基于FPGA的主從嵌入式圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

郝 偉

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

隨著集成電路向著大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在硬件結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用也發(fā)生了重大變化，特別是隨著DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，目前帶有DSP處理器的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)已經(jīng)成為圖像處理的主流［1］。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)某圖像跟蹤系統(tǒng)的基本功能要求所設(shè)計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中FPGA芯片采用V4系列中的XC4VFX20，主要完成對(duì)兩路圖像的數(shù)據(jù)分流，分流的一路通過FPGA驅(qū)動(dòng)內(nèi)嵌的MAC層內(nèi)核與外部PHY控制芯片無縫接口，實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)的圖像數(shù)據(jù)傳輸，分流的另一路FPGA用于進(jìn)行圖像預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP，由DSP進(jìn)行圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)并轉(zhuǎn)串模塊，用于實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊。DSP芯片——TMS320C6416，用于對(duì)圖像中目標(biāo)的跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)［2］。

1.1 FPGA功能

VIRTEX-4型FPGA（簡(jiǎn)稱V4）是目前Xilinx主流的高端FPGA，是Virtex家族的第三個(gè)系列，也是全球第一個(gè)使用90nm工藝的高端FPGA。V4開創(chuàng)了FPGA根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)分結(jié)構(gòu)的先河，我們這里使用的是V4系列中的FX系列的一款芯片，F(xiàn)X系列是V4中最高端的器件，是唯一擁有嵌入式PowerPC硬核、嵌入式千兆MAC硬核和RocketIO資源的V4，并且擁有最多的片上存儲(chǔ)器BlockRAM、最多的時(shí)鐘資源，以及平衡的邏輯、DSP性能和并行IO資源［3-4］。

1.2 DSP功能

本系統(tǒng)采用的是TI公司生產(chǎn)的TMS320C6416芯片。TMS320C6416系列的數(shù)字信號(hào)處理器，是美國(guó)TI公司于1997年推出的高端系列的DSPs。雖然該系列的DSP在芯片設(shè)計(jì)上，最初主要是針對(duì)多通道無線通信和有線通信的應(yīng)用領(lǐng)域，但是，由于其優(yōu)異的高速處理性能和出色的對(duì)外接口能力，因此，這種器件也很適合用于雷達(dá)聲納圖像處理、視頻測(cè)量跟蹤等領(lǐng)域。

圖1 圖像跟蹤系統(tǒng)硬件原理框圖

DSP的軟件編程和調(diào)試是通過聞亭公司的TDS510仿真器在Code Composer Studio（CCS）3.1環(huán)境下完成的。CCS支持ANSI C語言和匯編語言，本系統(tǒng)軟件代碼由C語言和線性匯編語言混合實(shí)現(xiàn)。CCS是TI公司推出的一個(gè)集成性DSP軟件開發(fā)工具，開發(fā)者可以進(jìn)行軟件編輯、編譯、調(diào)試、代碼性能、代碼優(yōu)化和項(xiàng)目管理等工作。

1.3 系統(tǒng)算法軟件的應(yīng)用

軟件的主要任務(wù)是根據(jù)跟蹤處理器系統(tǒng)的硬件特點(diǎn)以及總體方案技術(shù)指標(biāo)，完成對(duì)視頻信號(hào)的采集、數(shù)字圖像預(yù)處理以及對(duì)目標(biāo)的識(shí)別跟蹤和脫靶量計(jì)算輸出。

圖2 遮擋目標(biāo)跟蹤

據(jù)此，系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上采用多層算法結(jié)構(gòu)：底層圖像預(yù)處理技術(shù)（中值濾波、直方圖統(tǒng)計(jì)），中層圖像特征提取技術(shù)（圖像灰度拉伸、Susan角點(diǎn)和SFIT特征提取），頂層目標(biāo)特征匹配和目標(biāo)跟蹤（模板匹配、SFIT特征匹配、模糊閾值分割、粒子濾波跟蹤），最終實(shí)現(xiàn)多模融合的目標(biāo)識(shí)別與跟蹤［5］。

圖2所示為本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的截圖。

2 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)滿足了跟蹤系統(tǒng)的需要，完成了序列圖像的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)圖像處理算法提供了良好的硬件平臺(tái)。設(shè)計(jì)中充分利用了FPGA等可編程器件以及FPGA內(nèi)部可利用的硬件資源，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

在此基礎(chǔ)上，本文從軟件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)討論了系統(tǒng)中基于DSP的圖像采集處理的算法軟件。經(jīng)過實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的。

［1］宋建中，王延杰.跟蹤測(cè)量電視系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程，1995，3（5）:44-52.

［2］周宏仁，敬忠良，王培德.機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤［J］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991.

［3］裴鹿成，王仲奇.蒙特卡羅方法及其應(yīng)用［M］.北京:北京海洋出版社，1998.

［4］Virtex-4 Family Overview.Xilinx Inc.，2006.

［5］Virtex-4 User’s Guide.Xilinx Inc.，2006.