基于PCI總線(xiàn)的實(shí)時(shí)圖像識別與跟蹤平臺設計

１ Ｃ６７０１數字信號處理器簡(jiǎn)介

Ｃ６７０１芯片內有８個(gè)并行處理單元，分為相同的兩組。采用甚長(cháng)指令字ＶＬＩＷ結構，使Ｃ６７０１成為高性能的數字信號處理芯片。其單指令字長(cháng)為３２ｂ，８個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(cháng)為２５６ｂ。芯片內部設置了專(zhuān)門(mén)的指令分配模塊，可以將每個(gè)２５６ｂ指令包同時(shí)分配到８個(gè)處理單元，８個(gè)單元可同時(shí)運行。芯片的最高時(shí)鐘頻率達到１６７ＭＨｚ，此時(shí)浮點(diǎn)運算處理能力可達到１ＧＦＬＯＰＳ。外部存儲器接口ＥＭＩＦ支持８／１６／３２ｂ數據寬度的各種類(lèi)型的同步、異步存儲器,便于系統擴展。Ｃ６７０１片內有６４ＫＢ的數據ＲＡＭ和６４ＫＢ的程序ＲＡＭ；片外存儲空間分為４個(gè)區（ＣＥ０、ＣＥ１、ＣＥ２、ＣＥ３）；有４個(gè)相互獨立的可編程ＤＭＡ通道，還有第五個(gè)ＤＭＡ通道可與ＨＰＩ接口。

２ ＰＣＩ９０５４的主要特點(diǎn)及應用

ＰＣＩ０９０５４是美國ＰＬＸ公司生產(chǎn)的一種３２ｂ ３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線(xiàn)主控Ｉ／Ｏ加速器。采用先進(jìn)的ＰＬＸ流水線(xiàn)結構；符合ＰＣＩ本地總線(xiàn)規范２．２版，突發(fā)傳輸速率達到１３２ＭＢ／ｓ；本地總線(xiàn)復用／非復用的３２ｂ地址／數據線(xiàn)，有 Ｍ、Ｊ、Ｃ三種工作模式，但Ｃ模式的數據和地址總線(xiàn)是非復用的；支持８ｂ、１６ｂ、３２ｂ外圍設備和存儲設備，本地總線(xiàn)操作速率高達５０ＭＨｚ；內部有６種可編程的ＦＩＦＯ，可實(shí)現零等待的突發(fā)傳輸及本地總線(xiàn)時(shí)鐘和ＰＣＩ總線(xiàn)時(shí)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?xún)r(jià)比高的ＰＣＩ橋接芯片。

圖１給出了ＰＣＩ總線(xiàn)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可設計成３２ｂ、１６ｂ或８ｂ。ＰＬＸ９０５４工作在Ｃ模式下。本地總線(xiàn)晶振為３０ＭＨｚ，經(jīng)過(guò)測試ＰＬＸ９０５４工作在從模式單字節讀寫(xiě)的情況下，本地總線(xiàn)速度已達１２ＭＢ／ｓ。根據實(shí)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(mǎn)足需要。為了再提高傳輸速度，ＰＬＸ９０５４可以開(kāi)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００００００００Ｈ～０００ｆｆｆｆｆＨ,ＰＣＩ總線(xiàn)的地址空間（計算機自動(dòng)分配）為ｅｆ１０００００Ｈ～ｅｆ１ｆｆｆｆｆＨ，同時(shí)要求ＰＣＩ基址空間２（對應寄存器ＰＣＩＢＡＲ２）映射到本地地址空間０(對應寄存器ＬＡＳ０ＢＡ()即ＬＡＳ０ＲＲ寄存器設為ｆｆｆ０００００Ｈ,ＬＡＳ０ＢＡ寄存器設為０００００００１Ｈ。其中，ＬＡＳ０ＢＡ的最低位置成“１”，表示ＰＣＩ直接從模式訪(fǎng)問(wèn)本地地址空間０，使能譯碼；寫(xiě)“０”則禁止使能。ＰＣＩＢＡＲ２的值為ｅｆ１０００００Ｈ。

