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基于PCI總線的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別與跟蹤平臺(tái)設(shè)計(jì)
摘要：介紹了PWM控制電路的基本構(gòu)成及工作原理，給出了美國(guó)Silicon General公司生產(chǎn)的高性能集成PWM控制器SG3524的引腳排列和功能說(shuō)明，同時(shí)給出了其在不間斷電源中的應(yīng)用電路。關(guān)鍵詞：PWM SG3524 控制器
在沒(méi)有紅外探測(cè)器或其它圖像采集設(shè)備的條件下，可以先開(kāi)發(fā)基于ＰＣＩ總線的圖像處理平臺(tái)，由計(jì)算機(jī)模擬圖像的生成并完成圖像的高速傳輸，以縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，使系統(tǒng)靈活、實(shí)用、便于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用美國(guó)ＴＩ公司的新一代高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器ＴＭＳ３２０Ｃ６７０１（以下簡(jiǎn)稱Ｃ６７０１）研制了實(shí)時(shí)圖像識(shí)別與跟蹤處理平臺(tái)，利用不變矩進(jìn)行圖像識(shí)別，采用質(zhì)心跟蹤方案，獲得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。充分發(fā)揮了Ｃ６７０１強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，并為后續(xù)的研究提供了很好的軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。
１ Ｃ６７０１數(shù)字信號(hào)處理器簡(jiǎn)介
Ｃ６７０１芯片內(nèi)有８?jìng)�(gè)并行處理單元，分為相同的兩組。采用甚長(zhǎng)指令字ＶＬＩＷ結(jié)構(gòu)，使Ｃ６７０１成為高性能的數(shù)字信號(hào)處理芯片。其單指令字長(zhǎng)為３２ｂ，８?jìng)�(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(zhǎng)為２５６ｂ。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊，可以將每個(gè)２５６ｂ指令包同時(shí)分配到８?jìng)�(gè)處理單元，８?jìng)�(gè)單元可同時(shí)運(yùn)行。芯片的最高時(shí)鐘頻率達(dá)到１６７ＭＨｚ，此時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算處理能力可達(dá)到１ＧＦＬＯＰＳ。外部存儲(chǔ)器接口ＥＭＩＦ支持８／１６／３２ｂ數(shù)據(jù)寬度的各種類型的同步、異步存儲(chǔ)器,便于系統(tǒng)擴(kuò)展。Ｃ６７０１片內(nèi)有６４ＫＢ的數(shù)據(jù)ＲＡＭ和６４ＫＢ的程序ＲＡＭ；片外存儲(chǔ)空間分為４個(gè)區(qū)（ＣＥ０、ＣＥ１、ＣＥ２、ＣＥ３）；有４個(gè)相互獨(dú)立的可編程ＤＭＡ通道，還有第五個(gè)ＤＭＡ通道可與ＨＰＩ接口。
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２ ＰＣＩ９０５４的主要特點(diǎn)及應(yīng)用
