基于TMS320DM643的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中彩色圖像處理的實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)等離子體設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，提出了一個(gè)基于TMS320DM643的視頻圖像處理監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過CCD攝像頭獲取設(shè)備現(xiàn)場的圖像信息，采用TMS320DM643作為核心處理器，應(yīng)用DSP／BIOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)獲取的圖像進(jìn)行了預(yù)處理、背景差分、目標(biāo)提取，最后輸出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)從而達(dá)到監(jiān)控目的。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)檢測，具有很好的實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：TMS320DM643；視頻監(jiān)控；彩色圖像處理；DSP／BIOS；YCbCr

0 引言
    數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在交通安防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而在設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)控中，感興趣的主要是反映設(shè)備狀態(tài)的各類儀表及音視頻信號(hào)。隨著設(shè)備系統(tǒng)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工方法由于效率低下、自動(dòng)化程度不高，在一些場合己不能滿足監(jiān)控需要，特別是人員無法常駐、無法就地工作以及對(duì)監(jiān)控自動(dòng)化程度要求高的環(huán)境。為解決上述問題，基于嵌入式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并與圖像分析和處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一定的智能監(jiān)控功能，較好地滿足了設(shè)備系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)際需要。
    本系統(tǒng)依托于等離子體發(fā)生設(shè)備，對(duì)等離子體發(fā)生裝置進(jìn)行了視頻監(jiān)控。等離子體發(fā)生裝置在真空狀態(tài)下產(chǎn)生等離子體的過程中，顏色會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過對(duì)其顏色的實(shí)時(shí)監(jiān)控達(dá)到實(shí)時(shí)獲取發(fā)生裝置狀態(tài)的目的，從而達(dá)到監(jiān)控目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 TMS320DM643性能分析
    TMS320DM643是TI公司推出的針對(duì)多媒體處理的高性能數(shù)字媒體處理器，在圖像處理方面具備優(yōu)勢(shì)。在C64xDSP的基礎(chǔ)上，針對(duì)多媒體處理的實(shí)際需要，集成了完備的數(shù)字視頻、數(shù)字音頻輸入輸出及以太網(wǎng)接口，該芯片工作主頻最高可達(dá)600MHz，處理能力可達(dá)4800MIPS。為提高處理效率，保證高速的DSP和相對(duì)低速的外設(shè)之間速率匹配，TMS320DM643在片上設(shè)有L1D、L1P和L2RAM／Cache兩級(jí)緩存，二級(jí)緩存L2的具體用途通過緩存寄存器的相應(yīng)位來設(shè)置。TMS320DM643采用了增強(qiáng)型超長指令字結(jié)構(gòu)，內(nèi)核有8個(gè)功能單元(兩個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)邏輯單元、64個(gè)32位通用寄存器)，可在一個(gè)周期內(nèi)完成4個(gè)16位乘加運(yùn)算或8個(gè)8位的乘加運(yùn)算。針對(duì)圖像處理的實(shí)際，也設(shè)計(jì)了大量相關(guān)指令。同時(shí)，TMS320DM643還集成了豐富的外圍設(shè)備和接口，為構(gòu)建視頻設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)提供了便利條件。
1．2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)以DSP控制模塊為核心，由圖像采集模塊、存儲(chǔ)模塊、圖像顯示模塊以及電源管理模塊等模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．3 圖像采集模塊
    圖像采集模塊由CCD攝像頭和TVP5150A視頻解碼器組成，主要功能是將從CCD攝像頭采集來的PAL／NTSC復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行采樣、量化得到任意分辨率的數(shù)字信號(hào)，為TMS320DM643提供視頻流。
    視頻解碼器選用TVP5150A視頻解碼芯片，可以將NTSC和PAL制模擬的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成BT．656格式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號(hào)(YUV4：2：2)后傳輸至TMS320DM643。TVP5150A通過標(biāo)準(zhǔn)的IIC總線進(jìn)行配置，其數(shù)據(jù)傳送率最高可達(dá)400 kb／s。同時(shí)，由于TMS320DM643支持BT．656格式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號(hào)輸入格式，TVP5150A與TMS320DM643實(shí)現(xiàn)了無縫連接。TVP5150A與TMS320DM643連接的示意圖如圖2所示。

