摘要：介紹一種基于高速DSP芯片TMS320C6455構(gòu)建的視頻動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置,，有效地利用6455的大容量?jī)?nèi)存空間等特點(diǎn)，采用EDMA功能實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠古揖彌_結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，軟件設(shè)計(jì)是基于背景更新的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法,，測(cè)試結(jié)果證明該裝置功能完備，實(shí)時(shí)性好,，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),，在實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：動(dòng)目標(biāo)檢測(cè),；背景更新,；TMS320C6455；SAA7113H
視頻動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤技術(shù)是當(dāng)今世界重要的研究課題,，它涉及圖像處理,、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科,，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的各個(gè)方面：預(yù)警,、火控、制導(dǎo)等,；在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也隨著該技術(shù)的日益成熟,，以及成本的大幅度下降而逐漸得到越來(lái)越廣泛的推廣。
所謂視頻動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置是一個(gè)可以完成標(biāo)準(zhǔn)制式視頻圖像的采集和處理,，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤的智能圖像處理系統(tǒng)，這類系統(tǒng)具有運(yùn)行復(fù)雜靈活的算法以及處理大數(shù)據(jù)量視頻圖像的能力,，還要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性,，同時(shí)體積、功耗、穩(wěn)定性等也有較嚴(yán)格的要求,。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),，采用TI公司的TMS320C6455高速DSP芯片，以FPGA,、SAA7113H等高集成度的外圍電路構(gòu)建了一種滿足實(shí)時(shí)性要求的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置,，該裝置體積小、功耗低,，在實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 TMS320C6455簡(jiǎn)介
TMS3206455是TI公司推出的最新高速DSP，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上采用了Veloei(VLIW：Very Long Instruction Word)超長(zhǎng)指令字內(nèi)核結(jié)構(gòu),，最高時(shí)鐘頻率為1．2 GHz,，每個(gè)周期可以同時(shí)執(zhí)行8條32 bit的指令，16位定點(diǎn)處理能力可達(dá)到9 600 MIPS／MMACS(16-bits),。片內(nèi)采用2級(jí)高速緩存結(jié)構(gòu),，其中L2有2 096 K字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)空間可供使用，6455還具有強(qiáng)大的外部存儲(chǔ)器接口EMIF,，可以連接DDR2等高速外部存儲(chǔ)器,，同時(shí)集成了高速串行接口SRIO，方便多DSP以及DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸,。這些都可以滿足圖像處理算法產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對(duì)高速交換空間的需求,，非常適合作為這類算法的硬件處理平臺(tái)。
1．2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)的硬件組成是基于TMS3206455構(gòu)成的數(shù)字圖像處理系統(tǒng),，輸入模擬視頻信號(hào)經(jīng)圖像解碼器SAA7113H將其解碼為422YUV(CCIR-656)格式碼流,，并傳送至FPGA進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。TMS3206455通過(guò)EDMA方式從FPGA中實(shí)時(shí)采集數(shù)字圖像,，可以緩存在DSP內(nèi)部或通過(guò)EDMA方式存入DDR2中,，DSP程序根據(jù)算法提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤。另外系統(tǒng)還利用FPGA和SAA7121H視頻編碼芯片實(shí)現(xiàn)了字符的疊加顯示功能,，可程控字符,、十字絲和目標(biāo)提示框等一系列提示信息的直觀實(shí)時(shí)顯示。其硬件總體框圖如圖1所示,。