ＰＣＩ０９０５４是美國(guó)ＰＬＸ公司生產(chǎn)的一種３２ｂ ３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線主控Ｉ／Ｏ加速器。采用先進(jìn)的ＰＬＸ流水線結(jié)構(gòu)；符合ＰＣＩ本地總線規(guī)范２．２版，突發(fā)傳輸速率達(dá)到１３２ＭＢ／ｓ；本地總線復(fù)用／非復(fù)用的３２ｂ地址／數(shù)據(jù)線，有 Ｍ、Ｊ、Ｃ三種工作模式，但Ｃ模式的數(shù)據(jù)和地址總線是非復(fù)用的；支持８ｂ、１６ｂ、３２ｂ外圍設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，本地總線操作速率高達(dá)５０ＭＨｚ；內(nèi)部有６種可編程的ＦＩＦＯ，可實(shí)現(xiàn)零等待的突發(fā)傳輸及本地總線時(shí)鐘和ＰＣＩ總線時(shí)鐘的異步操作，支持主模式、從模式和ＤＭＡ傳輸模式。ＰＣＩ９０５４是一種性價(jià)比高的ＰＣＩ橋接芯片。
圖１給出了ＰＣＩ總線接口連接圖，使用２Ｋ的ＳＴ９３ＣＳ５６串行ＥＥＰＲＯＭ作為ＰＣＩ９０５４的配置芯片，圖中雙口ＲＡＭ可設(shè)計(jì)成３２ｂ、１６ｂ或８ｂ。ＰＬＸ９０５４工作在Ｃ模式下。本地總線晶振為３０ＭＨｚ，經(jīng)過(guò)測(cè)試ＰＬＸ９０５４工作在從模式單字節(jié)讀寫(xiě)的情況下，本地總線速度已達(dá)１２ＭＢ／ｓ。根據(jù)實(shí)際圖像傳輸需要（圖像大小為２５６×２５６，深度為８ｂ的灰度圖像）幀頻為２５幀／ｓ，已經(jīng)滿足需要。為了再提高傳輸速度，ＰＬＸ９０５４可以開(kāi)發(fā)成突發(fā)或ＤＭＡ傳輸方式。使用ＣＰＬＤ(Ｘｉｌｉｎｘ的ＸＣ９５１０８)完成ＰＣＩ９０５４到雙口ＲＡＭ的譯碼電路，本地地址空間可尋址大小為１ＭＢ，１ＭＢ的本地地址空間映射為地址００００００００Ｈ～０００ｆｆｆｆｆＨ,ＰＣＩ總線的地址空間（計(jì)算機(jī)自動(dòng)分配）為ｅｆ１０００００Ｈ～ｅｆ１ｆｆｆｆｆＨ，同時(shí)要求ＰＣＩ基址空間２（對(duì)應(yīng)寄存器ＰＣＩＢＡＲ２）映射到本地地址空間０(對(duì)應(yīng)寄存器ＬＡＳ０ＢＡ()即ＬＡＳ０ＲＲ寄存器設(shè)為ｆｆｆ０００００Ｈ,ＬＡＳ０ＢＡ寄存器設(shè)為０００００００１Ｈ。其中，ＬＡＳ０ＢＡ的最低位置成“１”，表示ＰＣＩ直接從模式訪問(wèn)本地地址空間０，使能譯碼；寫(xiě)“０”則禁止使能。ＰＣＩＢＡＲ２的值為ｅｆ１０００００Ｈ。
圖2 圖像處理系統(tǒng)硬件框圖
利用ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ６．０１驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具生成ＰＣＩ圖像傳輸卡的ＷＤＭ驅(qū)動(dòng)程序代碼，用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０編寫(xiě)應(yīng)用程序，完成圖像處理版與ＰＣ機(jī)之間的高速率的圖像序列傳輸。
３ 圖像處理板硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件框圖如圖２所示。圖像處理板以ＤＳＰ Ｃ６７０１為核心，Ｃ６７０１主要負(fù)責(zé)圖像處理，包括對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤，并給出最終的跟蹤角誤差。源圖像通過(guò)ＰＣＩ接口卡傳入圖像處理板的兩片雙口ＲＡＭ，兩片雙口ＲＡＭ采用乒乓式存儲(chǔ)。即為了保證圖像處理的實(shí)時(shí)性，當(dāng)一片ＲＡＭ接收數(shù)據(jù)時(shí)，另一片ＲＡＭ為ＤＳＰ提供圖像處理的數(shù)據(jù)。ＳＤＲＡＭ用作ＤＳＰ ＲＡＭ的擴(kuò)展，存儲(chǔ)圖像處理的中間結(jié)果。圖像處理后的方位與俯仰角度數(shù)據(jù)通過(guò)８２Ｃ５２轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)ＤＳ８９２１轉(zhuǎn)換成ＲＳ－４２２電平，送給系統(tǒng)的后續(xù)電路。
