基于雙DSP平臺的實時跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本文以兩片定點DSP TMS320C6203為核心，設(shè)計了一個用于處理1024×1024大小圖像（12位數(shù)字相機）的電視跟蹤系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計分別進行了詳細介紹。對實時圖像序列進行預(yù)處理后，DSP1進行捕獲和圖像增強、顯示，DSP2用于實時跟蹤。主要解決了兩個關(guān)鍵問題：第一， 采用分段投影的方法，解決了對于大圖像大數(shù)據(jù)量的目標全屏捕獲問題，并滿足實時要求；第二，根據(jù)目標大小動態(tài)調(diào)節(jié)跟蹤窗，對目標進行實時跟蹤。實驗表明系統(tǒng)對目標的實時跟蹤有很好的性能。
關(guān)鍵字：雙DSP平臺，實時跟蹤系統(tǒng)設(shè)計，12位數(shù)字相機

引言

實時跟蹤系統(tǒng)中目標的捕獲和跟蹤是圖像處理、計算機視覺和模式識別等領(lǐng)域的重要課題，在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和交通等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)是一般是針對8位的數(shù)字圖像，大多數(shù)的跟蹤器采用TI公司所推出的優(yōu)秀的高速數(shù)字信號處理芯片C6x系列DSP，TI公司提供了很多針對處理256灰度級圖像的圖像處理支持庫，用戶可以方便的調(diào)用里面的API函數(shù)，并通過CCS自帶的調(diào)試工具進行簡單快捷的調(diào)試，縮短程序的開發(fā)周期。由于信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們越來越注重跟蹤的精度和可靠性，高分辨率高精度的相機越來越受到人們的青睞，而對于大數(shù)據(jù)量的實時處理問題也伴隨產(chǎn)生。

本文針對分辨率為1024×1024的12位數(shù)字相機提供了一個實時跟蹤系統(tǒng)平臺，該平臺的建立對后續(xù)算法的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)，由于目標本身的特點本文以重心法為例進行分析。

1. TMS320C6203簡介

TMS320C6203芯片是TMS320C62x系列定點DSP中的一員。定點DSP在硬件結(jié)構(gòu)上比浮點器件簡單，具有價格低和速度快的特點，因而應(yīng)用的最多。C62系列DSP的主要特點是在體系結(jié)構(gòu)上采用了由TI公司研發(fā)的VelociTi甚長字（VLIW）結(jié)構(gòu)。每個指令字包含多個字段（指令），字段之間相互獨立，各自控制一個功能單元，因此可以單周期發(fā)送多條指令，實現(xiàn)很高的指令級并行效率。C6000的VLIW采用了類RISC指令集，使用大的統(tǒng)一的寄存器堆，結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有潛在的易編程性和良好的編譯性能，在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮良好的作用。300MHz時鐘的C6203峰值性能可以達到2400MIPS（百萬條指令/秒）。C6203有8個獨立的功能單元，其中6個加法器，兩個16位乘法器可以得到32位的結(jié)果，可以每周期執(zhí)行8條32bit指令，專用存取結(jié)構(gòu)，32個32bit通用寄存器，支持40bit ALU運算，支持位操作。由于多功能單元的并行操作，使DSPs在相同的時間內(nèi)能夠完成更多的操作，因而提高了程序的執(zhí)行速度。除多功能單元外，流水技術(shù)是提高DSPs程序執(zhí)行效率的另一個主要手段。

DSPs采用了程序總線和數(shù)據(jù)總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以同時取指和取操作數(shù)，片內(nèi)提供256位的程序總線、2套32位數(shù)據(jù)總線和1套32位的DMA專用總線。靈活的總線結(jié)構(gòu)大大緩解了數(shù)據(jù)瓶頸對系統(tǒng)性能的限制。

C6203芯片片內(nèi)提供多種功能強大的集成外設(shè)，包括3個多通道緩沖串口，兩個通用計數(shù)器，一個32bit擴展總線，32bit高性能外部存儲器接口（EMIF）提供了與SDRAM、SBSRAM和SRAM等同步、異步存儲器的直接接口。

