基于FPGA的相關(guān)測(cè)速系統(tǒng)

李 玲 ，李洋濤

(1.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450007)

相關(guān)測(cè)速是以隨機(jī)過(guò)程的相關(guān)理論和信息理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的[1-2]，它的應(yīng)用始于上世紀(jì)40年代，首先應(yīng)用于軍事上，然后逐漸轉(zhuǎn)移到科學(xué)研究和民用上，現(xiàn)在已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到日益廣泛的應(yīng)用。

盡管相關(guān)測(cè)速的運(yùn)算量非常巨大，但是隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA的出現(xiàn)，集成電路做得比以前更快、規(guī)模更大。設(shè)計(jì)人員有很大的自由度去設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用途專一的集成化數(shù)字電路：在實(shí)驗(yàn)室里，在電腦系統(tǒng)前，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)編程、現(xiàn)場(chǎng)配置、現(xiàn)場(chǎng)修改和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，從而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的單片化設(shè)計(jì)和應(yīng)用。這意味著無(wú)需更改電路，只要改寫FPGA內(nèi)部功能，整個(gè)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)新功能，即一個(gè)最小的芯片方案可以轉(zhuǎn)換來(lái)執(zhí)行多個(gè)功能，硬件的配置變得如同軟件一樣靈活方便，而其速度和集成度，也隨著VLS工藝的發(fā)展而迅速提高，這就為相關(guān)測(cè)速的實(shí)際應(yīng)用提供了硬件平臺(tái)。只要找到合適的算法并建立相應(yīng)的硬件處理系統(tǒng)，運(yùn)算速度和精度就能達(dá)到預(yù)期的要求。

1 系統(tǒng)硬件及相關(guān)算法的確定

本文測(cè)速的原理是：以CCD攝像頭作為前端裝置，將CCD攝像頭所采集的圖像信息送到FPGA中，由FPGA對(duì)其進(jìn)行處理，并給出當(dāng)前運(yùn)行的速度。在滿足速度上限的條件下，連續(xù)兩次采集的圖像必然有重疊的部分。對(duì)連續(xù)兩次的圖像進(jìn)行相關(guān)處理，就可以得到它們之間的位置關(guān)系，再結(jié)合采樣間隔時(shí)間，從而可以得出速度。

由于圖像處理算法涉及的運(yùn)算量比較大，對(duì)系統(tǒng)的快速處理能力和大數(shù)據(jù)量的吞吐能力有嚴(yán)格的要求[3]，因此系統(tǒng)中的核心器件FPGA的選擇必須遵循以下原則：(1)調(diào)試使用方便；(2)適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)速度；(3)適當(dāng)夠用的邏輯資源；(4)足夠的輸入輸出（I/O）端口。

根據(jù)系統(tǒng)要求，本文采用Altera公司的超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏yclone II[4]。Cyclone II系列FPGA是繼Cyclone系列低成本FPGA在市場(chǎng)上取得成功之后，Altera公司推出的更低成本的FPGA。Altera采用相同的方法在盡可能小的裸片面積上構(gòu)建了Cyclone II系列，擴(kuò)展了低成本FPGA的密度，最多達(dá)68 416個(gè)邏輯單元(LE)和1.1 Mbit的嵌入式存儲(chǔ)器，從而可以在低成本的FPGA上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。優(yōu)異的性價(jià)比使CycloneII系列FPGA可以廣泛地應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、音/視頻處理、通信以及測(cè)試測(cè)量等終端產(chǎn)品市場(chǎng)。