ＦＰＧＡ選用Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００,完成整個(gè)圖像處理板的譯碼邏輯，并承擔(dān)部分圖像處理功能。ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００門數(shù)為２０萬(wàn)門，采用串行配置時(shí)必須使用兩片ＥＰＣ２。ＦＰＧＡ配置在Ｃ６７０１的ＣＥ０空間。ＦＬＡＳＨ選用４Ｍｂ的ＡＭ２９ＬＶ０４０，用作ＤＳＰ ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ加載程序時(shí)的８ｂ ＲＯＭ，只能配置在ＣＥ１空間，因?yàn)椋茫叮罚埃敝挥校茫牛笨臻g可以與８ｂ／１６ｂ的“窄存儲(chǔ)器”接口。ＳＤＲＡＭ的容量為４Ｍ×３２ｂ，配置在ＣＥ２空間。兩片雙口ＲＡＭ為ＣＹ７Ｃ０２８Ｖ，容量為６４Ｋ×１６ｂ，都配置在ＣＥ３空間，地址分別譯為０ｘ０３００００００和０ｘ０３０４００００。Ｃ６７０１的ＢＯＯＴＭＯＤＥ[４:０]＝０１１０１,即存儲(chǔ)器映射方式為ＭＡＰ１、８ｂｉｔＲＯＭ加
載、地址０處的存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)為ＤＳＰ內(nèi)部程序ＲＡＭ。
４ 軟件算法
圖像由計(jì)算機(jī)經(jīng)ＰＣＩ卡傳到圖像處理板的雙口ＲＡＭ后，ＤＳＰ對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像校正、圖像濾波，之后進(jìn)行圖像分割和識(shí)別。當(dāng)識(shí)別出目標(biāo)時(shí)設(shè)置跟蹤波門，則后續(xù)圖像序列在波門內(nèi)進(jìn)行跟蹤。本系統(tǒng)識(shí)別的目標(biāo)為高空飛行的飛機(jī)圖像，采用的識(shí)別算法要求具有平移、旋轉(zhuǎn)和比例的識(shí)別特征不變性，同時(shí)要求跟蹤速度快。
４.１ 圖像分割
圖像分割的目的是將圖像目標(biāo)和背景分割開(kāi)來(lái)，從而知道目標(biāo)的大致位置。目前已有各種各樣的方法，其中簡(jiǎn)單有效的方法是直方圖分割法中的最大距離法（類間方差門限法）。它的基本思想是：在直方圖取值范圍內(nèi)，任一灰度級(jí)可將直方圖分為左右兩部分，如果這兩部分的灰度均值與總體的灰度均值相距最大，則該灰度級(jí)就取為分割門限。這種分割技術(shù)可由如下公式描述：
Ｄ(ｌ′)＝{[λ(l')-μPo(l')] 2}/Po(l')[1-Po(l')] (1)
式中,，Ｐｌ為灰度ｌ級(jí)處的概率。分割的準(zhǔn)則是將Ｄ(ｌ′)為最大值的灰度級(jí)ｌ′作為圖像分割的門限值。圖像中凡是灰度值大于分割門限的像點(diǎn)，均認(rèn)為是背景中的點(diǎn)；反之，則認(rèn)為是潛在目標(biāo)區(qū)域中的點(diǎn)。這種分割方法可以精確地找到分割門限，提取目標(biāo)。
４．２ 圖像識(shí)別
圖像經(jīng)過(guò)分割后，接下來(lái)就要對(duì)目標(biāo)圖像識(shí)別。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵是如何利用一組特征參數(shù)對(duì)區(qū)域的本質(zhì)特征進(jìn)行有效的描述。適當(dāng)?shù)剡x擇特征是很重要的，因?yàn)樵谧R(shí)別目標(biāo)時(shí)它是唯一的依據(jù)。圖像的識(shí)別特征有各種各樣的描述，如目標(biāo)形狀、大小、統(tǒng)計(jì)分布等。這里使用仿射矩不變量和分散度特征來(lái)識(shí)別目標(biāo)，取得了較好的效果。
對(duì)于經(jīng)過(guò)分割（二值）處理的數(shù)字圖像ｆ(ｘ,ｙ)，可以定義（ｐ＋ｑ）階矩：
ｍｐｑ＝∑ＸｐＹｑｆ(ｘ,ｙ) （２）
式中, ｐ,ｑ＝０，１，３……
ｆ(ｘ,ｙ)的（ｐ＋ｑ）階中心矩可用下式表示：
μ＝∑（Ｘ－Ｘ）ｐ(Ｙ－Ｙ)ｑｆ(ｘ,ｙ) （３）
式中,Ｘ＝ｍ１０／ｍ００,Ｙ＝ｍ０１／ｍ００,即(Ｘ,Ｙ)為目標(biāo)區(qū)域灰度質(zhì)心。
