賈建偉

摘 要： 通過(guò)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)系統(tǒng)，提高對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)象的姿態(tài)修正和細(xì)節(jié)感知能力。在前期的圖像特征提取算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于多個(gè)傳輸單元間隔陣列分配校對(duì)的運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和架構(gòu)模型，給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能指標(biāo)；對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行分塊化設(shè)計(jì)，其包括電源電路模塊、三維特征數(shù)據(jù)加載電路模塊、復(fù)位電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊以及接口電路模塊；對(duì)三維特征提取算法進(jìn)行程序加載，基于Visual DSP++ 4.5進(jìn)行軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的細(xì)節(jié)特征捕捉和提取精度較高、性能較好。

關(guān)鍵詞： 三維運(yùn)動(dòng)特征； 可視化校對(duì)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 姿態(tài)修正； 細(xì)節(jié)感知

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0001?05

extraction algorithm， a 3D motion characteristics visualization proofreading system based on multiple transmission unit interval array distribution was designed. The system overall design and architecture model are analyzed. The functional parameters to design the system are given. The design of modules in hardware part of visualization system to proofread 3D motion features is conducted， including power supply circuit module， 3D feature data load circuit module， reset circuit module， AD digital?to?analogue conversion circuit module and interface circuit module. Program load of 3D feature extraction algorithm was performed. The software system based on Visual DSP++ 4.5 was developed to realize the system optimization design. The simulation experiment results show that the system can effectively realize the visualization proofreading of 3D motion features， and has high capture and extraction accuracy for detail features of moving image.

Keywords： 3D motion feature； visualization proofreading； system design； attitude correction； detail perception

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，以三維可視化圖像處理為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的細(xì)節(jié)捕捉和姿態(tài)分析的能力。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維圖像的優(yōu)化識(shí)別和可視化校正技術(shù)的研究，提高對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)象的跟蹤和計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別的水平，在多媒體視覺(jué)下，采用圖像特征采集方法，結(jié)合運(yùn)動(dòng)三維數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家識(shí)別系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)被采集運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像的細(xì)節(jié)動(dòng)作特征分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維目標(biāo)圖像的檢驗(yàn)分析和指導(dǎo)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，把圖像處理算法加載到圖像處理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的三維校正和細(xì)節(jié)捕捉感知，研究運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)系統(tǒng)，在圖像識(shí)別、動(dòng)作特征分析以及身份的認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)和視覺(jué)分析等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用意義，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究得到了人們的極大關(guān)注[1?2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述與功能器件選擇

1.1 運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)，在前期的三維特征提取算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)與一般的信號(hào)處理系統(tǒng)不同之處在于它采用DSP進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維特征數(shù)據(jù)的采樣，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制增益進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集，時(shí)鐘頻率為33 MHz或66 MHz。在三維特征提取中，采用外圍設(shè)備暫時(shí)接管基陣的陣列信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維特征的擴(kuò)展總線并行收發(fā)，通過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換和功率放大器以及進(jìn)行地址奇偶校驗(yàn)。根據(jù)系統(tǒng)的功能和技術(shù)要求，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)以及硬件設(shè)計(jì)[1，3?4]，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是采用PCI 總線操作對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備的從屬訪問(wèn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要元件包括如下幾個(gè)方面：

運(yùn)動(dòng)三維特征的計(jì)算元件（CE）：代表運(yùn)動(dòng)三維特征數(shù)據(jù)網(wǎng)格的計(jì)算資源。

運(yùn)動(dòng)三維特征的存儲(chǔ)元件（SE）：通過(guò)局部總線向HP E1562E 8 GB發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)請(qǐng)求任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征數(shù)據(jù)資源的綜合調(diào)度。

RAM緩沖區(qū)（RB）：捕獲32 位地址/數(shù)據(jù)總線中的運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)任務(wù)，根據(jù)用局部總線傳輸數(shù)據(jù)到HP E1562E，給每個(gè)任務(wù)分配適當(dāng)?shù)母北尽?

副本管理器（RM）：以采集數(shù)據(jù)到HP E1562D/E數(shù)據(jù)硬盤(pán)，在每個(gè)站點(diǎn)控制副本管理的傳輸，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化信息的差分輸入和直流耦合。

根據(jù)上述系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想，采用PCI9054的LOCAL總線設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)特征采集，用8個(gè)32位Maibox寄存器寄存運(yùn)動(dòng)三維特征的像素值信息，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行特征提取，當(dāng)初始化時(shí)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景圖像的亮點(diǎn)特征采樣的時(shí)鐘頻率可達(dá)到50 MHz，系統(tǒng)自動(dòng)將行為特征線性頻率尺度提取值通過(guò)串行E2PROM進(jìn)行配置校驗(yàn)，在C 模式下，選擇Motorola 公司高性能 MPC850/86作為三維特征的可視化校驗(yàn)視覺(jué)分析系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)圖像三維特征的可視化校驗(yàn)視覺(jué)分析過(guò)程可以用如圖2所示的時(shí)序圖描述，在PCI Initiator操作過(guò)程中，采用可編程邏輯芯片進(jìn)行圖像信息特征的譜分析，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和器件選擇分析

