基于雙CPU的實(shí)時光電圖像識別系統(tǒng)

摘要 提出并設(shè)計一種新型的基于雙CPU技術(shù)的光電圖像識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由目標(biāo)圖像采集與處理模塊、光電相關(guān)聯(lián)合變換模塊以及自動識別模塊組成。采用TMS320C6416與FPGA完成目標(biāo)圖像的采集與處理．采用ARM9處理器S3C2440完成對相關(guān)功率譜的采集與目標(biāo)圖像識別。與傳統(tǒng)光電圖像識別系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)實(shí)時性和精度更高，并可實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化。
關(guān)鍵詞 圖像識剮 光電圖像處理TMS320C6416 S3C2440 自動識別模塊

引 言
    光電混合模式識別以其高速并行處理和無串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)模式識別實(shí)用化和實(shí)時化的重要途徑，其在目標(biāo)識別、指紋識別、光纖檢測、工業(yè)零件識別、汽車牌照識別等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1．2]，并取得了很好的識別效果。

    但在實(shí)際應(yīng)用中，待識別的目標(biāo)圖像需要經(jīng)過圖像預(yù)處理和畸變處理等操作。針對圖像的實(shí)時處理要求，本文將聯(lián)合變換相關(guān)識別系統(tǒng)與數(shù)字信號處理中的雙CPU技術(shù)相結(jié)合，采用“FPGA+DSP+ARM”架構(gòu)，研究與設(shè)計一種新型的光電混合圖像識別系統(tǒng)。利用TMS320C6416與FPGA完成目標(biāo)圖像的采集與處理，利用ARM9處理器S3C2440完成對相關(guān)功率譜的采集與目標(biāo)圖像識別，從而實(shí)現(xiàn)畸變不變模式識別的快速和準(zhǔn)確性。并實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

    該光電混合圖像識別系統(tǒng)每秒能處理25幀圖像，可實(shí)現(xiàn)真正的動態(tài)圖像識別，因而對圖像識別有很好的實(shí)用性。

1 光電混合圖像識別系統(tǒng)
    光電混合圖像識別系統(tǒng)是基于光電混合聯(lián)合變換相關(guān)器的一種系統(tǒng)，本文提出并設(shè)計的光電混合圖像識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    ARM9處理器S3C2440與DSP間為主／從方式，DSP與FPGA問也為主／從方式。由DSP和FPGA組成的目標(biāo)圖像采集與處理模塊，將待識別的目標(biāo)通過攝像頭1傳輸?shù)紻SP中，DSP完成對目標(biāo)圖像的預(yù)處理和畸變處理等處理過程。然后，DSP將處理后的目標(biāo)圖像和參考圖像構(gòu)成的聯(lián)合輸入圖像實(shí)時輸出到液晶電視上，聯(lián)合圖像經(jīng)過激光光束的照射后，經(jīng)傅里葉變換透鏡3后，形成聯(lián)合圖像傅里葉頻譜。該頻譜經(jīng)低通濾波后，得到所需的中心頻譜[3]，并通過攝像頭2接收進(jìn)入ARM9處理器S3C2440，來完成圖像頻譜的振幅調(diào)制及傅里葉逆變換的處理，得到所需互相關(guān)結(jié)果。由于真目標(biāo)互相關(guān)信號較強(qiáng)，假目標(biāo)的互相關(guān)信號很弱，可以通過設(shè)定閾值來判斷真假目標(biāo)圖像，即當(dāng)相關(guān)結(jié)果大于閾值時，識為真目標(biāo)，小于閾值時，識為假目標(biāo)。當(dāng)判為假目標(biāo)時，通過通信接口控制DSP繼續(xù)進(jìn)行圖像采集與處理，實(shí)現(xiàn)下一個目標(biāo)的圖像識別，直至判別出真目標(biāo)。

2 系統(tǒng)設(shè)計
    該光電圖像識別系統(tǒng)主要由目標(biāo)圖像采集與處理模塊、光電相關(guān)聯(lián)合變換模塊以及自動識別模塊組成，采用TMS320c6416DSP與FPGA來完成目標(biāo)圖像的采集與處理，采用ARM9處理器S3C2440來完成對相關(guān)功率譜的采集與目標(biāo)圖像識別。

