DSP实时图像处理系统

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ＤＳＰ实时图像处理系统　

段洪君 李清伟　

（吉林化工学院，吉林　１３２０２２）　

摘 要 阐述了高速图像目标测量系统的ＤＳＰ实现，运用了高性能ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０Ｃ６２０２）完成实时图像目标处理，研究了一种快速图像匹配的相关跟踪算法，并结合大规模可编程逻辑阵列ＣＰＬＤ进行逻辑控制和现场可编程门阵列ＦＰＧＡ对采集的视频图像做预处理。实验证明该系统性能可靠，跟踪效果较好，并有较高的实时性。　

关键词 实时处理，图像目标跟踪，相关匹配。　中图分类号 ＴＮ９１１．７３　

自动目标识别是指从通过成像系统进来的图像，自动地提取目标并识别出来，即通过一系列图像数据实现对目标的获取、识别和跟踪。图像的类型主要有三种：可见光图像、红外图像、雷达图像。其中可见光图像是通过光学成像原理得到的，红外图像是通过不同物体表面辐射的热量不同的原理成像得到的，雷达图像是合成孔径雷达、毫米波雷达、激光雷达等不同成像手段得到的图像。目前，自动目标识别技术研究仍存在很大的局限性。对于某类目标的研究当在实验室进行时可能识别效果很好，而一旦用于实际环境中，由于许多不可预知的环境条件的影响，例如光照、气候、能见度等，使得图像的识别变得困难，而不能正确识别。尤其当目标本身变得复杂或是背景结构变得复杂时，目标的自动识别是非常困难的。

本文从技术研究和现实意义的角度，对高速图像目标识别跟踪系统进行具有开拓性的研究，研究了新型的跟踪测量系统。　

１　ＴＭＳ３２０Ｃ６２０２处理器介绍　

ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列的数字信号处理器，是美国ＴＩ公司于１９９７年推出的高端系列ＤＳＰ。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０２芯片工作频率为２５０ＭＨｚ，指令周期为４ｎｓ，具有超长指令字处理能力。其内部有８个并行处理单元，８条指令组成一个指令包，一个指令包的总字长为　２５６位。它可在一个时钟周期内并行执行８条指令，最大处理能力可达到８×２５０ＭＨｚ＝２０００ＭＩＰ。Ｃ６２０２的８个独立功能单元中有２个１６ｂｉｔ乘法器和６个算术逻辑单元。　

Ｃ６２０２的存储器寻址空间为３２ｂｉｔ，芯片内部集成了　１２８ＫＢｙｔｅ的片内　ＳＲＡＭ和２５６ＫＢｙｔｅ的片内程序ＲＡＭ。Ｃ６２０２内部的４通道ＤＭＡ协处理器，可用于数据的ＤＭＡ传输。具有３个ＭｃＢＳＰ（多通道缓冲串口），它不仅可完成标准串口的全双工串行通信，还支持多种通信协议下的直接接口。Ｃ６２０２还具有一个３２位宽的扩展总线，支持与异步外设、异步／同步ＦＩＦＯ、ＰＣＩ桥以及外部主控处理器等的接口。　

ＴＩ公司针对ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列的数字信号处理器，还推出了一种ＣＣＳ（Ｃｏｄｅ　Ｃｏｍｐｏｓｅｒ　Ｓｔｕｄｉｏ）集成开发软件。在这种开发软件的环境下，Ｃ编译器的效率可达８０％，若用线性汇编并配以Ｃ６０００汇编优化器，可使代码效率高达９５％以上。　

２　系统硬件结构　

本系统主要由ＴＭＳ３２０Ｃ６２０２为核心的图像处理、视频采集、显示电路构成，其原理框图如图１所示。 视频信号经Ａ／Ｄ转换为图像数字量，数字图像数据在波门的范围内依照地址产生器的地址按照一定的顺序存入双端口存储器ＲＡＭ。ＥＰＲＯＭ用作存放开机自举的程序机器码以及有关参数数据，ＳＤＲＡＭ　是容量为５１２Ｋ×３２ｂｉｔ×４ｂａｎｋ的静态存储器，该存储器可用作存储以ＤＭＡ方式从双端口存储

电子科技　２００４年第１期（总第１７２期）

ＤＳＰ　实时图像处理系统

电子科技／２００４年１月１５日

器ＲＡＭ传输过来的数字图像数据。数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｃ６２０２执行芯片内的程序存储区的程序，对数字图像数据进行处理，与主机进行数据通讯等工作。串口部分的作用是实现与主机的数据中转传输，波门电路的作用是根据波门数据形成空心波门

和实心波门。空心波门送至视频复合电路供显示用，实心波门分为场实心波门和行实心波门，可用作选通或形成图像数据的存储地址。视频复合电路的作用是将空心波门、电十字线、字符、图像信号叠加起来，供监视器显示。

