引 言
光電混合模式識別以其高速并行處理和無串擾的優(yōu)點成為實現模式識別實用化和實時化的重要途徑，其在目標識別、指紋識別,、光纖檢測,、工業(yè)零件識別、汽車牌照識別等領域得到了廣泛的研究和應用[1．2],，并取得了很好的識別效果,。
但在實際應用中，待識別的目標圖像需要經過圖像預處理和畸變處理等操作,。針對圖像的實時處理要求,，本文將聯合變換相關識別系統(tǒng)與數字信號處理中的雙CPU技術相結合，采用“FPGA+DSP+ARM”架構,，研究與設計一種新型的光電混合圖像識別系統(tǒng),。利用TMS320C6416與FPGA完成目標圖像的采集與處理，利用ARM9處理器S3C2440完成對相關功率譜的采集與目標圖像識別,，從而實現畸變不變模式識別的快速和準確性,。并實現了該系統(tǒng)的智能化和網絡化。
該光電混合圖像識別系統(tǒng)每秒能處理25幀圖像,，可實現真正的動態(tài)圖像識別,，因而對圖像識別有很好的實用性。
1 光電混合圖像識別系統(tǒng)
光電混合圖像識別系統(tǒng)是基于光電混合聯合變換相關器的一種系統(tǒng),，本文提出并設計的光電混合圖像識別系統(tǒng)的結構框圖如圖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組成的目標圖像采集與處理模塊,，將待識別的目標通過攝像頭1傳輸到DSP中，DSP完成對目標圖像的預處理和畸變處理等處理過程,。然后,，DSP將處理后的目標圖像和參考圖像構成的聯合輸入圖像實時輸出到液晶電視上，聯合圖像經過激光光束的照射后,，經傅里葉變換透鏡3后,，形成聯合圖像傅里葉頻譜。該頻譜經低通濾波后,，得到所需的中心頻譜[3],，并通過攝像頭2接收進入ARM9處理器S3C2440，來完成圖像頻譜的振幅調制及傅里葉逆變換的處理,，得到所需互相關結果,。由于真目標互相關信號較強，假目標的互相關信號很弱,，可以通過設定閾值來判斷真假目標圖像,，即當相關結果大于閾值時,，識為真目標，小于閾值時,，識為假目標,。當判為假目標時，通過通信接口控制DSP繼續(xù)進行圖像采集與處理,，實現下一個目標的圖像識別,，直至判別出真目標。
2 系統(tǒng)設計
該光電圖像識別系統(tǒng)主要由目標圖像采集與處理模塊,、光電相關聯合變換模塊以及自動識別模塊組成,，采用TMS320c6416DSP與FPGA來完成目標圖像的采集與處理，采用ARM9處理器S3C2440來完成對相關功率譜的采集與目標圖像識別,。
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結構，其主要在內部CPU功能單元,、通用寄存器組及其數據通路等方面進行了較大的改進,。C64x具有8個相互獨立的功能單元，其中包含6個支持單周期內單32位,、雙16位
或4個8位數據操作的算術邏輯單元,，以及2個支持單周期雙16×16位或4個8×8位數據操作的乘法器；內部CPU的通用寄存器組含有32個32位寄存器,，支持8位和64位定點數據,，并且寄存器A0也可用作條件寄存器；通用寄存器組內部有兩條交叉通路,，且都可以通過交叉通路訪問另一側的寄存器組,；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的運算能力增加了7.6倍,。由于C64x支持雙16位和8位數據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存儲器結構,。一級存儲器由程序(L1P)和數據(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兩路組相聯式緩存,。C64x具有與C621x、C67lx不同的存儲體結構,，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具有豐富的外設資源，其中包括：64通道的增強型存儲器直接存取(EDMA)控制器,；64位／16位數據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位主機端接口,；3個多通道緩沖串行口等。
內部結構的改進,、并行處理能力的提高及豐富的外設資源,，使得C64x在圖像處理領域具有巨大的開發(fā)潛力。為提高系統(tǒng)實時性能,，本文采用主頻400 MHz的TMS320C6416GLZ作為目標圖像處理單元來設計該識別系統(tǒng),。