1．3 視頻采集
視頻采集芯片選擇Philips公司的視頻解碼SAA7113H,，該芯片的主要作用是把輸入的模擬視頻信號(hào)解碼成標(biāo)準(zhǔn)的VPO數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于視頻A／D器件,，由DSP通過(guò)I2C總線接口對(duì)SAA7113H進(jìn)行初始化設(shè)置,，輸出YUV422格式的數(shù)字圖像，每幀720x625個(gè)像素,。
TMS3206455提供有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口,，可以直接控制本地的外圍器件(如A／D,、D／A等)，兼容Philips公司的2．1版本I2C規(guī)范,，快速模式的通訊速率可達(dá)400 Kbps,，并且支持7位和10位的設(shè)備地址模式。SAA7113H,、SAA7121H的硬件配置如圖2所示,。
標(biāo)準(zhǔn)的視頻制式有3種：PAL、NTSC和SE-CAM,，都采用隔行掃描技術(shù),，一幀圖像傳送兩次，分別為奇場(chǎng)圖像和偶場(chǎng)圖像,。SAA7113H的輸出也是隔行掃描圖像,，一般在圖像檢測(cè)處理系統(tǒng)中，只需要采集圖像中間的512x256像素,，邊緣像素?cái)?shù)據(jù)可以忽略,。即在行有效時(shí)，取中間的512個(gè)像素的數(shù)據(jù),，在奇,、偶場(chǎng)圖像分別取中間的256行像素?cái)?shù)據(jù)作為場(chǎng)圖像。為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,，動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置在處理過(guò)程中采用按場(chǎng)處理(50 Hz)的方式,，即在20 ms時(shí)間內(nèi)完成對(duì)的一場(chǎng)隔行圖像的處理，提高輸出信息的實(shí)時(shí)性,。
1．4 數(shù)字圖像序列導(dǎo)入
數(shù)字圖像的處理主要在DSP中進(jìn)行,，為了提高圖像處理的速度，需要借助其強(qiáng)大的EDMA功能,。TMS3206455提供由增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)EDMA(Enhanced Direct Memory Address)控制器,，無(wú)需CPU的參與就能夠完成存儲(chǔ)器映射空間的數(shù)據(jù)傳輸，可以滿足多種海量數(shù)據(jù)交換的處理系統(tǒng)需求,。
數(shù)字圖像序列的導(dǎo)入和DSP內(nèi)部存儲(chǔ)均采用了RAM乒乓結(jié)構(gòu)進(jìn)行,。在FPGA中主要完成YUV422數(shù)字圖像的乒乓緩存，在DSP中主要完成數(shù)字圖像序列的乒乓處理和循環(huán)存儲(chǔ),，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示,。
FPGA的圖像乒乓緩存以行(512像素)為單位，依據(jù)FPGA內(nèi)部的RAM資源來(lái)確定乒乓緩存空間的大小,，利用行同步時(shí)鐘(或其分頻信號(hào))來(lái)同步實(shí)時(shí)寫入圖像數(shù)據(jù),。由于DSP的EDMA速度資源空間很大，即使內(nèi)部資源很小的FPGA,，只要其內(nèi)部RAM空間超過(guò)1 k(512x2像素,，2行圖像數(shù)據(jù)),，就能夠?qū)崿F(xiàn)該乒乓結(jié)構(gòu)。
DSP則利用時(shí)間指針進(jìn)行圖像序列的乒乓循環(huán)存儲(chǔ)和處理,，在EDMA實(shí)時(shí)導(dǎo)入當(dāng)前場(chǎng)的圖像的同時(shí)，完成對(duì)上場(chǎng)圖像的算法處理,。這樣的乒乓結(jié)構(gòu)可以根據(jù)DSP的內(nèi)存空間的大小和算法的需求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),，乒乓循環(huán)幀數(shù)n=2，3,，4…,。
TMS3206455內(nèi)部提供有2 096 K字節(jié)的L2 SRAM空間，除了預(yù)留程序,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、算法空間外，還可以提供至少8場(chǎng)(8x512x256=1 024 KB)圖像的存儲(chǔ)空間,，系統(tǒng)還可以備選DDR2作為擴(kuò)展內(nèi)存,，為圖像序列的乒乓緩存提供了充足的高速存儲(chǔ)空間支持。
1．5 字符疊加
為了讓觀測(cè)者更清楚地了解目標(biāo)的信息,，視頻處理裝置通在顯示圖像上實(shí)時(shí)疊加字符,，采用的方法是在圖像上直接進(jìn)行模擬或數(shù)字信號(hào)疊加。本裝置的字符疊加采用Philips公司的視頻編碼芯片SAA7121H完成,，顯示信息可以通過(guò)DSP進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,，保證信息的實(shí)時(shí)、直觀,。