圖2 圖像處理系統硬件框圖

利用ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ６．０１驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具生成ＰＣＩ圖像傳輸卡的ＷＤＭ驅動(dòng)程序代碼，用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０編寫(xiě)應用程序，完成圖像處理版與ＰＣ機之間的高速率的圖像序列傳輸。

３ 圖像處理板硬件設計

系統硬件框圖如圖２所示。圖像處理板以ＤＳＰ Ｃ６７０１為核心，Ｃ６７０１主要負責圖像處理，包括對目標的識別和跟蹤，并給出最終的跟蹤角誤差。源圖像通過(guò)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(shí)時(shí)性，當一片ＲＡＭ接收數據時(shí)，另一片ＲＡＭ為ＤＳＰ提供圖像處理的數據。ＳＤＲＡＭ用作ＤＳＰ ＲＡＭ的擴展，存儲圖像處理的中間結果。圖像處理后的方位與俯仰角度數據通過(guò)８２Ｃ５２轉換成串行數據，再經(jīng)ＤＳ８９２１轉換成ＲＳ－４２２電平，送給系統的后續電路。

ＦＰＧＡ選用Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００,完成整個(gè)圖像處理板的譯碼邏輯，并承擔部分圖像處理功能。ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００門(mén)數為２０萬(wàn)門(mén)，采用串行配置時(shí)必須使用兩片ＥＰＣ２。ＦＰＧＡ配置在Ｃ６７０１的ＣＥ０空間。ＦＬＡＳＨ選用４Ｍｂ的ＡＭ２９ＬＶ０４０，用作ＤＳＰ ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ加載程序時(shí)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０ｘ０３００００００和０ｘ０３０４００００。Ｃ６７０１的ＢＯＯＴＭＯＤＥ[４:０]＝０１１０１,即存儲器映射方式為ＭＡＰ１、８ｂｉｔＲＯＭ加載、地址０處的存儲器對應為ＤＳＰ內部程序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(jìn)行預處理，包括圖像校正、圖像濾波，之后進(jìn)行圖像分割和識別。當識別出目標時(shí)設置跟蹤波門(mén)，則后續圖像序列在波門(mén)內進(jìn)行跟蹤。本系統識別的目標為高空飛行的飛機圖像，采用的識別算法要求具有平移、旋轉和比例的識別特征不變性，同時(shí)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和背景分割開(kāi)來(lái)，從而知道目標的大致位置。目前已有各種各樣的方法，其中簡(jiǎn)單有效的方法是直方圖分割法中的最大距離法（類(lèi)間方差門(mén)限法）。它的基本思想是：在直方圖取值范圍內，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(mén)限。這種分割技術(shù)可由如下公式描述：

Ｄ(ｌ′)＝{[λ(l)-μPo(l)] 2}/Po(l)[1-Po(l)] (1)

式中,，Ｐｌ為灰度ｌ級處的概率。分割的準則是將Ｄ(ｌ′)為最大值的灰度級ｌ′作為圖像分割的門(mén)限值。圖像中凡是灰度值大于分割門(mén)限的像點(diǎn)，均認為是背景中的點(diǎn)；反之，則認為是潛在目標區域中的點(diǎn)。這種分割方法可以精確地找到分割門(mén)限，提取目標。

４．２ 圖像識別

圖像經(jīng)過(guò)分割后，接下來(lái)就要對目標圖像識別。實(shí)現目標識別技術(shù)的關(guān)鍵是如何利用一組特征參數對區域的本質(zhì)特征進(jìn)行有效的描述。適當地選擇特征是很重要的，因為在識別目標時(shí)它是唯一的依據。圖像的識別特征有各種各樣的描述，如目標形狀、大小、統計分布等。這里使用仿射矩不變量和分散度特征來(lái)識別目標，取得了較好的效果。

