基于TI TM320DM642的仿生眼视觉图像处理系统
近年来，国内外开展了大量对视频图像处理系统的研究，主要是针对一定范围内的静、动态场景进行监控或跟踪，并应用于智能车辆检测、视频监控、人脸识别、目标跟踪等方面。如文献[3]成功设计了一个基于视觉的低空跟踪系统；文献[4]成功设计一个基于视频图像处理的车辆流量实时检测系统。调查研究表明，国内外嵌入式机载视频图像处理系统的核心处理器多采用DSP、FPGA或者ARM来处理海量的图像数据。其主要采用的结构有单片高性能DSP、FPGA+DSP结构及ARM+FPGA+DSP结构等。文献[5]设计了一种单DSP的视频图像处理系统。文献[6]设计了一种FPGA+DSP结构的视频图像处理系统。文献[7]设计了一种基于DSP+FPGA+ARM体系结构的嵌入式实时图像处理系统。这些系统代表了目前嵌入式视频图像处理系统的基本类型和主要成果。随着数字信号处理器的高速发展，针对视频和图像解决方案而设计的高性能数字多媒体处理器TMS320DM642在实时视频处理领域得到了广泛应用。因此，根据仿生眼对图像处理性能的实际要求，可以采用基于单片高性能DSP结构的系统。
本文设计的仿生眼嵌入式机载视频图像处理系统采用TI公司的TMS320DM642高性能数字多媒体处理器作为核心处理器，系统实现了实时采集图像、实时处理图像、实时输出目标信息、实时显示等功能，具有针对性强、电路简单、集成度高、可靠性好等优点。此外，本系统实现了对经典Prewitt算法及其改进算法的验证。结果表明，该系统能够满足实时图像处理系统运算量大、数据传输率高以及实时性的要求。
1 系统整体结构与硬件设计
1.1 系统整体框架结构
系统以TM320DM642为核心，由4个部分组成：视频采集、图像处理、视频输出、串口通信。系统流程如图1所示。首先CCD摄像头采集的视频图像，经过视频解码芯片转化为便于DSP处理的视频码流；然后在DSP中设计合适的视频图像处理算法，分割、识别出运动目标，并计算出目标的位置参数；最后将位置参数通过串口发送给眼动控制模块。同时利用视频编码芯片编码DSP输出的视频码流，送到显示器实时显示，便于人机交互。
1.2 系统硬件设计
系统硬件设计分为6个模块：视频采集模块、图像处理模块、视频输出模块、串口通信模块、电源时钟模块、存储模块。其结构图如图2所示。
1.2.1 TMS320DM642图像处理模块
TMS320DM642是整个嵌入式系统的核心，它是TI公司推出的一款专用于数字媒体应用的高性能32 bit定点DSP，具有丰富的外设接口和高速的处理能力，是目前实时视频处理领域性价比较高的芯片[8]。DM642最高主频达600 MHz，并行处理指令最高可达每个指令周期处理8条32 bit指令，最大指令处理速度为4 800 MIPS。DM642的高性能主要体现在采用了二级缓存结构和64 bit的EDMA控制器，使其在没有CPU参与的情况下，进行数据搬移，大大提高了程序的运行效率[9]。因此，为提高系统实时性[10]，采用EDMA传输是必要之举。此外，DM642具有丰富的外围接口，其3个可配置的视频口可以与视频编解码芯片进行无缝连接；片内64 bit的EMIF接口可以与SDRAM、FLASH 等存储器无缝连接；利用I2C还可以方便地控制外围器件等。
该模块的主要功能是将输入的BT.656格式的视频信号进行中值滤波、图像分割等预处理，然后通过目标识别算法计算目标位置参数，最后将结果通过串口模块实时地送给眼动控制模块，眼动控制模块再结合仿生控制率对眼球进行实时控制。由于系统采用EDMA传输，大大保证了图像传输的实时性。CPU的开销主要用于图像处理的识别算法上。
1.2.2 视频图像采集模块
视频图像采集模块由CCD摄像头XL-3130CP4和视频解码芯片TVP5150组成，用于实现视频数据的A/D转换。DM642具有3个视频口，每个视频口包括A、B 2个通道，每个通道均可配置为输入或输出口。本系统将VP0A配置成视频输入，VP1A配置成视频输出。CCD采集的视频信号采用PAL制式，即：分辨率为720×576，帧频为25帧/s。通过TVP5150视频解码器将其转换成数字色差信号(YUV4：2：2)，输出格式为ITU-R BT.656，输入到VP0A口。DM642支持BT.656格式的视频数据流的输入格式，能与TVP5150的视频数据流无缝连接。视频编解码器与DSP的连接框图如图3所示。
TVP5150的配置是通过标准的I2C总线完成的。I2C标准总线由串行数据输入/输出线(SDA)和时钟输入/输出线(SCL)组成。TVP5150作为从设备，TMS320DM642作为I2C总线的主设备。主设备初始化TVP5150配置的写操作步骤如下：(1)DSP产生一个起始条件；(2)DSP发出一个TVP5150的地址(0xBA或0Xb8)，并表明写操作，等待TVP5150响应；(3)接收到TVP5150的响应后，DSP发出要配置寄存器地址，等待TVP5150响应；(4)接收TVP5150的响应后，发送要配置的数据，等待TVP5150响应；(5)接收到TVP5150响应后，发送停止位，结束一次配置。
1.2.3 视频图像输出模块
视频输出模块由视频编码器SAA7121和显示器组成。SAA7121支持PAL/NTSC格式的视频编码，输入支持BT.656格式的数字视频，输出为一路复合视频(CVBS)和一路超级视频(S-Video)。SAA7121的配置也是通过标准的I2C总线完成的，并且只能作为从设备。显示器用于实时显示视频图像信息，便于人机交互。
1.2.4 串口通信模块
串口通信部分包括TL16C752B和MAX3160。采用TL16C752B作为通用异步收发器(UART)，采用MAX3160将UART接口配置成RS232接口电平标准，用于为眼动控制器传递参数。该模块是视觉识别系统与眼动控制模块的接口，所传递的参数是目标偏离图像中心的位置信息，眼动控制系统根据这个参数实时调整眼球运动，确保目标位于图像中心。因此，该参数是整个眼球运动系统的前提。
1.2.5 外部存储模块
外部存储模块包括SDRAM和FLASH 2种。TMS320-DM642通过外部存储器接口EMIFA访问片外存储器。EMIFA是一个64 bit的接口，可以实现与多种同步和异步存储器的无缝连接。系统中，DM642的CE0子空间被作为64 bit的SDRAM接口，SDRAM选用HY57V283220T芯片，用于缓存待处理的图像数据；CE1子空间被配置为8 bit的FLASH接口，FLASH选用Am29LV033C芯片，用于存储DSP的固化程序和系统配置数据。
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