基于TMS320DM643的設備監(jiān)控系統(tǒng)中彩色圖像處理的實現(xiàn)

摘要：針對等離子體設備監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用需求，提出了一個基于TMS320DM643的視頻圖像處理監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過CCD攝像頭獲取設備現(xiàn)場的圖像信息，采用TMS320DM643作為核心處理器，應用DSP／BIOS實時系統(tǒng)，對獲取的圖像進行了預處理、背景差分、目標提取，最后輸出設備的運行狀態(tài)從而達到監(jiān)控目的。實驗表明，系統(tǒng)能夠準確有效地進行目標狀態(tài)檢測，具有很好的實時性。
關鍵詞：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)在交通安防等領域有著廣泛的應用，而在設備系統(tǒng)的監(jiān)控中，感興趣的主要是反映設備狀態(tài)的各類儀表及音視頻信號。隨著設備系統(tǒng)日益復雜，傳統(tǒng)的人工方法由于效率低下、自動化程度不高，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監(jiān)控自動化程度要求高的環(huán)境。為解決上述問題，基于嵌入式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)應運而生，并與圖像分析和處理技術相結合，實現(xiàn)了一定的智能監(jiān)控功能，較好地滿足了設備系統(tǒng)監(jiān)控的實際需要。
    本系統(tǒng)依托于等離子體發(fā)生設備，對等離子體發(fā)生裝置進行了視頻監(jiān)控。等離子體發(fā)生裝置在真空狀態(tài)下產生等離子體的過程中，顏色會發(fā)生相應的變化，通過對其顏色的實時監(jiān)控達到實時獲取發(fā)生裝置狀態(tài)的目的，從而達到監(jiān)控目的。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 TMS320DM643性能分析
    TMS320DM643是TI公司推出的針對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。在C64xDSP的基礎上，針對多媒體處理的實際需要，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600MHz，處理能力可達4800MIPS。為提高處理效率，保證高速的DSP和相對低速的外設之間速率匹配，TMS320DM643在片上設有L1D、L1P和L2RAM／Cache兩級緩存，二級緩存L2的具體用途通過緩存寄存器的相應位來設置。TMS320DM643采用了增強型超長指令字結構，內核有8個功能單元(兩個乘法器和6個算術邏輯單元、64個32位通用寄存器)，可在一個周期內完成4個16位乘加運算或8個8位的乘加運算。針對圖像處理的實際，也設計了大量相關指令。同時，TMS320DM643還集成了豐富的外圍設備和接口，為構建視頻設備監(jiān)控系統(tǒng)提供了便利條件。
1．2 系統(tǒng)的硬件結構
    本系統(tǒng)以DSP控制模塊為核心，由圖像采集模塊、存儲模塊、圖像顯示模塊以及電源管理模塊等模塊構成，系統(tǒng)的硬件結構如圖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復合視頻信號進行采樣、量化得到任意分辨率的數(shù)字信號，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制模擬的視頻信號轉換成BT．656格式的標準數(shù)字視頻信號(YUV4：2：2)后傳輸至TMS320DM643。TVP5150A通過標準的IIC總線進行配置，其數(shù)據(jù)傳送率最高可達400 kb／s。同時，由于TMS320DM643支持BT．656格式的標準數(shù)字視頻信號輸入格式，TVP5150A與TMS320DM643實現(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。
1．4 存儲模塊
    本系統(tǒng)的TMS320DM643在視頻圖像處理時，由于圖像數(shù)據(jù)量很大，會占用相當大的存儲空間，但是內部的RAM存儲量并不能滿足要求。所以本系統(tǒng)通過TMS320DM643的EMIF擴展了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，可實現(xiàn)對存儲器的讀寫訪問。
1．5 圖像顯示模塊
    圖像顯示模塊由SAA7105視頻編碼器與一個顯示器組成。它支掙PAL與NTSC格式的視頻編碼輸出；同時該編碼器可輸出VGA視頻，分辨率為1280×1024，這樣就可以直接驅動PC顯示器進行視頻圖像的顯示，可方便快捷地查看視頻圖像的實際處理效果。
    SAA7105的配置也是通過標準的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內核和I／O端口供電，產生另外一個3．3V給視頻編解碼器及其他芯片供電。注意這兩個3．3V要分開設計，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的內核電壓先與I／O電壓上電。

