摘  要: 探讨了应用PCI总线主控I/O加速器PLX9054开发PCI总线的图像传输" title="图像传输">图像传输卡,该卡完成了与TMS320C6701数字信号处理器构成的图像识别" title="图像识别">图像识别与跟踪处理板的实时序列图像传输,利用TMS320C6701实现了不变矩特征对目标的识别,同时完成了对目标的运动轨迹预测和实时跟踪。经实验取得了很好的效果。 

    关键词: PCI总线  图像识别  图像跟踪  TMS320C6701 

    在没有红外探测器或其它图像采集设备的条件下,可以先开发基于PCI总线的图像处理" title="图像处理">图像处理平台,由计算机模拟图像的生成并完成图像的高速传输,以缩短系统开发周期,使系统灵活、实用、便于进行功能扩展。采用美国TI公司的新一代高性能浮点数字信号处理器TMS320C6701(以下简称C6701)研制了实时图像识别与跟踪处理平台,利用不变矩进行图像识别,采用质心跟踪方案,获得了很好的实验效果。充分发挥了C6701强大的数字信号处理能力,并为后续的研究提供了很好的软硬件平台基础。 

1 C6701数字信号处理器简介 

    C6701芯片内有8个并行处理单元,分为相同的两组。采用甚长指令字VLIW结构,使C6701成为高性能的数字信号处理芯片。其单指令字长为32b,8个指令组成一个指令包,总字长为256b。芯片内部设置了专门的指令分配模块,可以将每个256b指令包同时分配到8个处理单元,8个单元可同时运行。芯片的最高时钟频率达到167MHz,此时浮点运算处理能力可达到1GFLOPS。外部存储器接口EMIF支持8/16/32b数据宽度的各种类型的同步、异步存储器,便于系统扩展。C6701片内有64KB的数据RAM和64KB的程序RAM;片外存储空间分为4个区(CE0、CE1、CE2、CE3);有4个相互独立的可编程DMA通道,还有第五个DMA通道可与HPI接口。 

2 PCI9054的主要特点及应用 

    PCI09054是美国PLX公司生产的一种32b 33MHz的PCI总线主控I/O加速器。采用先进的PLX流水线结构;符合PCI本地总线规范2.2版,突发传输速率达到132MB/s;本地总线复用/非复用的32b地址/数据线,有 M、J、C三种工作模式,但C模式的数据和地址总线是非复用的;支持8b、16b、32b外围设备和存储设备,本地总线操作速率高达50MHz;内部有6种可编程的FIFO,可实现零等待的突发传输及本地总线时钟和PCI总线时钟的异步操作,支持主模式、从模式和DMA传输模式。PCI9054是一种性价比高的PCI桥接芯片。 

    图1给出了PCI总线接口连接图,使用2K的ST93CS56串行EEPROM作为PCI9054的配置芯片,图中双口" title="双口">双口RAM可设计成32b、16b或8b。PLX9054工作在C模式下。本地总线晶振为30MHz,经过测试PLX9054工作在从模式单字节读写的情况下,本地总线速度已达12MB/s。根据实际图像传输需要(图像大小为256×256,深度为8b的灰度图像)帧频为25帧/s,已经满足需要。为了再提高传输速度,PLX9054可以开发成突发或DMA传输方式。使用CPLD(Xilinx的XC95108)完成PCI9054到双口RAM的译码电路,本地地址空间可寻址大小为1MB,1MB的本地地址空间映射为地址00000000H～000fffffH,PCI总线的地址空间(计算机自动分配)为ef100000H～ef1fffffH,同时要求PCI基址空间2(对应寄存器PCIBAR2)映射到本地地址空间0(对应寄存器LAS0BA),即LAS0RR寄存器设为fff00000H,LAS0BA寄存器设为00000001H。其中,LAS0BA的最低位置成“1”,表示PCI直接从模式访问本地地址空间0,使能译码;写“0”则禁止使能。PCIBAR2的值为ef100000H。 

    利用WinDriver6.01驱动程序开发工具生成PCI图像传输卡的WDM驱动程序代码,用VisualC++6.0编写应用程序,完成图像处理版与PC机之间的高速率的图像序列传输。 

3 图像处理板硬件设计 

    系统硬件框图如图2所示。图像处理板以DSP C6701为核心,C6701主要负责图像处理,包括对目标的识别和跟踪,并给出最终的跟踪角误差。源图像通过PCI接口卡传入图像处理板的两片双口RAM,两片双口RAM采用乒乓式存储。即为了保证图像处理的实时性,当一片RAM接收数据时,另一片RAM为DSP提供图像处理的数据。SDRAM用作DSP RAM的扩展,存储图像处理的中间结果。图像处理后的方位与俯仰角度数据通过82C52转换成串行数据,再经DS8921转换成RS-422电平,送给系统的后续电路。