    如圖2所示，VP1CLK0作為視頻源的輸入時(shí)鐘，VP1CLK1未用。而VP1CTL0、VP1CTL1和VP1CTL2則分別作為視頻源的CAPEN／AVID／HSYNC、
VBLNK／VSYNC、FID輸入同步信號(hào)。
1．4 存儲(chǔ)模塊
    本系統(tǒng)的TMS320DM643在視頻圖像處理時(shí)，由于圖像數(shù)據(jù)量很大，會(huì)占用相當(dāng)大的存儲(chǔ)空間，但是內(nèi)部的RAM存儲(chǔ)量并不能滿足要求。所以本系統(tǒng)通過TMS320DM643的EMIF擴(kuò)展了SDRAM芯片和FLASH芯片。
    SDRAM大小為4M×64位，F(xiàn)LASH大小為4M×8位，通過TMS320DM643的EMIF控制寄存器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫訪問。
1．5 圖像顯示模塊
    圖像顯示模塊由SAA7105視頻編碼器與一個(gè)顯示器組成。它支掙P(guān)AL與NTSC格式的視頻編碼輸出；同時(shí)該編碼器可輸出VGA視頻，分辨率為1280×1024，這樣就可以直接驅(qū)動(dòng)PC顯示器進(jìn)行視頻圖像的顯示，可方便快捷地查看視頻圖像的實(shí)際處理效果。
    SAA7105的配置也是通過標(biāo)準(zhǔn)的ⅡC總線來完成的。
1．6 電源模塊
    本系統(tǒng)采用TPS54310的專用電源芯片，輸入為5V，輸出為1．4V和3．3V，分別給DSP內(nèi)核和I／O端口供電，產(chǎn)生另外一個(gè)3．3V給視頻編解碼器及其他芯片供電。注意這兩個(gè)3．3V要分開設(shè)計(jì)，以免電源噪聲相互干擾。把1．4V模塊的電源輸出有效引腳PG連接到3．3V模塊的允許電壓輸入引腳EN。這樣，只有當(dāng)1．4V電壓有效之后，3．3V電壓才開始上電，這就保證了TMS320DM643的內(nèi)核電壓先與I／O電壓上電。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 軟件開發(fā)環(huán)境
    TI公司為C6000系列處理器提供了完善的集成軟件開發(fā)環(huán)境CCS及相關(guān)的支持芯片庫和API函數(shù)。CCS具有實(shí)時(shí)性、支持多任務(wù)和可視化的特點(diǎn)。
    本系統(tǒng)在CCS開發(fā)環(huán)境上完成視頻圖像的處理，通過cmd文件定義變量存儲(chǔ)區(qū)域，同時(shí)編寫相關(guān)GEL初始化文件，使得在CCS與DSP目標(biāo)板連接后即可初始化相關(guān)硬件和進(jìn)行配置，引用CSL庫和API庫函數(shù)，完成硬件配置，最后基于DSP／BIOS操作系統(tǒng)，通過進(jìn)程調(diào)用完成視頻圖像處理工作。
    TI的DSP／BIOS操作系統(tǒng)，它的典型功能是支持多線程的調(diào)度；為方便外設(shè)管理，提供了片內(nèi)支持庫；開發(fā)了實(shí)時(shí)分析工具，用來分析算法的性能和效果等。DSP／BIOS有三個(gè)部分組成，分別是BIOS配置工具(用于創(chuàng)建和配置目標(biāo)對(duì)象，提供內(nèi)存分配、線程優(yōu)先級(jí)設(shè)置、中斷設(shè)置等配置功能)、實(shí)時(shí)分析工具(提供可視化圖形界面，用來觀察算法或程序的執(zhí)行情況、變量運(yùn)行結(jié)果及內(nèi)存地址等)、API應(yīng)用接口函數(shù)(提供豐富的模塊操作、線程操作等接口函數(shù)供調(diào)用)。
    RF5是TI公司提供的DSP系統(tǒng)應(yīng)用程序參考框架，廣泛應(yīng)用于音、視頻數(shù)字信號(hào)等復(fù)雜DSP應(yīng)用系統(tǒng)中。RF5中的數(shù)據(jù)處理分為四部分：任務(wù)(task)、數(shù)據(jù)通道(channel)、實(shí)時(shí)內(nèi)核(cell)及算法(XDAIS)。在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用RF5框架來整合各個(gè)模塊的程序。
2．2 軟件程序流程
    依據(jù)上述的軟硬件系統(tǒng)資源，采用基于RF5的軟件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的軟件程序。在DSP系統(tǒng)外設(shè)、工作方式、板上器件的寄存器配置初始化完成后，相應(yīng)的線程開始采集視頻圖像，采集完成后，根據(jù)要求通過SCOM消息，將圖像數(shù)組的指針發(fā)至下一線程，即視頻圖像處理線程。然后該線程執(zhí)行通道內(nèi)的XDAIS算法，包括圖像濾波、圖像差分等，完成圖像分析處理后，再將數(shù)據(jù)指針通過SCOM信息發(fā)至下一線程，即圖像顯示線程，完成視頻圖像的顯示等功能。
    對(duì)于等離子體設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，其軟件算法的流程如圖3所示。