2．2 目標圖像采集與處理模塊
該模塊主要由DSP處理器TMS320C6416和FPGA來實現，DSP和FPGA之間采用主／從方式,。其中,，DSP主要完成對目標圖像的處理及控制FPGA采樣信號的啟動。FPGA則完成對目標圖像的采樣控制過程,，其硬件結構圖如圖2所示,。
由攝像頭拍攝到的圖像首先進行信號調理，即對圖像進行嵌位,、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,。為了達到實時處理的目的,，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8位量化。
FPGA在行(HS),、場(VS)同步信號和時鐘信號的驅動下,，產生A／D采樣的控制信號來控制采樣過程,，同時，FPGA提供存儲器地址及片選與讀寫控制信號,，數字信號按照該地址并在RAM_W有效時,，寫入FPGA存儲器RAM中，為圖像預處理作好準備,。
采樣完成后,，FPGA產生外部中斷，向DSP發(fā)出中斷請求,，DSP進入中斷處理：FPGA提供RAM的地址信號,，并在RAM_R有效時，DSP將RAM中的采樣數據以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時性的要求,。數據傳輸完畢,，DSP啟動FPGA進行下一幀圖像的采樣，FPGA再次進入采樣控制處理過程,，DSP則對目標圖像數據進行預處理和畸變等處理,。
在完成對目標圖像的數據處理后，DSP將處理后目標圖像和存儲在ROM中的參考圖像構成的聯合輸入圖像實時輸出到液晶電視上的約定區(qū)域內,，以便進行光信息處理,。
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內核的32位RISC嵌入式
芯片,。該ARM內核的CPU主頻最高可達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控制器以及實時時鐘外,，還增添了工業(yè)控制總線(CAN)、Camera控制器(數碼攝像機接口),、PCMCIA接口(可接無線網卡或調制解調器及其他外設),。另外，用1個96針總線插槽引出CPU的局部總線,，可外接其他總線設備并與多方通信,。目前，S3C2440已被廣泛應用于工業(yè)控制,、多媒體處理,、消費類電子及網絡通信等領域,。
S3C2440處理器的接口框圖如圖3所示。S3C2440內置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)對聯合頻譜圖像的獲取選用130萬像素攝像頭進行視頻采集與傳輸,，通過Catnera控制器完成對頻譜圖像的數據轉換與存儲,，然后對頻譜進行振幅調制和傅里葉反變換，得到互相關結果,，從而進行判別與處理,。
圖3中，64MB NAND Flash采用三星的,。K9F1208,，用于存放應用程序；2MB的NOR Flash采用AMD的AM29LV160DB,，用于存放Bootloader及Kernel,；64MBSDRAM采用現代的HY57V561620；32KB FRAM(鐵電存儲器),，減少對Flash的頻繁操作,，延長Flash壽命，同時防止掉電時數據丟失,。
S3C2440作為主控處理器,，還負責與上位機進行通信，并可通過網卡與Internet進行互聯,，實現該系統(tǒng)的智能化與網絡化,。另外，還可通過USB接口進行數據的存取,。
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運行,；DSP在工作后啟動FPGA,，FPGA控制A／D采樣芯片進行實時圖像采集。
3 結論
本文研究與設計了一種新型的基于雙CPU技術的光電圖像識別系統(tǒng),。該系統(tǒng)由TMS320C6416與FPGA完成目標圖像的采集與處理,，通過光電相關聯合變換器得到圖像的聯合頻譜，利用S3C2440完成對相關功率譜的采集與目標圖像自動識別,。該識別系統(tǒng)圖像處理能力達25幀／s,，因而實現了真正動態(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)實時性和精度更高,，并實現了智能化和網絡化,，有較高的實用價值。