基于XC2V2000和TMS320C6414芯片實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引 言

紅外熱成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是通常的熱成像系統(tǒng)的瞬時(shí)視場(chǎng)都很小，為了擴(kuò)大視界通常采用光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，掃描機(jī)構(gòu)的引入使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。而且由于掃描速率的限制，容易造成目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息的丟失。隨著紅外廣角鏡頭的出現(xiàn)，克服了光機(jī)掃描的缺點(diǎn)。此時(shí)，實(shí)時(shí)超大視場(chǎng)紅外圖像處理成為目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)。由于紅外鏡頭的視場(chǎng)角大，在像面上所成的紅外圖像產(chǎn)生了畸變和漸暈，使得目標(biāo)在邊緣視場(chǎng)較中央視場(chǎng)信號(hào)微弱，需要對(duì)圖像進(jìn)行畸變和漸暈的校正處理。在大視場(chǎng)紅外圖像處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)必須具有高速的運(yùn)算能力。本文采用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)超大視場(chǎng)紅外圖像處理系統(tǒng)能夠滿足高速采樣數(shù)據(jù)流快速存取、快速運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求。

2 系統(tǒng)主要芯片的功能特點(diǎn)

根據(jù)實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中的DSP芯片選用了Ti 公司的TMS320C6414芯片，其具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和出色的對(duì)外接口能力。該芯片CPU主頻為600MHz，數(shù)據(jù)處理能力峰值可達(dá)4800MIPS（每秒48億條指令）。采用了VelociT1.2結(jié)構(gòu)，由8個(gè)相互獨(dú)立的功能單元構(gòu)成。包含兩組通用寄存器組，每組含有32個(gè)32位寄存器。片內(nèi)采用2級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)部集成了多種外圍設(shè)備：擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問（EDMA），外部存儲(chǔ)器接口EMIFA（64bit）和EMIFB（16bit，主機(jī)口（HIP），3個(gè)多通道緩沖串口（McBSP），定時(shí)器等。

為協(xié)調(diào)各種不同功能芯片間的運(yùn)作，并完成圖像預(yù)處理工作，減輕DSP的負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)采用了Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列的XC2V2000芯片，系統(tǒng)門密度為2M，內(nèi)嵌專用硬件乘法器，內(nèi)嵌1008Kbit的Block RAM，可用來配置RAM、FIFO、雙口RAM，以及包含8個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（Digital Clock Manager DCM）其頻率范圍24MHz~420MHz。

3 系統(tǒng)的組成

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。首先，對(duì)輸入的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行采集，提取有效的數(shù)據(jù)單元。接著，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理。然后，進(jìn)行圖像處理，完成檢測(cè)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤。最后，輸出模擬視頻圖像到監(jiān)視器，以便觀察跟蹤效果。

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由四部分組成：FPGA模塊，DSP模塊，擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊和模擬視頻輸出模塊構(gòu)成。

（1） FPGA模塊：

系統(tǒng)采用了可編程芯片F(xiàn)PGA，協(xié)調(diào)各種具有不同功能芯片的運(yùn)作。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

FPGA主要完成如下四方面工作：圖像采集，圖像預(yù)處理，配置輸入緩存及輸出緩存。

① 圖像采集：根據(jù)探測(cè)器輸出的數(shù)字視頻信號(hào)的場(chǎng)同步（Vsync），行同步（Hsync）以及主時(shí)鐘（MC），通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)判斷何時(shí)出現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)單元，發(fā)送控制信號(hào)采集有效數(shù)據(jù)單元。

② 圖像預(yù)處理：對(duì)采集到的有效數(shù)據(jù)單元，進(jìn)行高效率的圖像濾波預(yù)處理以除去系統(tǒng)噪聲。

③ 輸入緩存：該模塊是由FPGA的Block RAM 配置成輸入緩沖存儲(chǔ)器 。預(yù)處理后的有效數(shù)據(jù)單元，可以連續(xù)不間斷地寫入 。并通過 的半滿標(biāo)志位（HF）觸發(fā)TMS320C6414的EMDA同步事件，使用EDMA控制器將原先所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過PDT（Peripheral Device Transfer）的傳輸方式，直接將 中的存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以EDMA方式導(dǎo)入SDRAM中，以供后續(xù)的圖像處理。

④ 輸出緩存：該模塊也是由FPGA的Block RAM 配置成輸出緩沖存儲(chǔ)器 。外部產(chǎn)生的視頻特征信號(hào)觸發(fā)TMS320C6414 的EMDA通道，使得圖像數(shù)據(jù)從DSP片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器向 傳輸。同時(shí)， 中以前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的作用下連續(xù)地被送往圖像輸出模塊進(jìn)行編碼。

（2）DSP模塊：

本系統(tǒng)中采用主頻為600MHz的TMS320C6414芯片為核心，完成目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤算法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：

DSP芯片主要完成如下功能：

① 通過EMIFA口，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)待處理的圖像數(shù)據(jù)；通過EMIFB 擴(kuò)展程序存儲(chǔ)空間。

② 從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM中調(diào)入圖像數(shù)據(jù)，運(yùn)行系統(tǒng)的檢測(cè)和跟蹤算法，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并確定其方位。

③ 根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，通過多通道緩沖串口0（McBSP0），控制伺服系統(tǒng)動(dòng)作。

④ 通過多通道緩沖串口1（McBSP1），實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口功能。

⑤ 與FPGA建立即時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序模塊間的調(diào)度與協(xié)調(diào)。

（3）擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊：

主要擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM（MT48LC4M16A2）和外部程序存儲(chǔ)器FLASＨ（MBM29LV800TA），SDRAM是通過DSP的EMIFA口擴(kuò)展的存儲(chǔ)空間，主要用來存儲(chǔ)待處理數(shù)字圖像，采用環(huán)形存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，每次讀緩沖區(qū)，取到的總是未被讀取的最舊的一幀圖像。當(dāng)緩沖區(qū)滿后，除非將其中的一些數(shù)據(jù)讀走，以空出空間，否則新的圖像幀將會(huì)丟失。FLASH　用于存儲(chǔ)跟蹤算法的應(yīng)用程序及FPGA的配置文件，當(dāng)DSP復(fù)位后則完成DSP的初始化，F(xiàn)PGA的配置并運(yùn)行應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)和跟蹤功能。

（4）視頻輸出模塊：

通過EDMA方式，從DSP的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器將圖像數(shù)據(jù)調(diào)入輸出緩沖 ，從 不間斷地輸出數(shù)字單元至編碼器（SAA7120）進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換模擬視頻信號(hào)，輸出到監(jiān)視器，以便觀察圖像檢測(cè)與跟蹤算法的效果。

4 結(jié)論

本文使用高性能的DSP（TMS320C6414）和可編程邏輯器件FPGA（Virtex-Ⅱ系列的XC2V2000），結(jié)合了模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了超大視場(chǎng)紅外目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很好的重構(gòu)性、實(shí)時(shí)性及可靠性。通過反復(fù)試驗(yàn)表明，該實(shí)時(shí)紅外檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)IR109機(jī)芯輸出的數(shù)字視頻信號(hào)（每場(chǎng)320×240有效像素，每個(gè)像素14bit，場(chǎng)頻50Hz）能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，對(duì)超大視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)、面目標(biāo)完成檢測(cè)和跟蹤功能。跟蹤無延時(shí)，主要技術(shù)指標(biāo)均能滿足項(xiàng)目的要求，具有很好的應(yīng)用前景。

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