2．1 TMS320C6416
    C64x是TI公司推出C6000系列DSP中的最新成員，采用了VelociTI1．2結(jié)構(gòu)，其主要在內(nèi)部CPU功能單元、通用寄存器組及其數(shù)據(jù)通路等方面進(jìn)行了較大的改進(jìn)。C64x具有8個相互獨(dú)立的功能單元，其中包含6個支持單周期內(nèi)單32位、雙16位或4個8位數(shù)據(jù)操作的算術(shù)邏輯單元，以及2個支持單周期雙16×16位或4個8×8位數(shù)據(jù)操作的乘法器；內(nèi)部CPU的通用寄存器組含有32個32位寄存器，支持8位和64位定點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且寄存器A0也可用作條件寄存器；通用寄存器組內(nèi)部有兩條交叉通路，且都可以通過交叉通路訪問另一側(cè)的寄存器組；C64x還能夠利用非排列的存取指令訪問任意字節(jié)邊界的字或雙字。

    與C62x相比，C64x平均每條指令在每個時鐘周期內(nèi)的運(yùn)算能力增加了7.6倍。由于C64x支持雙16位和8位數(shù)據(jù)以及時鐘頻率的提高，使得其圖像處理能力比C62x提高了15倍左右。C64x為程序和地址兩級片內(nèi)存儲器結(jié)構(gòu)。一級存儲器由程序(L1P)和數(shù)據(jù)(L1D)緩存組成。其中L1P為512組32B的16KB直接映像式緩存，L1D為128組64B的16KB兩路組相聯(lián)式緩存。C64x具有與C621x、C67lx不同的存儲體結(jié)構(gòu)，其存儲體位于32位邊界，因此對于相同存儲體訪問時，地址總線的3LSBs相同。另外，C64x具有豐富的外設(shè)資源，其中包括：64通道的增強(qiáng)型存儲器直接存取(EDMA)控制器；64位／16位數(shù)據(jù)總線的外部存儲器接口EMIFA／EMIFB；33MHz、32位PCI接口和針對異步傳輸模式的UTOPLA接口；16位或32位主機(jī)端接口；3個多通道緩沖串行口等。

    內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、并行處理能力的提高及豐富的外設(shè)資源，使得C64x在圖像處理領(lǐng)域具有巨大的開發(fā)潛力。為提高系統(tǒng)實(shí)時性能，本文采用主頻400 MHz的TMS320C6416GLZ作為目標(biāo)圖像處理單元來設(shè)計該識別系統(tǒng)。

2．2 目標(biāo)圖像采集與處理模塊
    該模塊主要由DSP處理器TMS320C6416和FPGA來實(shí)現(xiàn)，DSP和FPGA之間采用主／從方式。其中，DSP主要完成對目標(biāo)圖像的處理及控制FPGA采樣信號的啟動。FPGA則完成對目標(biāo)圖像的采樣控制過程，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    由攝像頭拍攝到的圖像首先進(jìn)行信號調(diào)理，即對圖像進(jìn)行嵌位、錟相、放大以及同步信號分離。然后，由DSP啟動對圖像信號的采樣，即控制FPGA進(jìn)行圖像的采樣，同時通過中斷查詢方式(FTNT)，監(jiān)控FPGA發(fā)出的采樣完成信號。

    采用TI公司的TLC5510芯片來進(jìn)行高速A／D采樣。TLC5510為5V電源、8位、20Msps的高速并行ADC，最大量程為2V。為了達(dá)到實(shí)時處理的目的，本系統(tǒng)只采集灰度圖像，CCD圖像的幀頻為30Hz，幀圖像分辨率為512×512像素，每個像素點(diǎn)8位量化。

    FPGA在行(HS)、場(VS)同步信號和時鐘信號的驅(qū)動下，產(chǎn)生A／D采樣的控制信號來控制采樣過程，同時，F(xiàn)PGA提供存儲器地址及片選與讀寫控制信號，數(shù)字信號按照該地址并在RAM_W有效時，寫入FPGA存儲器RAM中，為圖像預(yù)處理作好準(zhǔn)備。