    FPGA选用Altera公司的APEXEP20K200,完成整个图像处理板的译码逻辑,并承担部分图像处理功能。APEXEP20K200门数为20万门,采用串行配置时必须使用两片EPC2。FPGA配置在C6701的CE0空间。FLASH选用4Mb的AM29LV040,用作DSP BootLoader加载程序时的8b ROM,只能配置在CE1空间,因为C6701只有CE1空间可以与8b/16b的“窄存储器”接口。SDRAM的容量为4M×32b,配置在CE2空间。两片双口RAM为CY7C028V,容量为64K×16b,都配置在CE3空间,地址分别译为0x03000000和0x03040000。C6701的BOOTMODE[4:0]=01101,即存储器映射方式为MAP1、8bitROM加载、地址0处的存储器对应为DSP内部程序RAM。 

4 软件算法 

    图像由计算机经PCI卡传到图像处理板的双口RAM后,DSP对图像进行预处理,包括图像校正、图像滤波,之后进行图像分割" title="图像分割">图像分割和识别。当识别出目标时设置跟踪波门,则后续图像序列在波门内进行跟踪。本系统识别的目标为高空飞行的飞机图像,采用的识别算法要求具有平移、旋转和比例的识别特征不变性,同时要求跟踪速度快。 

4.1 图像分割 

    图像分割的目的是将图像目标和背景分割开来,从而知道目标的大致位置。目前已有各种各样的方法,其中简单有效的方法是直方图分割法中的最大距离法(类间方差门限法)。它的基本思想是:在直方图取值范围内,任一灰度级可将直方图分为左右两部分,如果这两部分的灰度均值与总体的灰度均值相距最大,则该灰度级就取为分割门限。这种分割技术可由如下公式描述: 

处的概率。分割的准则是将D(l′)为最大值的灰度级l′ 

作为图像分割的门限值。图像中凡是灰度值大于分割门限的像点,均认为是背景中的点;反之,则认为是潜在目标区域中的点。这种分割方法可以精确地找到分割门限,提取目标。 

4.2 图像识别 

    图像经过分割后,接下来就要对目标图像识别。实现目标识别技术的关键是如何利用一组特征参数对区域的本质特征进行有效的描述。适当地选择特征是很重要的,因为在识别目标时它是唯一的依据。图像的识别特征有各种各样的描述,如目标形状、大小、统计分布等。这里使用仿射矩不变量和分散度特征来识别目标,取得了较好的效果。 

    对于经过分割(二值)处理的数字图像f(x,y),可以定义(p+q)阶矩: 

    f(x,y)惟一地确定一个矩序列{m_pq},反之,矩序列{m_pq}也唯一确定f(x,y)。在此利用公式(4)的5个几何矩不变量^[4],再加上分散度特征一起代入目标匹配公式[2]进行目标识别。 

    此5个不变矩对目标区域的平移(T)、旋转(R)和区域的比例大小(S)保持不变。 

4.3 目标跟踪与轨迹预测 

    识别出目标后,根据目标确定跟踪波门大小,在跟踪波门内进行跟踪,波门的大小采用自适应设置。常用的跟踪算法有波门跟踪、图像匹配跟踪和多模跟踪算法,考虑到背景较简单,采用基于公式(1)的质心跟踪方案。把波门的中心G(x_G,y_G)和目标质心T(x_T,y_T)的偏差作为跟踪误差,通过RS-422接口输出给后续处理板来实时进行跟踪。 

    在跟踪过程中,目标的位置按照自身的运动方式不断变化着,同时目标也会出现被遮挡的情况。此时,需要对目标的运动轨迹进行预测,可以采用基于最小二乘法的综合预测器来预测^[2],认为目标的运动轨迹可以是直线和二次曲线的某种组合。即 

W为权函数(0≤W≤1)。 

    权函数可以根据实时测得的平方预测器的误差而实时构成。当平方预测器误差较大时,则增大权值,否则减小权值。线性和平方预测器的记忆点数N的选取要视具体工作情形而定。当特征量的变化不是太快时,N值应选得稍大些,这样也有利于抑制噪声的干扰;若特征量变化甚快,则N应选用较小的值。一般选择N≤5,当N=2时,线性预测有利于跟上机动性较高的目标;当N=5时,预测的目标运动轨迹比较平滑,有较强的抗干扰能力。 

5 实验结果 

    采用256×256大小、深度为8b的连续150帧灰度图像进行试验,达到跟踪速度为25帧/s的实时跟踪效果,整个系统工作稳定、可靠、灵活且易于扩展。图3给出了跟踪的结果。 

参考文献 

1 Klaus Illgner. DSPS for Image and Video Processing. Signal Processing 80 (2000):2323～2326. 

2 杨宜禾,周维真. 成像跟踪技术导论.西安:西安电子科技大学出版社,1991 

3 PCI9054 Data Book V2.1. Plx Technolgy,2000 

4 王耀明. 图像的矩函数原理、算法及应用. 上海:华东理工大学出版社,2002 

5 TMS320C6701 Floating-point DSP Data Sheet. Texas Instrument Incorporated,2000