在測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，假設(shè)攝像頭采集到的原始圖大小為1 280×1 024，為了保證采集的圖像背景區(qū)域能夠有明顯的目標(biāo)，比較理想的情況是將模板區(qū)域取得越大越好，將目標(biāo)全部包括在內(nèi)[5-6]。當(dāng)搜索區(qū)域大小為m×m,模板大小為n×n時(shí)，歸一化互相關(guān)算法所需的運(yùn)算次數(shù)約為（5n2+9）×(m-n+1)2次，計(jì)算量巨大。如果采用512×512大小的搜索區(qū)域，模板采用 32×32大小，運(yùn)算乘加次數(shù)近12億次，硬件將無(wú)法提供足夠的乘加器。如果采用128×128的搜索區(qū)域和32×32的模板，圖像的檢索區(qū)域比較小，測(cè)速的范圍會(huì)比較低，精度也會(huì)下降。綜合考慮攝像頭采集圖像的范圍和精度，并且充分利用硬件所能提供的內(nèi)部存儲(chǔ)單元，本文將搜索區(qū)域設(shè)定為 256×256，模板大小設(shè)定為 32×32，如圖 1所示。

圖1 模板與實(shí)時(shí)圖大小

同時(shí)采用簡(jiǎn)化的互相關(guān)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)匹配，所以選擇差的絕對(duì)值和相關(guān)法SAD(Sum of Absolute Difference)作相關(guān)計(jì)算。

式中 i∈(0，M-m+l)，j∈(0，N-n+l)，R(x，y)為相關(guān)系數(shù)，(i，j)為 實(shí) 時(shí) 圖 像 與 模 板 之 間 的 偏 移 量 ，f(x+i，y+j)為 實(shí)時(shí)圖像中搜索區(qū)各點(diǎn)的灰度值，s(i，j)為模板圖像的灰度值。模板在搜索區(qū)內(nèi)逐點(diǎn)求相關(guān)系數(shù)得矩陣R(x，y)，目標(biāo)在搜索區(qū)內(nèi)的位置由R(x，y)中的最小值的位置來(lái)確定。

2 測(cè)速系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)模塊示意圖

根據(jù)所需的功能，將系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)模塊，分別加以實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。

(1)CCD攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊

攝像頭采集的數(shù)據(jù)需要有圖像幀和消隱幀。當(dāng)前幀是圖像幀時(shí)，讀入圖像的行數(shù)據(jù)，讀入1 280×1 024個(gè)數(shù)據(jù)后，列計(jì)數(shù)X_Cont和行計(jì)數(shù)Y_Cont歸零。消隱幀時(shí)不輸出。

(2)Raw to RGB壓縮模塊

通過(guò)內(nèi)部設(shè)置一個(gè)1 280×10 bit的FIFO，同時(shí)輸出兩行數(shù)據(jù)，通過(guò)輸入的行計(jì)數(shù)和列計(jì)數(shù)模塊的奇偶將原Byer格式的數(shù)據(jù)壓縮成RGB格式，4個(gè)點(diǎn)壓縮成一個(gè)點(diǎn)，圖像大小變成640×512。同時(shí)，通過(guò)內(nèi)置的時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊將當(dāng)前輸出的RGB所在的行列值輸出，范圍為640×512。

(3)處理流程 1

M4K寫入控制器：CCD時(shí)鐘。通過(guò)當(dāng)前輸入的行列坐標(biāo)，確定觸發(fā)背景M4K內(nèi)存模塊和模板M4K內(nèi)存模塊的寫入使能。背景 M4K大小設(shè)為256×256×4 bit，模板M4K大小設(shè)為32×32×4 bit。當(dāng)該模塊工作時(shí)，相關(guān)模塊不工作，以防止未寫完數(shù)據(jù)就做相關(guān)處理。

M4K模塊：存放處理過(guò)的4 bit灰度數(shù)據(jù)，讀寫時(shí)鐘分開，有寫使能位。

(4)處理流程 2

SdRam接口：提供兩個(gè)寫端口和兩個(gè)讀端口，可同時(shí)處理。內(nèi)部連接了PLL倍頻器，將SDRam的處理速度倍增到100 MB，然后通過(guò)內(nèi)部的讀寫和刷新?tīng)顟B(tài)機(jī)控制讀寫。