對于經(jīng)過(guò)分割（二值）處理的數字圖像ｆ(ｘ,ｙ)，可以定義（ｐ＋ｑ）階矩：

ｍｐｑ＝∑ＸｐＹｑｆ(ｘ,ｙ) （２）

式中, ｐ,ｑ＝０，１，３……

ｆ(ｘ,ｙ)的（ｐ＋ｑ）階中心矩可用下式表示：

μ＝∑（Ｘ－Ｘ）ｐ(Ｙ－Ｙ)ｑｆ(ｘ,ｙ) （３）

式中,Ｘ＝ｍ１０／ｍ００,Ｙ＝ｍ０１／ｍ００,即(Ｘ,Ｙ)為目標區域灰度質(zhì)心。

ｆ(ｘ,ｙ)惟一地確定一個(gè)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(gè)幾何矩不變量[４]，再加上分散度特征一起代入目標匹配公式[２]進(jìn)行目標識別。

φ１＝η２０＋η０２

φ２＝(η２０－η０２)２＋４η 2 11

φ３＝η２０η０２２－η （４）

φ４＝(η３０－３η１２)２＋(３η－η０３)２

φ５＝(η３０＋η１２)２＋(η＋η０３)２

其中,ηｐｑ＝μｐｑ／(μ００)(ｐ＋ｑ＋２)／２。

此５個(gè)不變矩對目標區域的平移(Ｔ)、旋轉(Ｒ)和區域的比例大小(Ｓ)保持不變。

４．３ 目標跟蹤與軌跡預測

識別出目標后，根據目標確定跟蹤波門(mén)大小，在跟蹤波門(mén)內進(jìn)行跟蹤，波門(mén)的大小采用自適應設置。常用的跟蹤算法有波門(mén)跟蹤、圖像匹配跟蹤和多模跟蹤算法，考慮到背景較簡(jiǎn)單，采用基于公式（１）的質(zhì)心跟蹤方案。把波門(mén)的中心Ｇ(ｘＧ,ｙＧ)和目標質(zhì)心Ｔ(ｘＴ,ｙＴ)的偏差作為跟蹤誤差，通過(guò)ＲＳ－４２２接口輸出給后續處理板來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤。

在跟蹤過(guò)程中，目標的位置按照自身的運動(dòng)方式不斷變化著(zhù)，同時(shí)目標也會(huì )出現被遮擋的情況。此時(shí)，需要對目標的運動(dòng)軌跡進(jìn)行預測，可以采用基于最小二乘法的綜合預測器來(lái)預測[２]，認為目標的運動(dòng)軌跡可以是直線(xiàn)和二次曲線(xiàn)的某種組合。即

f(ｋ＋１)＝Ｗfl(ｋ＋１)＋(１－Ｗ)fｑ(ｋ＋１) （５）

式中，fl(·）為線(xiàn)性預測器；fｑ(·）為平方預測器，Ｗ為權函數（０≤Ｗ≤１）。

權函數可以根據實(shí)時(shí)測得的平方預測器的誤差而實(shí)時(shí)構成。當平方預測器誤差較大時(shí)，則增大權值，否則減小權值。線(xiàn)性和平方預測器的記憶點(diǎn)數Ｎ的選取要視具體工作情形而定。當特征量的變化不是太快時(shí)，Ｎ值應選得稍大些，這樣也有利于抑制噪聲的干擾；若特征量變化甚快，則Ｎ應選用較小的值。一般選擇Ｎ≤５,當Ｎ＝２時(shí)，線(xiàn)性預測有利于跟上機動(dòng)性較高的目標；當Ｎ＝５時(shí)，預測的目標運動(dòng)軌跡比較平滑，有較強的抗干擾能力。

５ 實(shí)驗結果

采用２５６×２５６大小、深度為８ｂ的連續１５０幀灰度圖像進(jìn)行試驗，達到跟蹤速度為２５幀／ｓ的實(shí)時(shí)跟蹤效果，整個(gè)系統工作穩定、可靠、靈活且易于擴展。圖３給出了跟蹤的結果。