郝 偉

（中國科學院長春光精密機械與物理研究所，吉林 長春 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)字圖像處理技術在硬件結構上的應用也發(fā)生了重大變化，特別是隨著DSP技術的飛速發(fā)展，目前帶有DSP處理器的實時圖像處理系統(tǒng)已經(jīng)成為圖像處理的主流［1］。

1 系統(tǒng)硬件結構

根據(jù)某圖像跟蹤系統(tǒng)的基本功能要求所設計圖像跟蹤系統(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，主要完成對兩路圖像的數(shù)據(jù)分流，分流的一路通過FPGA驅動內嵌的MAC層內核與外部PHY控制芯片無縫接口，實現(xiàn)千兆網(wǎng)的圖像數(shù)據(jù)傳輸，分流的另一路FPGA用于進行圖像預處理，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP，由DSP進行圖像處理算法的實現(xiàn)。驅動并轉串模塊，用于實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的實時通訊。DSP芯片——TMS320C6416，用于對圖像中目標的跟蹤算法的實現(xiàn)［2］。

1.1 FPGA功能

VIRTEX-4型FPGA（簡稱V4）是目前Xilinx主流的高端FPGA，是Virtex家族的第三個系列，也是全球第一個使用90nm工藝的高端FPGA。V4開創(chuàng)了FPGA根據(jù)應用領域細分結構的先河，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器BlockRAM、最多的時鐘資源，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)字信號處理器，是美國TI公司于1997年推出的高端系列的DSPs。雖然該系列的DSP在芯片設計上，最初主要是針對多通道無線通信和有線通信的應用領域，但是，由于其優(yōu)異的高速處理性能和出色的對外接口能力，因此，這種器件也很適合用于雷達聲納圖像處理、視頻測量跟蹤等領域。

圖1 圖像跟蹤系統(tǒng)硬件原理框圖

DSP的軟件編程和調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現(xiàn)。CCS是TI公司推出的一個集成性DSP軟件開發(fā)工具，開發(fā)者可以進行軟件編輯、編譯、調試、代碼性能、代碼優(yōu)化和項目管理等工作。

1.3 系統(tǒng)算法軟件的應用

軟件的主要任務是根據(jù)跟蹤處理器系統(tǒng)的硬件特點以及總體方案技術指標，完成對視頻信號的采集、數(shù)字圖像預處理以及對目標的識別跟蹤和脫靶量計算輸出。

圖2 遮擋目標跟蹤

據(jù)此，系統(tǒng)在軟件設計上采用多層算法結構：底層圖像預處理技術（中值濾波、直方圖統(tǒng)計），中層圖像特征提取技術（圖像灰度拉伸、Susan角點和SFIT特征提?。?，頂層目標特征匹配和目標跟蹤（模板匹配、SFIT特征匹配、模糊閾值分割、粒子濾波跟蹤），最終實現(xiàn)多模融合的目標識別與跟蹤［5］。

圖2所示為本系統(tǒng)在實際應用中的截圖。

2 結語

本文設計的硬件平臺滿足了跟蹤系統(tǒng)的需要，完成了序列圖像的實時采集，同時為實現(xiàn)各種實時圖像處理算法提供了良好的硬件平臺。設計中充分利用了FPGA等可編程器件以及FPGA內部可利用的硬件資源，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，也簡化了系統(tǒng)的硬件設計。

在此基礎上，本文從軟件設計的角度出發(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)過實際工程項目驗證，本系統(tǒng)的設計是成功的。

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

［2］周宏仁，敬忠良，王培德.機動目標跟蹤［J］.北京：國防工業(yè)出版社，1991.

［3］裴鹿成，王仲奇.蒙特卡羅方法及其應用［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.