2 系統(tǒng)軟件設計
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及相關的支持芯片庫和API函數(shù)。CCS具有實時性、支持多任務和可視化的特點。
    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文件定義變量存儲區(qū)域，同時編寫相關GEL初始化文件，使得在CCS與DSP目標板連接后即可初始化相關硬件和進行配置，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)，通過進程調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度；為方便外設管理，提供了片內支持庫；開發(fā)了實時分析工具，用來分析算法的性能和效果等。DSP／BIOS有三個部分組成，分別是BIOS配置工具(用于創(chuàng)建和配置目標對象，提供內存分配、線程優(yōu)先級設置、中斷設置等配置功能)、實時分析工具(提供可視化圖形界面，用來觀察算法或程序的執(zhí)行情況、變量運行結果及內存地址等)、API應用接口函數(shù)(提供豐富的模塊操作、線程操作等接口函數(shù)供調用)。
    RF5是TI公司提供的DSP系統(tǒng)應用程序參考框架，廣泛應用于音、視頻數(shù)字信號等復雜DSP應用系統(tǒng)中。RF5中的數(shù)據(jù)處理分為四部分：任務(task)、數(shù)據(jù)通道(channel)、實時內核(cell)及算法(XDAIS)。在本設計中，應用RF5框架來整合各個模塊的程序。
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的軟件框架結構設計了本系統(tǒng)的軟件程序。在DSP系統(tǒng)外設、工作方式、板上器件的寄存器配置初始化完成后，相應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。
    對于等離子體設備監(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
    對彩色圖像進行處理，首先應選取顏色模型，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)單獨處理顏色空間的每一個通道，再復合成結果圖像；2)把像素的顏色看作顏色空間中的一個點，也可以看作是一個向量，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、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，對等離子體發(fā)生裝置的彩色圖像進行了圖像預處理、背景差分、目標檢測等算法實現(xiàn)。
    在等離子體發(fā)生裝置產生等離子體的過程中，隨著裝置兩端電壓的升高，裝置內氣體顏色會發(fā)生相應變化，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是裝置內氣體變化為紫色時的圖，圖4c則是裝置內氣體變化為紅色時的圖。

    對等離子體發(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)進行分Y、Cb、Cr三通道分別進行差分運算，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)處理只需對該區(qū)域進行處理即可，減少了近1／3的數(shù)據(jù)處理量。
    (6)對有意義區(qū)域的像素值進行統(tǒng)計，設定一定閾值即可實現(xiàn)判別顏色狀態(tài)。

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

    系統(tǒng)幀率為25幀／s，實時性實驗主要測試系統(tǒng)平均單幀判別時間，衡量基準是該值是否低于幀間隔40ms。實驗結果如表2所示。

    經實驗證明，系統(tǒng)識別效果良好，判別準確率達95％以上。同時系統(tǒng)性能方面表現(xiàn)良好，負載均衡，平均單幀識別時間低于29．2ms，小于幀間隔40ms，能夠同時滿足高實時性和高識別率的要求。

4 結語
    基于TMS320DM643的設備監(jiān)控系統(tǒng)能實時地檢測等離子體發(fā)生裝置的狀態(tài)變化，在光照變化時識別準確率依然較高。本文根據(jù)等離子體發(fā)生裝置的實際需要，設計開發(fā)了基于TS320DM643的硬件平臺，實現(xiàn)了實時目標檢測。同時，在硬件程序實現(xiàn)過程中對程序進行了優(yōu)化，應用了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SDARM所消耗的時間，同時使用DSP／BIOS實時系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)實時性。系統(tǒng)也將不斷進行優(yōu)化，在高實時性與高識別率上實現(xiàn)更好的融合。