介紹了用數(shù)字信號處理器實現(xiàn)視頻流控制處理功能的軟硬件設計方案。重點論述了如何設計DSP的軟件及外圍硬件，完成IEEE1394設備自標識及數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑敿氝^程。同時還提出了一種用于運動目標檢測的變加權(quán)背景恢復算法及其DSP實現(xiàn)方案。這種用DSP實現(xiàn)數(shù)字視覺算法的成功嘗試，對于實現(xiàn)其他視覺功能具有一定的借鑒意義。
　　本文介紹了一種以DSP為核心、基于IEEE1394總線的圖像實時采集處理系統(tǒng)的軟硬件設計。此外還提出了一種易于用DSP實現(xiàn)且存儲器資源占用率小的運動目標檢測算法。據(jù)了解，目前國內(nèi)外大多數(shù)的計算機視覺研究都是用計算機軟件處理實現(xiàn)的，因此在實時性和成本方面受計算機平臺的制約。本文討論了一種計算機視覺系統(tǒng)的硬件平臺設計方案，并在此平臺上實現(xiàn)了運行目標檢測?？梢哉f，這是一次用DSP實現(xiàn)計算機視覺算法的成功嘗試，對于其它算法的硬件實現(xiàn)有一定的借鑒意義。
　　
　　圖1 硬件系統(tǒng)框圖
　　采用IEEE1394總線作為傳輸接口是實現(xiàn)實時圖像采集的根本保證。IEEE1394是由國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）制定的一種高速串行總線協(xié)議。1394總線具有以下優(yōu)點：
　　支持熱插拔和即插即用：
　　提供統(tǒng)一的通用接口，并且具有總線供電能力（每一端口的最大輸出電流為1.5A，輸出電壓8～33Vdc）；
　　·傳輸速率高100～400Mbps；
　　·不依賴計算機，支持1394設備間的點對點傳輸。
　　其中第四點是目前常用的USB2.0總線無法實現(xiàn)的，也正是這一優(yōu)點使得1394不僅是一種計算機外設連接總線，更是多種消費類電子產(chǎn)品的連接方案。
　　
　　圖2 幀緩存訪問次序
　　另外，為了實現(xiàn)數(shù)字視頻圖像的實時采集和處理，充分發(fā)揮1394總線的高速傳輸速率，筆者選用了TI公司的TMS320VC33數(shù)字信號處理器作為主控制器。這是一款高性能浮點DSP，它具有17ns的指令周期和60MIPS的處理能力。
　　下面將分別介紹這套DSP系統(tǒng)的工作原理，軟、硬件設計以及運動目標檢測算法的改進和實現(xiàn)。
　　系統(tǒng)組成及工作原理
　　本系統(tǒng)是為驗證并實現(xiàn)各種計算機視覺算法而搭建的一個硬件平臺，用五片512K×8bit的SRAM分別作為幀緩沖和DSP的擴展RAM。還有一片20萬門的FPGA用作系統(tǒng)的邏輯控制及以后機器視覺算法的硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)上電或復位后，DSP首先從FlashROM中自動裝入代碼并開始運行，等待1394電纜插入。當電纜插入后，DSP通過解析根節(jié)點發(fā)來的請求包發(fā)出對應的內(nèi)容作為應答，直至根節(jié)點發(fā)現(xiàn)該設備。之后，只要根節(jié)點發(fā)出讀數(shù)據(jù)請求，DSP就根據(jù)請求包的內(nèi)容從幀緩沖RAM中取出 數(shù)據(jù)，通過1394鏈路層和物理層芯片將其送到1394總線上。
　　圖像數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三個步驟以流水線的方式，在同一時刻各掌握一片幀緩存RAM的訪問權(quán)，并行工作。當各個步驟都完成后，在FPGA的控制下同時切換各片幀緩存的控制權(quán)，開始流水線的下一個周期。各個步驟對三片幀緩存RAM的控制次序如圖2所示。