图１ 图像处理系统硬件框图　

３ 序贯相似度检测算法（ＳＳＤＡ）　

序贯相似度检测算法是对图像匹配算法的改进，经典图像匹配算法的运算量巨大，其原因在于搜索窗口在这个待匹配的图像上进行滑动，而每一次滑动都要进行一次匹配相关运算。实际上，除了匹配点以外的其它相关运算都是“无用”的工作。ＳＳＤＡ算法的思想是，在匹配过程中，一旦发现模板所在的参考位置不是匹配点就丢弃不再计算，立即转到新的参考点进行计算，从而大大提高了匹配速度。

对于归一化互相关匹配，ＳＳＤＡ算法的具体实现为，首先定义绝对误差值：　

|)),),(()),((|),,,(j i F j n i m F T n m T n m j i k k k k k k ?++??=ε （１）　

式中，　

; ),(111

∑∑==×=

M m N

n n m T N

M T

∑∑==++×=

M m N

n j n i m F N

M j i F 11

),(1

),　

（２）　

然后取一个不变阈值h T ，在子图中随机选取像

点，计算它同模板图中对应点的误差值ε，然后把这个误差值同其它点对应的误差值累加起来，当累加r 次误差超过h T 值时，停止累加，并记下次数r ，

定义ＳＳＤＡ的检测曲面为　

∑=×≤≤≥=r

k h k k N

M r T n m j i r j i I 11]}),,,([min |{),(ε （３）　

　把),(j i I 值大的),(j i 点作为匹配点，因为这点

上需要许多次累加才使总误差超过阈值h T ，如图２。图中给出了Ａ、Ｂ、Ｃ三个参考点上得到的误差累计增长曲线，Ａ、Ｂ反映模板Ｔ不在匹配点上，这时误差累计增长很快超出阈值，曲线Ｃ中误差累计增长很慢，很可能是一套准的候选点。

图２ h T 为常数时的累计误差增长曲线　

对ＳＳＤＡ算法还可以进一步改进计算效率，方法如下：　

（１）对于2)1(+?M N 个参考点的选用顺序不采

ＤＳＰ　实时图像处理系统　

IT Age/Jan. 15, 2004

38用逐点推进的方式，例如可用粗－细结合的均匀搜索，即先每隔m 点搜一下匹配好坏，然后在有极大匹配值周围的局部范围内对各参考点位置求匹配，这个策略能否不丢失真正的匹配点，将取决于表面),(j i I 的平滑性和单峰性。　

第０帧图像　

第２００帧图像　

图３　不同时刻的跟踪图像　

（２）在某个参考点),(j i 处，对模板覆盖下的所有点对的计算顺序可以采用与j i ,无关的随机方式计算误差，也可采用适应图像内容的方式，按模板中突出特征选取伪随机序列，决定计算误差的先后

顺序，以便及早抛弃那些非匹配点。　

（３）不选用固定阈值h T ，而改用单调增长的阈值序列，使非匹配点用更少的计算就达到阈值而被丢弃，真正的匹配点则需要更多次误差累计才能达到阈值。　

４ 结　论　

图３是实验中采集的不同时刻的两幅图像的相关跟踪效果。从图３可以看出，系统运算速度快（每场图像的处理在２０ｍｓ内完成），且稳定性好。　参考文献　

１　Ｂ．　Ｂｈａｎｕ．　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔａｒｇｅｔ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｔ　ｓｕｒｖｅｙ．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　ＡＥＳ，　Ｊｕｌｙ　１９８６，　２２（４）： ３６４～３７８．　

２　任丽香，　马淑芬，　李芳慧．　ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列ＤＳＰ的原理与应用．　北京：　电子工业出版社，　２０００．　

３　赵训威．　基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２００系列ＤＳＰ芯片的应用与开发．　北京：　人民邮电出版社，２００２．　

４　戴逸民，　梁晓雯，　裴小平．　基于ＤＳＰ的现代电子系统设计．　北京：　电子工业出版社，　２００２．　

５　王念旭．　ＤＳＰ基础与应用系统设计．　北京：　北京航空航天大学出版社，　２００１．

作者简介　

段洪君（１９７１—），男，硕士，吉林化工学院讲师，主要从事模式识别与图像处理、智能机械与机器人控制等方面的研究。　

Real-time Image Processing System Based on DSP

Duan Hongjun Li Qingwei

( Jilin Institute of Chemical Institute, Jilin 132022, China)

Abstract

A method of high-speed image object measuring system on DSP is introduced. The system used high-performance DSP (TMS320C6202) to realize the real-time image object tracking algorithm, used large-scaled programmable logical array CPLD to control logic and field programmable gate array FPGA to preprocessing the image. It is proved to be a reliable, effective and high real time.

Keywords real-time process, image object tracking, correlation matching.