VGA控制模塊：由I2C控制生成行同步信息，并將讀入的RGB數(shù)據(jù)通過(guò)系數(shù)處理送到解碼器輸出VGA圖像。

測(cè)速模塊：模板選擇的位置固定在圖像的正中，即第192行 192列開始的32×32大小的數(shù)據(jù)，通過(guò)輸入的（X，Y）坐標(biāo)和（192，192）的差值得到像素的偏移量。 然后通過(guò)實(shí)際的圖像大小和距離的比例系數(shù)，乘以當(dāng)前的處理頻率，得到當(dāng)前的物體移動(dòng)速度。

為了計(jì)算偏移量和相對(duì)位移，必須引入除法運(yùn)算，而除法運(yùn)算是通過(guò)許多移位寄存器和加法器構(gòu)成的。運(yùn)算極其耗時(shí)，且需要大量邏輯單元和查找表，對(duì)處理速度有很大影響。所以選取MegaWizard生成的除法器來(lái)減少所需的運(yùn)算時(shí)間。

最后，由于實(shí)際的數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制，為了滿足顯示的10進(jìn)制坐標(biāo)換算的需要，設(shè)計(jì)了16進(jìn)制到10進(jìn)制LED顯示的轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了速度的直觀顯示，如圖3所示。

圖3 測(cè)速系統(tǒng)的運(yùn)行示意圖

綜上所述，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)，在FPGA上實(shí)現(xiàn)了測(cè)速需要的功能設(shè)計(jì)。

本文對(duì)攝像頭采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。選取圖像正中的 256×256個(gè)像素位置作為背景區(qū)域，其中的 32×32個(gè)像素作為模板選取區(qū)域，通過(guò)前后兩幀的相關(guān)得到模板在后一幀中的位移像素值。測(cè)速示意圖如圖4所示。

圖4 實(shí)際測(cè)速示意圖

如果按照理想的相似三角形判斷，攝像頭可以測(cè)量的速度可以達(dá)到無(wú)限大。設(shè)背景區(qū)域長(zhǎng)寬均為X cm，最大速度可以達(dá)到（X×(256－32)/256）/0.529 4＝1.9×0.875X cm/s，測(cè)量精度為(X/256)/0.529 4=1.9×X/256。但是由于攝像頭對(duì)光強(qiáng)的敏感程度和目標(biāo)的實(shí)際采樣灰度受噪聲的影響，以及受安裝位置和與被測(cè)物體距離的限制，實(shí)際測(cè)量速度范圍是有限的。在測(cè)試中采用的背景大小為20 cm×20 cm，離檢測(cè)面距離30 cm左右，100 MHz工作頻率， 測(cè)速的最大值可達(dá)到 （20×(256－32)/256）/0.529 4=33.056 cm/s。

整個(gè)測(cè)速系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)定參數(shù)來(lái)調(diào)整搜索區(qū)域，具有很寬的測(cè)速范圍。相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式測(cè)速系統(tǒng)，克服了物體運(yùn)動(dòng)異常時(shí)測(cè)量出現(xiàn)的原理性誤差；相對(duì)于非接觸的一維測(cè)速系統(tǒng)，克服了測(cè)速的單一性，可以測(cè)量物體在各種運(yùn)動(dòng)方向上移動(dòng)的速度。如果使用高性能FPGA進(jìn)行多路并行的相關(guān)運(yùn)算，搭配高速高分辨率的攝像頭，完全可以解決全圖互相關(guān)算法處理的計(jì)算量巨大的問(wèn)題，使測(cè)速的精度和速度得到進(jìn)一步提高。這種測(cè)速方式具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，使其發(fā)展空間非常廣闊，可以廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

總之，本文研究的基于FPGA的相關(guān)測(cè)速系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式和高精度的測(cè)量。其中，融合了信號(hào)采集與處理、邏輯器件FPGA和互相關(guān)技術(shù)等，具有學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)。在各種傳送帶、紙板、熱軋鋼板、汽車和列車等運(yùn)動(dòng)物體的非接觸測(cè)速上具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為解決非接觸式運(yùn)動(dòng)物體測(cè)速問(wèn)題提供了技術(shù)手段。

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