隨著DSPs應(yīng)用的日益廣泛深入和市場競爭的日趨激烈，TI公司推出了世界上第一個效率可達70％～80％的匯編語言級C編譯器，它產(chǎn)生的代碼的平均效率是其他DSPs編譯器的3倍，另外，C6000獨有的匯編優(yōu)化器可以使開發(fā)者采用線性匯編語言得到近似標準匯編的性能，因而降低了開發(fā)難度。CCS的出現(xiàn)，提供了更加豐富和強有力的調(diào)試手段來提高程序調(diào)試的效率和精度，使應(yīng)用程序的開發(fā)變成一件輕松而有趣的工作。

2. 電視跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電視跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，以兩片DSP TMS320C6203為核心，有FPGA完成圖像預(yù)處理工作如圖一所示。

                              圖1. 電視跟蹤系統(tǒng)硬件框圖

本文實驗所用到的高精度相機為DALSA公司生產(chǎn)的1M30相機，1024×1024協(xié)議，全局CCD結(jié)構(gòu)，幀頻為30fps，40MHz數(shù)據(jù)吞吐率，12位數(shù)字化，高靈敏度低暗電流，異步圖像獲取，外部觸發(fā)結(jié)構(gòu)，單12V~24V供電，多觸發(fā)控制。

3. 投影法及在捕獲、跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

投影法是一種簡單而且容易實現(xiàn)的方法，設(shè)圖像Image上的元素為的大小為m×n，則水平方向的投影與垂直方向的投影分別為：

DSP1捕獲系統(tǒng)設(shè)計如下：

由于DMA傳遞數(shù)據(jù)的最大限度為0xffff，可將1024×1024大小的圖像通過DMA分8次倒入DSP中，DSP1沒有接到捕獲命令的時候可以進行圖像拉伸或目標位置預(yù)測等算法，協(xié)助和檢驗DSP2的跟蹤；當(dāng)DSP1接到自動捕獲命令后進入捕獲狀態(tài)，分塊累計直方圖計算閾值，將圖像二值化，然后通過投影法求取水平方向投影和垂直方向的投影，整場計算完畢累計投影值，找到水平方向投影最大值與垂直方向投影最大值的交界處，將該位置通過FIFO送給DSP2用于以后的跟蹤。

DSP2跟蹤系統(tǒng)設(shè)計如下：

當(dāng)DSP2接到跟蹤命令后進入跟蹤狀態(tài)，跟蹤命令或由DSP1給出，或由鼠標通過串口通信強制跟蹤，本文以初值256×256畫跟蹤窗，通過DMA傳遞數(shù)據(jù)將窗口內(nèi)的圖像轉(zhuǎn)到片內(nèi)寄存器進行處理。由于目標與鄰近的背景之間一般有著很高的對比度，可以在跟蹤窗內(nèi)對物體進行識別。累計跟蹤窗內(nèi)的直方圖，計算窗口內(nèi)閾值將圖像二值化計算目標重心位置，并通過投影法找到目標各個方向的邊界，估算目標大小調(diào)整跟蹤窗的尺寸。若跟蹤窗內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)目標則向DSP1發(fā)出捕獲命令。

                            （a）                           （b）

圖2 （a）為原始圖像，（b）為二值化后的圖像，左方為目標的水平投影，上方為目標的垂直投影

4．試驗結(jié)果與展望

經(jīng)試驗，基于雙DSP平臺的實時電視跟蹤系統(tǒng)實時和準確性滿足要求，能夠及時送出脫靶量，延遲小，工作穩(wěn)定，并且跟蹤窗能夠自動調(diào)節(jié)，有很好的跟蹤效果。此平臺滿足自然背景下的目標識別和跟蹤要求，但由于只使用了定點DSP必然有其算法的局限性，可再加入一片浮點DSP TMS320C6701設(shè)計多DSP平臺，即可滿足算法多方面的要求，如即將準備移植的運動目標姿態(tài)測量算法，可以在實時跟蹤的基礎(chǔ)上，實時給出目標旋轉(zhuǎn)的角度和縮放大小。

本文的創(chuàng)新點是：建立雙DSP平臺處理高精度高分辨率圖像，兩個DSP協(xié)調(diào)工作，由于圖像較大，不能整場存入片內(nèi)進行處理，因而利用分段累計投影法達到實時捕獲和跟蹤的目的。

圖3.電視跟蹤程序原理框圖

圖4. 試驗結(jié)果及試驗平臺

5. 參考文獻：

[1] 《TMS320C6203B FIXED-POINT DIGITAL SIGNAL PROCESSOR》Texas Instrument，2004.3
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[9] 《基于DSP的實時圖像處理系統(tǒng)》，微計算機信息，2005年21卷3期