　　這種流水線式的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了圖像采集、圖像處理、圖像傳輸三個步驟并行工作，極大地提高了處理的連續(xù)性和實時性。
　　
　　圖3 DSP軟件流程圖
　　DSP硬件設計
　　DSP在本系統(tǒng)中的任務有三個：首先是通過鏈路層和物理層芯片與根節(jié)點通信，完成自標識過程；其二是處理采集好的一幀圖像，并把它再存回幀緩存；其三是自標識完成后，響應根節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)讀請求，從幀緩沖RAM中讀出處理過重的圖像數(shù)據(jù)并送到總線上。整個系統(tǒng)由一片TMS320VC33、一片20萬門的 FPGA（EP20k200EBC356）、五片512KB高速SRAM（IS61LV5128AL）、一片F(xiàn)lash（AM29LV400B）、一片 1394鏈路層芯片（TSB12LV32）、一片1394物理層芯片（TSB41LV04a）以及DSP電源看門狗芯片（PS767D301）組成。其中 TMS320VC33作為主控制器與TSB12LV32的主控制器接口相連。FPGA在DSP的控制下向1394鏈路層芯片的DataMover端口發(fā)送數(shù)據(jù)。此外FPGA還有地址譯碼、時序調(diào)整以及幀緩存切換等功能。三片SRAM作為幀緩沖存，另外兩片作為DSP的擴展RAM，每片RAM內(nèi)存放一幀圖像（300K字節(jié)），其訪問時間為12ns，因此完全適合TMS320VC33以零等待方式訪問。物理層芯片TSB12LV04a只與鏈路層芯片通信，與 DSP無關(guān)，它負責進行總線上的差分模擬信號與系統(tǒng)的數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。Flash用來存放DSP代碼，它經(jīng)過地址譯碼直接與DSP相連。DSP復位后由BootLoader將代碼從Flash加載到DSP片內(nèi)RAM中開始運行?？梢酝ㄟ^DSP的JTAG接口方便地進行Flash的在系統(tǒng)擦寫。由于AM12LV400B的訪問時間為70ns，DSP訪問Flash時至少應加入5個等待周期。
　　DSP軟件設計
　　DSP的軟件開發(fā)是在TI公司提供的Code Composer（CC）環(huán)境一，結(jié)合DSP硬件仿真器完成。代碼的開發(fā)根據(jù)實際情況使用C語言和匯編語言的混合編程。在實際設備自標識的過程中使用C語言，這是因為這個過程邏輯關(guān)系比較復雜，但只在總線復位初始化時執(zhí)行一次，用C語言可以提高可讀性，減小開發(fā)難度，同時也不會對系統(tǒng)的性能有太大影響。而在進行圖像處理和響應數(shù)據(jù)讀請求包時，則使用了匯編語言。原因是這些代碼使用頻繁，直接影響系統(tǒng)的速度。
　　響應1394總線的自標識過程是系統(tǒng)設計的難點，也是1394接口設計最重要的部分。DSP的響應必須符合IEEE1394a協(xié)議中規(guī)定的自標識步驟，圖3描述了DSP的動作流程。
　　自標識過程實際上是根節(jié)點（主機）請求讀取葉節(jié)點（設備）配置ROM的過程。可以執(zhí)行事務的1394串行總線節(jié)點都應該實現(xiàn)配置ROM，它為配置和參數(shù)與設備相關(guān)的問題提供了一些必要的信息。例如，對于一個連接到計算機上的1394設備而言，設備中電后，計算機首先讀取配置ROM中的內(nèi)容，從而分辨出這是一個什么樣的設備。配置ROM中包含的信息有：
　　·為識別本設備驅(qū)動程序所需要的信息；
