基于雙DSP平臺的實(shí)時(shí)跟蹤系統設計方案

實(shí)時(shí)跟蹤系統中目標的捕獲和跟蹤是圖像處理、計算機視覺(jué)和模式識別等領(lǐng)域的重要課題，在軍事、工業(yè)、醫學(xué)和交通等方面有著(zhù)廣泛的應用前景。傳統的圖像處理系統是一般是針對8位的數字圖像，大多數的跟蹤器采用TI公司所推出的優(yōu)秀的高速數字信號處理芯片C6x系列DSP，TI公司提供了很多針對處理256灰度級圖像的圖像處理支持庫，用戶(hù)可以方便的調用里面的API函數，并通過(guò)CCS自帶的調試工具進(jìn)行簡(jiǎn)單快捷的調試，縮短程序的開(kāi)發(fā)周期。由于信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們越來(lái)越注重跟蹤的精度和可靠性，高分辨率高精度的相機越來(lái)越受到人們的青睞，而對于大數據量的實(shí)時(shí)處理問(wèn)題也伴隨產(chǎn)生。

本文針對分辨率為1024×1024的12位數字相機提供了一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤系統平臺，該平臺的建立對后續算法的研究奠定了堅實(shí)的基礎，由于目標本身的特點(diǎn)本文以重心法為例進(jìn)行分析。

1. TMS320C6203簡(jiǎn)介

TMS320C6203芯片是TMS320C62x系列定點(diǎn)DSP中的一員。定點(diǎn)DSP在硬件結構上比浮點(diǎn)器件簡(jiǎn)單，具有價(jià)格低和速度快的特點(diǎn)，因而應用的最多。C62系列DSP的主要特點(diǎn)是在體系結構上采用了由TI公司研發(fā)的VelociTi甚長(cháng)字（VLIW）結構。每個(gè)指令字包含多個(gè)字段（指令），字段之間相互獨立，各自控制一個(gè)功能單元，因此可以單周期發(fā)送多條指令，實(shí)現很高的指令級并行效率。C6000的VLIW采用了類(lèi)RISC指令集，使用大的統一的寄存器堆，結構規整，具有潛在的易編程性和良好的編譯性能，在科學(xué)應用領(lǐng)域可以發(fā)揮良好的作用。300MHz時(shí)鐘的C6203峰值性能可以達到2400MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）。C6203有8個(gè)獨立的功能單元，其中6個(gè)加法器，兩個(gè)16位乘法器可以得到32位的結果，可以每周期執行8條32bit指令，專(zhuān)用存取結構，32個(gè)32bit通用寄存器，支持40bit ALU運算，支持位操作。由于多功能單元的并行操作，使DSPs在相同的時(shí)間內能夠完成更多的操作，因而提高了程序的執行速度。除多功能單元外，流水技術(shù)是提高DSPs程序執行效率的另一個(gè)主要手段。

DSPs采用了程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)分離的哈佛總線(xiàn)結構，可以同時(shí)取指和取操作數，片內提供256位的程序總線(xiàn)、2套32位數據總線(xiàn)和1套32位的DMA專(zhuān)用總線(xiàn)。靈活的總線(xiàn)結構大大緩解了數據瓶頸對系統性能的限制。

C6203芯片片內提供多種功能強大的集成外設，包括3個(gè)多通道緩沖串口，兩個(gè)通用計數器，一個(gè)32bit擴展總線(xiàn)，32bit高性能外部存儲器接口（EMIF）提供了與SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步、異步存儲器的直接接口。

隨著(zhù)DSPs應用的日益廣泛深入和市場(chǎng)競爭的日趨激烈，TI公司推出了世界上第一個(gè)效率可達70％～80％的匯編語(yǔ)言級C編譯器，它產(chǎn)生的代碼的平均效率是其他DSPs編譯器的3倍，另外，C6000獨有的匯編優(yōu)化器可以使開(kāi)發(fā)者采用線(xiàn)性匯編語(yǔ)言得到近似標準匯編的性能，因而降低了開(kāi)發(fā)難度。CCS的出現，提供了更加豐富和強有力的調試手段來(lái)提高程序調試的效率和精度，使應用程序的開(kāi)發(fā)變成一件輕松而有趣的工作。

2. 電視跟蹤系統硬件結構

本文實(shí)驗所用到的高精度相機為DALSA公司生產(chǎn)的1M30相機，1024×1024協(xié)議，全局CCD結構，幀頻為30fps，40MHz數據吞吐率，12位數字化，高靈敏度低暗電流，異步圖像獲取，外部觸發(fā)結構，單12V24V供電，多觸發(fā)控制。

3. 投影法及在捕獲、跟蹤系統中的應用

投影法是一種簡(jiǎn)單而且容易實(shí)現的方法，設圖像Image上的元素為的大小為m×n，則水平方向的投影與垂直方向的投影分別為：

DSP1捕獲系統設計如下：

由于DMA傳遞數據的最大限度為0xffff，可將1024×1024大小的圖像通過(guò)DMA分8次倒入DSP中，DSP1沒(méi)有接到捕獲命令的時(shí)候可以進(jìn)行圖像拉伸或目標位置預測等算法，協(xié)助和檢驗DSP2的跟蹤；當DSP1接到自動(dòng)捕獲命令后進(jìn)入捕獲狀態(tài)，分塊累計直方圖計算閾值，將圖像二值化，然后通過(guò)投影法求取水平方向投影和垂直方向的投影，整場(chǎng)計算完畢累計投影值，找到水平方向投影最大值與垂直方向投影最大值的交界處，將該位置通過(guò)FIFO送給DSP2用于以后的跟蹤。

DSP2跟蹤系統設計如下：

當DSP2接到跟蹤命令后進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，跟蹤命令或由DSP1給出，或由鼠標通過(guò)串口通信強制跟蹤，本文以初值256×256畫(huà)跟蹤窗，通過(guò)DMA傳遞數據將窗口內的圖像轉到片內寄存器進(jìn)行處理。由于目標與鄰近的背景之間一般有著(zhù)很高的對比度，可以在跟蹤窗內對物體進(jìn)行識別。累計跟蹤窗內的直方圖，計算窗口內閾值將圖像二值化計算目標重心位置，并通過(guò)投影法找到目標各個(gè)方向的邊界，估算目標大小調整跟蹤窗的尺寸。若跟蹤窗內沒(méi)有發(fā)現目標則向DSP1發(fā)出捕獲命令。

4．試驗結果與展望

經(jīng)試驗，基于雙DSP平臺的實(shí)時(shí)電視跟蹤系統實(shí)時(shí)和準確性滿(mǎn)足要求，能夠及時(shí)送出脫靶量，延遲小，工作穩定，并且跟蹤窗能夠自動(dòng)調節，有很好的跟蹤效果。此平臺滿(mǎn)足自然背景下的目標識別和跟蹤要求，但由于只使用了定點(diǎn)DSP必然有其算法的局限性，可再加入一片浮點(diǎn)DSP TMS320C6701設計多DSP平臺，即可滿(mǎn)足算法多方面的要求，如即將準備移植的運動(dòng)目標姿態(tài)測量算法，可以在實(shí)時(shí)跟蹤的基礎上，實(shí)時(shí)給出目標旋轉的角度和縮放大小。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是：建立雙DSP平臺處理高精度高分辨率圖像，兩個(gè)DSP協(xié)調工作，由于圖像較大，不能整場(chǎng)存入片內進(jìn)行處理，因而利用分段累計投影法達到實(shí)時(shí)捕獲和跟蹤的目的。