    采樣完成后，F(xiàn)PGA產(chǎn)生外部中斷，向DSP發(fā)出中斷請求，DSP進(jìn)入中斷處理：FPGA提供RAM的地址信號，并在RAM_R有效時，DSP將RAM中的采樣數(shù)據(jù)以EDMA方式讀至同步動態(tài)存儲器SDRAM中。SDRAM為4balaks×512 kb×32b，時鐘主頻為166 MHz，這樣就保證了工作時所需的存儲容量和實(shí)時性的要求。數(shù)據(jù)傳輸完畢，DSP啟動FPGA進(jìn)行下一幀圖像的采樣，F(xiàn)PGA再次進(jìn)入采樣控制處理過程，DSP則對目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和畸變等處理。

    在完成對目標(biāo)圖像的數(shù)據(jù)處理后，DSP將處理后目標(biāo)圖像和存儲在ROM中的參考圖像構(gòu)成的聯(lián)合輸入圖像實(shí)時輸出到液晶電視上的約定區(qū)域內(nèi)，以便進(jìn)行光信息處理。

2．3 自動識別模塊
    自動識別模塊采用三星公司ARM處理器S3C2440來完成。S3C2440處理器是基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式芯片。該ARM內(nèi)核的CPU主頻最高可達(dá)533MHz，此處使用499MHz，它除了集成3個串口、SD卡控制器、USB Host控制器、LCD控制器、Nand Flash控制器以及實(shí)時時鐘外，還增添了工業(yè)控制總線(CAN)、Camera控制器(數(shù)碼攝像機(jī)接口)、PCMCIA接口(可接無線網(wǎng)卡或調(diào)制解調(diào)器及其他外設(shè))。另外，用1個96針總線插槽引出CPU的局部總線，可外接其他總線設(shè)備并與多方通信。目前，S3C2440已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、多媒體處理、消費(fèi)類電子及網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。

    S3C2440處理器的接口框圖如圖3所示。S3C2440內(nèi)置Camera控制器，并支持最大為4096×4096像素的圖像輸入，因此本系統(tǒng)對聯(lián)合頻譜圖像的獲取選用130萬像素攝像頭進(jìn)行視頻采集與傳輸，通過Catnera控制器完成對頻譜圖像的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與存儲，然后對頻譜進(jìn)行振幅調(diào)制和傅里葉反變換，得到互相關(guān)結(jié)果，從而進(jìn)行判別與處理。

    圖3中，64MB NAND Flash采用三星的。K9F1208，用于存放應(yīng)用程序；2MB的NOR Flash采用AMD的AM29LV160DB，用于存放Bootloader及Kernel；64MBSDRAM采用現(xiàn)代的HY57V561620；32KB FRAM(鐵電存儲器)，減少對Flash的頻繁操作，延長Flash壽命，同時防止掉電時數(shù)據(jù)丟失。

    S3C2440作為主控處理器，還負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信，并可通過網(wǎng)卡與Internet進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化。另外，還可通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。

2.4 系統(tǒng)軟件主流程
    該光電混合圖像識別系統(tǒng)工作主流程如圖4所示。ARM和DSP在完成初始化后，通過HPI口加載DSP程序并通過中斷激活DSP運(yùn)行；DSP在工作后啟動FPGA，F(xiàn)PGA控制A／D采樣芯片進(jìn)行實(shí)時圖像采集。

3 結(jié)論
    本文研究與設(shè)計了一種新型的基于雙CPU技術(shù)的光電圖像識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)由TMS320C6416與FPGA完成目標(biāo)圖像的采集與處理，通過光電相關(guān)聯(lián)合變換器得到圖像的聯(lián)合頻譜，利用S3C2440完成對相關(guān)功率譜的采集與目標(biāo)圖像自動識別。該識別系統(tǒng)圖像處理能力達(dá)25幀／s，因而實(shí)現(xiàn)了真正動態(tài)圖像的圖像識別。與傳統(tǒng)光電圖像識別系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)實(shí)時性和精度更高，并實(shí)現(xiàn)了智能化和網(wǎng)絡(luò)化，有較高的實(shí)用價值。