　　·為識別診斷軟件所必須的信息；
　　·為指定設備設計總線的各種性能所需要的信息；
　　·為指定可選的模塊、節(jié)點以及元件特征和參數(shù)所需要的信息。
　　正常格式的配置ROM形成了一個樹結(jié)構(gòu)，它包括很多分支和葉子，這些分支和葉子都是由指針聯(lián)系起來的，其中有限選項也有任務項。
　　DSP要做的就是把配置ROM的內(nèi)容以異步讀應答包的形式發(fā)出計算機，而配置ROM的內(nèi)容是開發(fā)人員根據(jù)所開發(fā)的系統(tǒng)自已定義的。當計算機正確讀完配置ROM的內(nèi)容后，就會顯示發(fā)現(xiàn)新硬件或自動裝入相應的1394設備驅(qū)動程序。
　　所有的1394數(shù)據(jù)傳輸都是以包為單位。其中包頭含此次傳輸?shù)膫鬏斔俾剩⊿pd）、事務標簽（tLable）、事務代碼（tCode）、源節(jié)點ID、目的節(jié)點ID等信息。這些信息必須符合協(xié)議要求，例如一個讀請求數(shù)據(jù)塊應答包，傳輸速率為400Mbps，那么Spd=10、tCode=7，源節(jié)點ID和目的節(jié)點ID分別是請求包的目的節(jié)點ID和源節(jié)點ID，tLable和請求包的相等。
　　自標識完成后，DSP開始處理采集好的圖像數(shù)據(jù)，同時以中斷子程序的方式啟動數(shù)據(jù)發(fā)送。由于本系統(tǒng)采用1394總線的異步傳輸方式，每次數(shù)據(jù)傳輸都由主機（PC）發(fā)起，所以DSP以中斷的方式響應主機發(fā)來的讀請求，每次中斷服務中發(fā)送一個數(shù)據(jù)包。在采集、處理、傳輸三個步驟中，顯然處理是最耗費時間的，為了確保這三個步驟都完成后再切換到流水線的下一個周期，中斷子程序中還要判斷是否一幀圖像已經(jīng)發(fā)完，如果已經(jīng)發(fā)完一幀，則關(guān)閉中斷，等到圖像處理步驟完成后，幀緩存切換完畢再打開中斷。
　　整個軟件部分完成后，燒寫Flash并實現(xiàn)程序的引導加載（Boot-Loader）也是重要的一步。TMS320VC33的引導加載功能是通過DSP復位后自動運行駐留在片內(nèi)ROM的地址0x45處的一段代碼實現(xiàn)的。這段代碼可以根據(jù)復位時INT0～INT3引腳上的狀態(tài)決定裝載的源地址（只能是0x1000、 0x400000、0xFFF000或串口0），并將源地址處的代碼轉(zhuǎn)移到指定的片內(nèi)RAM中，然后從指定的程序入口點開始運行。
　　幀間平均運行檢測算法的改進與實現(xiàn)
　　運動目標檢測跟蹤是計算機視覺中十分重要的一個熱門研究領(lǐng)域，近年來出現(xiàn)了許多新的算法。但可以歸結(jié)為以下四大類：基于光流場分析的算法、基于主動輪廓的算法、基于編譯模型的算法以及基于圖像差分的方法。并三種算法與第四種方法相比，具有精度高、定位準并且能夠得出運動參數(shù)的優(yōu)點。但是算法的復雜性較高，目前難以在普通的硬件平臺上實現(xiàn)實時處理。因此，圖像差分方波被廣泛用于實時運動檢測系統(tǒng)。
　　在實際應用中差分圖像的獲得有兩種途徑：其一是利用相鄰兩幀之間的差來獲得差分圖像；其二是通過將當前幀和固定的背景幀相減來獲得差分圖像。第一種方法在應用中容易出現(xiàn)“空洞”現(xiàn)象，檢測結(jié)果的大小與目標運動的速度有關(guān)，從而影響了動目標檢測的精度；第二種方法，由于背景是固定的，那么若外界條件有較明顯的變化，例如光照等條件發(fā)生變化時，當前的實際背景圖像就會發(fā)生變化，從而獲得的差分圖像是不準確的，噪聲比較大。故這種方法僅適用于背景條件不變或者是變化限制在一定范圍內(nèi)的情況。