TMS3206455通過(guò)I2C總線對(duì)SAA7121H進(jìn)行配置,，在FPGA中對(duì)SAA7113H輸出的YUV視頻信號(hào)進(jìn)行處理并提取同步信息，作為后面字符疊加的同步控制信號(hào),。需要疊加的字符點(diǎn)陣庫(kù)存儲(chǔ)在FLASH中,，由DSP控制的實(shí)時(shí)顯示字符內(nèi)容存儲(chǔ)在FPGA的RAM中；在視頻同步信息的控制下,，字符疊加模塊在視頻信號(hào)的特定(顯示)位置讀取RAM中的數(shù)據(jù),，并將字符點(diǎn)陣與視頻信號(hào)進(jìn)行疊加，產(chǎn)生所需的帶字符的視頻,。視頻字符疊加過(guò)程如圖4所示,。
2 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)
動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是對(duì)EDMA導(dǎo)入DSP的內(nèi)部數(shù)字圖像序列進(jìn)行處理，從中將移動(dòng)的目標(biāo)從背景圖像中提取出來(lái),，然后進(jìn)行有效分割,、狀態(tài)提取、特征匹配,、分類排序,、置信度決策等,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，提取出動(dòng)目標(biāo)信息,。動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)方法有很多,，如幀間差分法、背景差分法和光流法等,，這里主要采用基于背景更新的背景差分法來(lái)實(shí)現(xiàn),，算法過(guò)程如圖5所示。
2．1 背景圖像的提取與更新
常用的背景更新方法有多幀平均法,、選擇更新法,、隨機(jī)更新法等，本裝置的背景圖像是基于多幀平均法取得的,。在系統(tǒng)開始工作后,，首先根據(jù)連續(xù)采集的n幀圖像求平均值獲取原始背景圖像B0(x，y),。
其后的運(yùn)算過(guò)程中,，使用一階遞歸濾波器對(duì)背景圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新處理。
其中,，Ik(x,，y)表示當(dāng)前幀圖像，Bk(x,，y)表示當(dāng)前背景圖像,，BK-1(x，y)表示上一幀背景圖像,，更新率α取值范圍為0～1,。一般地，當(dāng)α較大時(shí),，背景差分的結(jié)果更接近于幀間差分法,，對(duì)背景的變化適應(yīng)較快；而當(dāng)α較小時(shí),，背景差分的結(jié)果更接近于傳統(tǒng)的背景差分法,，更適合于探測(cè)運(yùn)動(dòng)速度較慢的物體。
2．2 背景圖像差分
動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是檢測(cè)當(dāng)前圖像與背景圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的差值,，如差值大于設(shè)定閾值,，則可判定該像素點(diǎn)屬于動(dòng)目標(biāo)，否則為背景,。檢測(cè)量取灰度值,，計(jì)算公式如下。
其中,，M(x,，y)為動(dòng)目標(biāo)像素點(diǎn)的集合,，I(x，y)表示當(dāng)前圖像中像素點(diǎn)的灰度值,，B(x,，y)表示背景圖像中對(duì)應(yīng)位置像素點(diǎn)的灰度值，T為閾值,，要由實(shí)驗(yàn)獲得可行數(shù)據(jù),。
2．3 軟件設(shè)計(jì)
動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)是以SAA7113H提供的視頻場(chǎng)信號(hào)作為時(shí)統(tǒng)參考進(jìn)行處理，按照上述的背景更新和圖像差分的算法基礎(chǔ)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),，基本步驟如下：首先建立背景模型，使用背景差分法獲得動(dòng)目標(biāo)二值像,，進(jìn)行目標(biāo)像的形態(tài)學(xué)處理,，然后提取出動(dòng)目標(biāo)的各項(xiàng)特征參數(shù)進(jìn)行排序、匹配,，利用多場(chǎng)信息的置信度決策,，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤和信息獲取。
動(dòng)目標(biāo)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示,。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文采用了TMS320C6455高速DSP和FPGA,、SA7113H等器件實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置，測(cè)試結(jié)果證明該裝置能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行有效檢測(cè),，實(shí)時(shí)性好,，集成度高，處理平臺(tái)更新?lián)Q代能力強(qiáng),，可廣泛應(yīng)用于各種成像監(jiān)控,、跟蹤和預(yù)警領(lǐng)域。