置的視頻接口，可以和視頻輸入、輸出或傳輸流輸入無(wú)縫連接；
●VCXO內插控制端口（VIC）；
●多通道音頻串行端口（McASP）；
●兩個(gè)多通道有緩存的串口（McBSP）；
●3個(gè)32bit通用定時(shí)器；
●用戶(hù)可配置的16bit或32bit的主端口接口（HPT16/HPT32）；
●66MHz 32bit PCI接口；
●10/100Mbps以太網(wǎng)（EMAC）；
●MDIO模塊
2 疲勞檢測系統概述
本設計系統的目的是檢測駕駛員是否疲勞，以避免因疲勞造成的交通事故。根據疲勞檢測算法中要精確定位人眼的要求，筆者對前期設計的系統進(jìn)行了改進(jìn)，采用了雙攝像頭采集數據。EDDDS系統結構如圖1所示。由圖1可以看出，主要包括以下設備：
（1）兩個(gè)紅外線(xiàn)敏感的黑白CCD攝像機，在800~900nm處有較高的靈敏度。
（2）紅外線(xiàn)帶通濾波器。中心頻率為850nm，半帶寬為12nm，峰值通透率為83%。
（3）紅外光源。發(fā)光二極管的中心頻率為850nm，功率是10nW。
（4）云臺控制其中的一個(gè)攝像頭來(lái)跟蹤人眼。
構成DDDS時(shí)還應注意以下幾點(diǎn)：
（1）安裝的紅外光源應和攝像機成一定的角度，以消除由于光源與攝像機距離過(guò)近造成“紅眼”現象，影響測量效果。
（2）應使用固定波長(cháng)的紅外光才能通過(guò)的紅外帶通濾光片，以濾除可見(jiàn)光影響，使白天和晚上成像效果相差不大。
（3）使用黑白的紅外攝像機，在800~900nm處有最好的成像效果。紅外光線(xiàn)對人的視覺(jué)沒(méi)有干擾。
（4）使用兩個(gè)攝像頭，一個(gè)定位人的臉，一個(gè)定位人的眼睛。這樣可以獲取更高分辨率的人眼圖像。
獲取較好的頭部圖像和人眼圖像是后續處理的保證，以上的方案會(huì )獲取亮瞳孔效果，這對眼睛的精確定位有極大的幫助。有了較好的圖像效果后就可以對圖像進(jìn)行采集和處理。
3 疲勞檢測系統的電路實(shí)現
3.1 總體框圖
疲勞檢測實(shí)時(shí)采集處理系統由圖像采集、圖像處理和圖像輸出模塊構成?；镜墓ぷ髟硎窍扔蒀CD采集經(jīng)過(guò)紅外濾波的連續的模擬信號，并經(jīng)過(guò)圖像采集模塊中的A/D轉換，變成數字圖像信號，然后再由圖像處理模塊對數字圖像信號進(jìn)行運算處理，主要包括圖像的處理、圖像分割、特征提出、識別等算法的實(shí)現和通過(guò)輸出模塊顯示期望結果及報警等。系統結構框圖如圖2所示。
實(shí)時(shí)圖像處理系統設計的難點(diǎn)是如何在有限的時(shí)間內完成大量圖像數據的處理。從人的視覺(jué)理論分析，只有圖像處理系統的處理速度達到每秒25幀以上時(shí)才能達到實(shí)時(shí)的效果，即要求實(shí)時(shí)圖像處理系統必須在40nm內完成對一幀圖像的運算處理，才能保證圖像的實(shí)時(shí)性。TMS320DM642強大的功能可以很好地滿(mǎn)足上述要求。
3.2 圖像采集模塊設計
在系統設計中，使用的圖像采集設備是CCD攝像頭。由于CCD攝像頭輸出的信號為模擬信號，不能被DSP直接處理，因此選用Philips公司的SAA7115型圖像解碼器來(lái)完成圖像的數字化以及同步水平和垂直同步等信號的分離。SAA7115是惟一可提供雙9位低噪音、2x過(guò)抽樣模擬到數字轉換的視頻解碼器。SAA7115的信噪比為10~15dB，是同類(lèi)產(chǎn)品中視頻解碼性能最高的。圖像采集模塊的電路圖如圖3所示。
TMS320DM642使用所有的三個(gè)視頻端口，為了擴展功能，設計時(shí)把視頻端口0和視頻端口1用作輸入端口，視頻端口2用作顯示端口?？稍俜值囊曨l端口0和視頻端口1用作捕獲輸入端口，并連接到SAA7115H解碼器。捕獲端口1通過(guò)一個(gè)RCA類(lèi)型的視頻插座和一個(gè)4針的低噪聲S-Video接口連接到視頻源。輸入的必須是合成的視頻源，如DVD Player或視頻相機。SAA7115可通過(guò)TMS320DM642的I2C總線(xiàn)進(jìn)行編程，并且可以連接所有的主要合成視頻標準，例如NTSC、PAL和SECAM，這些都可以通過(guò)解碼器的內部寄存器進(jìn)行適當的編程。SAA7115的輸入晶振頻率為24.576MHz，實(shí)際工作頻率為13.5MHz。在PAL制式下，一行最多能采集720點(diǎn)（不包括行消隱信號），一幀最多采集625行（包括場(chǎng)消隱信號）。SAA7115有多種功能供用戶(hù)選擇，功能的選定可以通過(guò)對寄存器的設置來(lái)完成。由于系統的研究對頭是256級灰度圖像，其輸入信號采用PAL制式，因此結構系統處理的速度的具體要求，對SAA7115作如下配置：
（1）格式采用4：2：2 YUV信號機制，只取Y（亮度）信號。
（2）分辨率為512x256像紗或者256x256像素。
3.2 圖像處理模塊設計
