基于DSP TMS320DM642芯片實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)

目前，視頻運(yùn)動(dòng)控制卡的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。本文針對(duì)TI公司的視頻高速處理芯片TMS320DM642，設(shè)計(jì)了對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)跟蹤的運(yùn)動(dòng)控制卡。希望通過本文分享DM642平臺(tái)應(yīng)用中的一些經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)方案與原理

系統(tǒng)主要由視頻解碼器、CPLD采集控制、TMS320-DM642、視頻編碼器等部分組成。其總體框架如圖1所示。CCD攝像頭攝取視頻圖像，輸出標(biāo)準(zhǔn) PAL制式的模擬視頻信號(hào)。視頻解碼器收到模擬視頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流，由CPLD控制視頻解碼器將數(shù)據(jù)采集到高速緩存中暫存，避免了數(shù)字視頻數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間占用DSP外部總線。然后DSP的EDMA控制器通過DMA方式從高速緩存中將視頻數(shù)據(jù)搬運(yùn)到SDRAM中，采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過 DSP圖像處理后，一方面通過視頻編碼器將圖像數(shù)據(jù)以PAL制式的模擬信號(hào)傳送給視頻轉(zhuǎn)換盒，然后通過USB接口連接PC，顯示跟蹤結(jié)果。另一方面， DSP通過串口發(fā)送與目標(biāo)物體三維坐標(biāo)相關(guān)的控制命令，從而控制驅(qū)動(dòng)器操縱舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤與抓取。

2 圖像采集的CPLD控制

系統(tǒng)采用CPLD控制視頻解碼器SAA7111A采集圖像數(shù)據(jù)，送到高速緩存。SAA7111A芯片提供了很多同步信號(hào)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作同步，邏輯控制器對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，完成同步控制。

圖2為控制圖像采集的邏輯框圖。其中虛線框部分由CPLD完成。CPLD上電后，首先使D觸發(fā)器輸出為高電平，控制FIFO寫信號(hào)或門中的1路信號(hào)為高電平，這樣FIFO寫信號(hào)禁止，從而關(guān)閉圖像采集開關(guān)。行計(jì)數(shù)器和像素計(jì)數(shù)器處于等待計(jì)數(shù)狀態(tài)。待DSP、SAA7111A、EDMA和FIFO初始化完成后，由DSP發(fā)出啟動(dòng)圖像采集的信號(hào)。在VREF為高電平且HREF為所要行時(shí)，行計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，達(dá)到512行時(shí)行計(jì)數(shù)器復(fù)位。同時(shí)，在HREF為高電平且像素是想要的像素時(shí)，像素計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并在達(dá)到512個(gè)像素時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位。經(jīng)過SAA7111解碼得到的PAL制式的圖像最大分辨率為720× 576，要求采集的圖像大小為512×512像素，只取其中部分像素。SAA7111A的像素時(shí)鐘LLC2頻率為13．5 MHz，作為CPLD的工作時(shí)鐘。由SAA7111A的時(shí)序圖可知，輸出圖像分為奇偶單場(chǎng)。奇偶單場(chǎng)中的VREF高電平都對(duì)應(yīng)行有效，單場(chǎng)為288行 （288個(gè)HREF）；輸出VREF低電平表示場(chǎng)消隱信號(hào)，為25行（25個(gè)HREF）。由于單場(chǎng)為256行，要求采集圖像為512行，所以不采集單場(chǎng)有效行的前16行和后16行圖像數(shù)據(jù)。此處設(shè)計(jì)行計(jì)數(shù)器是用來達(dá)到取中間256行有效像素的目地。圖3為采集一場(chǎng)圖像的時(shí)序仿真圖。同樣，輸出的HREF高電平表示1行有效像素，為720個(gè)LLC2周期，每行要求只采集中間的512個(gè)像素。因此編寫像素計(jì)數(shù)器，目地是在HREF上升沿出現(xiàn)后，取中間的512 個(gè)像素作為有用的像素。