　　本文針對背景和攝像機都靜止這一特定應用場合，選用了基于背景消減的運動檢測和跟蹤算法。這種算法的關(guān)鍵在于背景重建，在此應用了基于幀間平均的背景重建方法，并在此基礎(chǔ)上針對硬件可實現(xiàn)性和處理的實時性提出了改進。最后，為了克服背景消減算法噪聲較大的先天不足，采用了形態(tài)學濾波的方法去處噪聲。
　　幀間平均算法使用當前幀之間各幀的像素平均值作為當前背景的估計值，如下式所示：
　　從公式中可以看出，這種算法只需要在圖像采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上多添加一片幀存儲器用來存儲估計背景即可，因此對硬件資源要求低。另外，背景是隨著n增加逐漸恢復的，所以背景過程并不影響圖像處理結(jié)果的實時傳輸和顯示。顯然，n越大，背景恢復越真實，可以控制n的大小調(diào)整處理時間和處理效果之間的平衡。
　　然而，由于上面的公式中有除法運算，所以無論使用FPGA還是DSP來實現(xiàn)都有一定的困難。以DSP為例，對于本系統(tǒng)所用的TMS320C3x系列DSP來說，一次整數(shù)除法運算要用約100條指令，這顯然對處理的實時性有很大的影響。
　　為了克服這一算法缺陷，提出了如下的變加權(quán)均值算法：
　　上式中，各幀取平均值并沒有采用相同的加權(quán)，而是以2的整數(shù)冪2m作為步長，在每個步長內(nèi)，對已估計出的背景都給予該步長內(nèi)最大的加權(quán)值（2m-1） /2m，這比原算法中背景的加權(quán)值（n-1）/n更大，也就是說變加權(quán)算法在背景估計中列加依賴于已經(jīng)估計出的背景，這有利于消除當前幀中噪聲對背景估計的影響。在整個背景估計過程中，m截止來，步長也越大，同時已估計出的背景的權(quán)重也越大。同時可以看到，除數(shù)都變成了2的整數(shù)冪，可以用移位來實現(xiàn)，與原算法相比，運算效率提高了近100倍。然而，處理效果并未因此而受到損失，這是因為這種加權(quán)值的改變遵循這樣一種事實：隨著幀數(shù)的增加，估計出的背景的可信度越來越高，當前幀對背景的影響也越來越小，所以已估計出的背景在公式中所占的比重也應該越來越大。實驗證明：m=6時，已經(jīng)足可以估計出較為真實的背景了。
　　DSP的擴展RAM用來了存放已經(jīng)估計出的背景，將當前幀與背景相減取絕對值，再進行二值化，就得到了運動目標的二值化圖像。為了消除噪聲的影響，最后使用一個7×7的菱形結(jié)構(gòu)元素對圖像進行形態(tài)學開運算。最終的結(jié)果再存回幀緩存。
　　圖4是處理結(jié)構(gòu)傳回主機后，用VC實現(xiàn)的應用程序界面，其中左上角是在原始圖像上添加的動目標檢測結(jié)果，右上角是二值化的動目標，左下角是背景恢復圖，右下角是是運動跳躍軌跡；圖5是n=64時，恢復出的背景；圖6是利用改進的變加權(quán)幀間平均算法得到的目標運動檢測結(jié)果，其中較大的方框是形態(tài)學濾波前的檢測結(jié)果，受到車燈倒影的影響 （如圖中白色圓圈標示），檢測結(jié)果精度很差，內(nèi)部較小的方框則通過形態(tài)學濾波解決了這個問題。
　　經(jīng)測試表明：本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，傳輸速率高（30fps@640×480），處理效果好，可擴展性強，是機器視覺算法硬件實現(xiàn)的一次成功嘗試。但是目前的算法還有待改進，例如在保證實時性和硬件易實現(xiàn)性的前提下，大片的燈光倒影很難再用形態(tài)學濾波的方法消除。這是下一步要著重解決的問題。
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