ｆ(ｘ,ｙ)惟一地確定一個(gè)矩序列{ｍｐｑ}，反之，矩序列{ｍｐｑ}也唯一確定ｆ(ｘ,ｙ)。在此利用公式（４）的５個(gè)幾何矩不變量[４]，再加上分散度特征一起代入目標(biāo)匹配公式[２]進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。
φ１＝η２０＋η０２
φ２＝(η２０－η０２)２＋４η 2 11
φ３＝η２０η０２２－η （４）
φ４＝(η３０－３η１２)２＋(３η－η０３)２
φ５＝(η３０＋η１２)２＋(η＋η０３)２
其中,ηｐｑ＝μｐｑ／(μ００)(ｐ＋ｑ＋２)／２。
此５個(gè)不變矩對(duì)目標(biāo)區(qū)域的平移(Ｔ)、旋轉(zhuǎn)(Ｒ)和區(qū)域的比例大小(Ｓ)保持不變。
４．３ 目標(biāo)跟蹤與軌跡預(yù)測(cè)
識(shí)別出目標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)確定跟蹤波門大小，在跟蹤波門內(nèi)進(jìn)行跟蹤，波門的大小采用自適應(yīng)設(shè)置。常用的跟蹤算法有波門跟蹤、圖像匹配跟蹤和多模跟蹤算法，考慮到背景較簡(jiǎn)單，采用基于公式（１）的質(zhì)心跟蹤方案。把波門的中心Ｇ(ｘＧ,ｙＧ)和目標(biāo)質(zhì)心Ｔ(ｘＴ,ｙＴ)的偏差作為跟蹤誤差，通過(guò)ＲＳ－４２２接口輸出給后續(xù)處理板來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤。
在跟蹤過(guò)程中，目標(biāo)的位置按照自身的運(yùn)動(dòng)方式不斷變化著，同時(shí)目標(biāo)也會(huì)出現(xiàn)被遮擋的情況。此時(shí)，需要對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以采用基于最小二乘法的綜合預(yù)測(cè)器來(lái)預(yù)測(cè)[２]，認(rèn)為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以是直線和二次曲線的某種組合。即
f(ｋ＋１)＝Ｗfl(ｋ＋１)＋(１－Ｗ)fｑ(ｋ＋１) （５）
式中，fl(·）為線性預(yù)測(cè)器；fｑ(·）為平方預(yù)測(cè)器，Ｗ為權(quán)函數(shù)（０≤Ｗ≤１）。
權(quán)函數(shù)可以根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得的平方預(yù)測(cè)器的誤差而實(shí)時(shí)構(gòu)成。當(dāng)平方預(yù)測(cè)器誤差較大時(shí)，則
增大權(quán)值，否則減小權(quán)值。線性和平方預(yù)測(cè)器的記憶點(diǎn)數(shù)Ｎ的選取要視具體工作情形而定。當(dāng)特征量的變化不是太快時(shí)，Ｎ值應(yīng)選得稍大些，這樣也有利于抑制噪聲的干擾；若特征量變化甚快，則Ｎ應(yīng)選用較小的值。一般選擇Ｎ≤５,當(dāng)Ｎ＝２時(shí)，線性預(yù)測(cè)有利于跟上機(jī)動(dòng)性較高的目標(biāo)；當(dāng)Ｎ＝５時(shí)，預(yù)測(cè)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡比較平滑，有較強(qiáng)的抗干擾能力。
５ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用２５６×２５６大小、深度為８ｂ的連續(xù)１５０幀灰度圖像進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到跟蹤速度為２５幀／ｓ的實(shí)時(shí)跟蹤效果，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、靈活且易于擴(kuò)展。圖３給出了跟蹤的結(jié)果。
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