TMS320DM642的結構特片給設計帶來(lái)了很大的自由空間。在圖像處理模塊中，可以擴展數據存儲器和程序、存儲器。TMS320DM642的EMIF（外部寄存器端口）有4個(gè)獨立的可設定地址的區域，稱(chēng)為芯片使能空間（CE0-CE3）。當Flash和FPGA映射到CE1時(shí)，SDRAM占據CE0。CE3的一部分被配置給OSD功能的同步操作和擴展的FPGA中的其他同步寄存器操作。本系統合并形成了一個(gè)64bit長(cháng)的外部存器端口，將地址空間分割成了4個(gè)芯片使能區，允許對地址空間進(jìn)行8bit、16bit、32bit和64bit的同步或不同步的存取，并且使用了芯片使能區CE0、CE1和CE3。CE0被發(fā)送給64bit的SDRAM總線(xiàn)，CE1被8bit的Flash和FPGA功能使用，CE3被設置成同步功能。
（1）SDRAM寄存器端口
在CE0空間連接了64bit的SDRAM總線(xiàn)。選取2片MT48LC4M32B2來(lái)構成SDRAM。這32M的SDRAM空間用來(lái)存儲程序、數據和圖像處理中間結果等信息?？偩€(xiàn)由外部PLL驅動(dòng)設備控制，在133MHz的最佳運行狀態(tài)下運行。SDRAM的刷新由TMS320DM642自動(dòng)控制。
(2)Flash寄存器接口
本系統擴展4M的Flash，映射在CE1空間的低位。Flash寄存器選用4MX8的AM29LV033C。Flash寄存器主要用來(lái)導入裝載和存儲FPGA的配置信息。CE1空間被配置成8bit,Flash寄存器也是8bit。由于CE1的可利用地址空間小于Flash的空間，所以利用FPGA可產(chǎn)生3個(gè)擴展頁(yè)。這些擴展的線(xiàn)形地址通過(guò)FPGA的Flash基礎寄存器進(jìn)行定義，復位后的默認值是000。Flash寄存器端口如圖4所示。
（3）FPGA異步寄存器端口
本系統采用Xilinx XC2S300E系列FPGA來(lái)實(shí)現視頻增強和其他的一些連帶功能。在默認模式下，FPGA通過(guò)TMS320DM642的視頻端口2輸出視頻到SAA7115。視頻編碼器FPGA有10個(gè)定位在CE1空間高位的異步存儲寄存器。這些寄存器可實(shí)現OSD控制寄存器、DMA Threshold LSB寄存器、DMA Threshold MSB寄存器、中斷狀態(tài)寄存器、中斷使能寄存器、GPIO方位寄存器、GPIO狀態(tài)寄存器、LED寄存器和Flash Page寄存器。
（4）FPGA同步寄存器端口
FPGA在CE3地址空間開(kāi)設同步寄存器。這些寄存器主要實(shí)現ODS功能和一些連接。
3.4 圖像顯示模塊設計
TMS320DM642的視頻端口2用來(lái)驅動(dòng)視頻編碼器。它通過(guò)FPGA發(fā)送以實(shí)現高級功能（如OSD）。該端口在默認方式下直接通過(guò)視頻連接到SAA7105視頻編碼器。這個(gè)編碼器可以進(jìn)行RGB、HD合成視頻及NTSC、PAL復合視頻的編碼，也可對依靠SAA7105內部寄存器進(jìn)行編程的S-Video進(jìn)行編碼。SAA74105的內部編程寄存器通過(guò)DM642的I2C總線(xiàn)進(jìn)行配置。圖像顯示模塊框圖如圖6所示。
HDTV、FPGA提供增強的時(shí)鐘，對于OSD功能，FPGA提供了FIFOs，將視頻端口2的數據與FIFOs端口的數據進(jìn)行混合。FPGA的FIFOs在通過(guò)CE3空間的同步模式下，通過(guò)TMS320DM642的EMIF進(jìn)行存取。
3.5 云臺控制模塊
采用通用的異步串口，接口標準可以由軟件配置為RS232/RS422/RS485，可以方便控制云臺。雙重的UART寄存器被映射在DM642的CE1空間的高位，隨同PGA異步寄存器一起。每一個(gè)UART，A和B產(chǎn)生8位的地址。DM642將CE1空間配置成為8位存取。表1顯示了地址值。
表1 UART地址
UART | 地址 |
A | 0x90080000-0x90080007 |
B | 0x90080008-0x9008000F |
UART A通過(guò)MAX3243 RS-232驅動(dòng)緩沖，發(fā)送到9針D型插針，UART B通過(guò)MAX3243 RS232驅動(dòng)緩沖，發(fā)送到5X2雙排插針。針腳數和其相應的信號對應于個(gè)人計算機上的標準雙排DB-9連接器。
4 結束語(yǔ)
實(shí)現疲勞檢測是交通部門(mén)和駕駛員非常迫切的需求。本文設計的基于TMS320DM642的疲勞檢測系統改進(jìn)了筆者前期設計的系統，采用了云臺控制其中一個(gè)攝像頭來(lái)捕捉人眼的圖像，提高了人眼圖像的分辨率，使之能更好的適合疲勞檢測算法的實(shí)現。在硬件性能方面，本系統具有結構緊湊、調節靈活、可靠性高、實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn)，為實(shí)現視頻處理算法提供了一個(gè)硬件平臺。
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