3 DSP的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 雙目視覺算法

本文所采用的攝像機(jī)的空間關(guān)系如圖4所示。假設(shè)C1與C2攝像機(jī)的焦距相等，各內(nèi)部參數(shù)也相等，且2個(gè)攝像機(jī)的光軸平行，x軸重合。由于光軸與圖像平面垂直，故2個(gè)攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)系x軸重合，y軸平行。因此，將第1個(gè)攝像機(jī)沿其z軸平移一段距離后與第2個(gè)攝像機(jī)完全重合。

當(dāng)雙攝像機(jī)這樣配置時(shí)，2個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系只相差x軸方向上的1個(gè)平移，將平移距離1記為b。

如圖4所示，O1O2為C1及C2坐標(biāo)的x軸。PO1O2平面與2個(gè)圖像平面I1及I2的交線分別為E1和E2。由于2個(gè)圖像平面位于同一平面，則E1與 E2為該平面上的同一直線。又由于圖像平面平行于x軸，故E1和E2與x軸平行。P1和P2分別為O1P與I1，及O2P與I2的交點(diǎn)，則P1與P2分別在E1和E2上。事實(shí)上，一幅圖像上的任一點(diǎn)，在另一幅圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)只可能位于1條特定的被稱為極線的直線上，而E1和E2就是此系統(tǒng)的2條極線。

假設(shè)C1坐標(biāo)系為x1y1z1，C2坐標(biāo)系為x2y2z2。在上述攝像機(jī)配置下，若任何空間點(diǎn)P的坐標(biāo)在C1坐標(biāo)系下為（x1，y1，zz），在C2坐標(biāo)系下為（x1-b，y1，z1）。由中心攝影的比例關(guān)系可得：

可見，由P1與P2的圖像坐標(biāo)（u1，v1）、（u2，v2）可求出空間點(diǎn)P的三維坐標(biāo)x1、y2、z1。

上述公式組中，b稱為基線（baseline）長(zhǎng)度，（u1-u2）稱為視差（disparity）。分析表明，基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，x1、y1、z1的計(jì)算相對(duì)誤差越小。但基線長(zhǎng)度不可太長(zhǎng)，否則，由于物體各部分的互相遮擋，2個(gè)攝像機(jī)可能不能同時(shí)觀察到P點(diǎn)。視差是由于雙攝像機(jī)位置不同，使P點(diǎn)在圖像中投影點(diǎn)的位置不同引起的。由z1式可見，P點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)（即z1越大），視差越小。事實(shí)上，當(dāng)P點(diǎn)趨于無窮遠(yuǎn)時(shí)，O1P與O2P趨于平行，視差趨于零。

3．2 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)DSP／BIOS設(shè)置

本文對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)DSP／BIOS的配置分為4個(gè)部分：

①系統(tǒng)設(shè)置。配置系統(tǒng)的存儲(chǔ)器為外部SDRAM，并指定存儲(chǔ)地址。

②實(shí)時(shí)分析。指定調(diào)試函數(shù)，用于記錄系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和調(diào)試結(jié)果。

③任務(wù)調(diào)度。采用RF5框架，定義了4個(gè)執(zhí)行任務(wù)，分別完成視頻輸入、處理、控制、輸出。

④同步控制。用于完成上位機(jī)對(duì)目標(biāo)物體的設(shè)定。

系統(tǒng)DSP／BIOS設(shè)置如圖5所示。

圖8中第1行為視頻跟蹤卡應(yīng)用在由舵機(jī)搭建手臂上，對(duì)三維空間小球的實(shí)時(shí)跟蹤效果圖。第2行為視頻控制卡反饋回PC機(jī)的4路圖像：第1路為左攝像頭拍攝的真實(shí)圖像，第2路為右攝像頭拍攝的真實(shí)圖像，第3路為對(duì)第1路圖像中的小球進(jìn)行顏色識(shí)別后圖像分割的效果圖，第4路為對(duì)第2路圖像中的小球進(jìn)行顏色識(shí)別后圖像分割的效果圖。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的視頻檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制卡，可以在三維空間內(nèi)準(zhǔn)確定位目標(biāo)物體，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)跟蹤的方式對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行夾取。采用DSP與CPLD相結(jié)合的方式，并嵌入實(shí)時(shí)DSP／BIOS操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)對(duì)視頻處理的速度。該系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，功耗低，適合應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人等領(lǐng)域。

責(zé)任編輯：gt