2．3 彩色圖像處理算法
    對(duì)彩色圖像進(jìn)行處理，首先應(yīng)選取顏色模型，常用的顏色空間有RGB、HSI、YCbCr等，本系統(tǒng)選用YCbCr空間。與對(duì)灰度圖像處理的方法不同，彩色圖像有兩類處理方法：1)單獨(dú)處理顏色空間的每一個(gè)通道，再復(fù)合成結(jié)果圖像；2)把像素的顏色看作顏色空間中的一個(gè)點(diǎn)，也可以看作是一個(gè)向量，在向量空間中處理圖像。另外，彩色圖像處理還涉及彩色圖像增強(qiáng)、彩色圖像濾波、彩色圖像壓縮和彩色圖像分割等處理算法。本文中，對(duì)等離子體發(fā)生裝置的彩色圖像進(jìn)行了圖像預(yù)處理、背景差分、目標(biāo)檢測等算法實(shí)現(xiàn)。
    在等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生等離子體的過程中，隨著裝置兩端電壓的升高，裝置內(nèi)氣體顏色會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，由無色變?yōu)樽仙?，再由紫色變?yōu)榧t色，變化過程如圖4所示，圖4a是初始狀態(tài)背景圖，圖4b是裝置內(nèi)氣體變化為紫色時(shí)的圖，圖4c則是裝置內(nèi)氣體變化為紅色時(shí)的圖。

    對(duì)等離子體發(fā)生裝置的圖像采集處理算法具體步驟如下：
    (1)采集初始的N幀圖像，取均值，再進(jìn)行中值濾波，作為初始背景圖Bg(x,y)。
    (2)后續(xù)采集的每幀圖像Cur(x，y)與初始背景圖Bg(x，y)進(jìn)行分Y、Cb、Cr三通道分別進(jìn)行差分運(yùn)算，再濾波得到差分圖像Sub(x,y)：
    Sub_Y(x,y)=Cur_Y(x,y)-Bg_Y(x，y)；
    Sub_Cb(x,y)=Cur_(2b(x,y)-Bg_Cb(x，y)；
    Sub_Cr(x，y)=Cur_Cr(x，y)-Bg_Cr(x,y)；
    (3)差分后發(fā)生變化的主要是Cr像素部分，所以求取Sub_Cr(x，y)的最大值Max Sub Cr及其位置x，y。
    (4)求出與Max Sub Cr相似的所有像素，滿足：(Sub_Cr(x，y)-Max_Sub_Cr)2<T并求出滿足上式的所有x，y的最大最小值，x_max，x_min，y_max，y_min。
    (5)由于等離子體發(fā)生裝置近似長方體，所以選取矩形區(qū)域(X_min：x_max；y_min：y_max)為有意義區(qū)域，后續(xù)循環(huán)處理只需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行處理即可，減少了近1／3的數(shù)據(jù)處理量。
    (6)對(duì)有意義區(qū)域的像素值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)定一定閾值即可實(shí)現(xiàn)判別顏色狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    系統(tǒng)幀率為25幀／s，圖像分辨率為720×576像素。在實(shí)驗(yàn)過程中，觀察等離子體發(fā)生裝置的顏色變化狀態(tài)，通過將人工判別結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的判別輸出進(jìn)行比較，判斷系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    系統(tǒng)幀率為25幀／s，實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)主要測試系統(tǒng)平均單幀判別時(shí)間，衡量基準(zhǔn)是該值是否低于幀間隔40ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

    經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)識(shí)別效果良好，判別準(zhǔn)確率達(dá)95％以上。同時(shí)系統(tǒng)性能方面表現(xiàn)良好，負(fù)載均衡，平均單幀識(shí)別時(shí)間低于29．2ms，小于幀間隔40ms，能夠同時(shí)滿足高實(shí)時(shí)性和高識(shí)別率的要求。

4 結(jié)語
    基于TMS320DM643的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地檢測等離子體發(fā)生裝置的狀態(tài)變化，在光照變化時(shí)識(shí)別準(zhǔn)確率依然較高。本文根據(jù)等離子體發(fā)生裝置的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于TS320DM643的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測。同時(shí)，在硬件程序?qū)崿F(xiàn)過程中對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化，應(yīng)用了IMGLIB圖像處理函數(shù)庫中的中值濾波函數(shù)IMG median 3×3，大幅度減少了CPU訪問外設(shè)SDARM所消耗的時(shí)間，同時(shí)使用DSP／BIOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)也將不斷進(jìn)行優(yōu)化，在高實(shí)時(shí)性與高識(shí)別率上實(shí)現(xiàn)更好的融合。