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)圖像三維特征的可視化校驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)描述如下：

運(yùn)動(dòng)圖像的Harris角點(diǎn)檢測(cè)的頻率大于200 Hz，寄存器基器件采用IEEE?488協(xié)議進(jìn)行圖像信息通信，E2PROM的配置采用VXI總線器件，采樣頻率不低于21 MHz，雙路16位電流輸出，VXI消息基器件具有電磁兼容性，通道輸入范圍為-12～20 dB，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)的模擬濾波器HP E1433A使用新型可編程高通濾波器。根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)的功能描述和器件分析，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)采用32位數(shù)據(jù)總線計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行圖像特征采樣和角點(diǎn)像素值分析。D/A芯片選用的是ADI 的ADSP?BF537。運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)具有高分辨率特性，可以精確控制高壓，產(chǎn)生電磁輻射，外部晶體采用功耗280 W的有源晶振AD554進(jìn)行圖像降噪濾波，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)的晶振電路如圖3所示。

運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)的晶振電路經(jīng)24倍頻后抑制低頻干擾，在晶振的輸出端放置一個(gè)[0.1 μF]的電容，耦合到芯片底下，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維特征的時(shí)鐘波形提取。綜合以上要求，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的外圍器件選擇了ADI公司的高速A/D芯片AD9225作為核心控制處理器，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的硬件電路模塊設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 可視化校對(duì)系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)指標(biāo)分析以及功能模塊構(gòu)建的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件模塊主要有電源電路模塊、三維特征數(shù)據(jù)加載電路模塊、復(fù)位電路模塊、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路模塊以及接口電路模塊等，具體的設(shè)計(jì)過(guò)程描述如下：

2.1.1 電源電路

運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的電源電路的D/A芯片選用的是ADI的串行D/A轉(zhuǎn)換器AD5545，電源電路的內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器為ADSP?BF537，它是雙路16位內(nèi)核頻率最高為126 MHz的D/A轉(zhuǎn)換器，建立時(shí)間為2 [μs]，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)電源電路選用頻率為[25 MHz]、電壓為3.0 V的電源層要隔離開(kāi)采樣時(shí)鐘，通過(guò)AN收發(fā)器相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交流供電，電源電路模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

由圖4可知，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的電源電路采用獨(dú)立的看門(mén)狗輸出，可視化校對(duì)系統(tǒng)的電源電路采用分立元件構(gòu)成，其中低電池檢測(cè)或者其他電源的檢測(cè)為微分電路。當(dāng)電源VCC上電時(shí)，DSP在1.6 s內(nèi)隨著電容C兩端電壓的增大而產(chǎn)生突變，所以O(shè)UT在上電時(shí)需要通過(guò)整流濾波振蕩器進(jìn)行線性調(diào)制，通過(guò)線性調(diào)頻濾波進(jìn)行振蕩采樣的復(fù)位，當(dāng)復(fù)位有效，持續(xù)一段時(shí)間后，DSP采樣BMODE2?0管腳，OUT變高，復(fù)位撤除，地址0x20000000執(zhí)行DSP的工作。

2.1.2 三維特征數(shù)據(jù)加載電路模塊

數(shù)據(jù)加載電路又叫程序加載電路，通過(guò)引導(dǎo)ROM進(jìn)行程序加載，ADSP?BF537程序加載方式較多，本文對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的三維特征數(shù)據(jù)程序加載模式分析如表1所示。

綜上所述，得到本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)圖像的三維特征的數(shù)據(jù)加載電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

采用表1所述的各個(gè)加載方式，結(jié)合本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)程序加載電路，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)。

2.1.3 復(fù)位電路模塊

運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位電路是執(zhí)行系統(tǒng)的幀同步信號(hào)、運(yùn)放AD8674輸出的復(fù)位功能，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位電路采用CAN 8674為主控芯片，芯片采用的是4通道高性能運(yùn)放數(shù)據(jù)交換，復(fù)位電路的帶寬為10 MHz，使用ADUM1201進(jìn)行3線制接口供電，AD8674產(chǎn)生輸出范圍為0～5 V，看門(mén)狗復(fù)位電路的輸入端從外部16位存儲(chǔ)器讀取運(yùn)動(dòng)圖像的像素角點(diǎn)檢測(cè)特征值，從地址0x20000000執(zhí)行0x00字節(jié)的時(shí)鐘同步程序，E2PROM的輸出口S0和輸入口接一個(gè)上拉電阻，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)三維可視化校對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)復(fù)位，復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路模塊

運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，提供給計(jì)算機(jī)和DSP芯片可識(shí)別的原始運(yùn)動(dòng)三維特征數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的A/D電路的分辨率為12位，最大采樣頻率為25 kHz，采用AD公司的高性能AD芯片AD9225進(jìn)行設(shè)計(jì)，采樣時(shí)鐘由CLKBUF給出，ADG3301在輸出端口的絕對(duì)電壓滿足：

A/D電路的設(shè)計(jì)需要減弱電源毛刺對(duì)模擬電路產(chǎn)生的干擾影響，實(shí)現(xiàn)單通道雙向電平轉(zhuǎn)換，根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，得到A/D電路的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

2.1.5 接口電路模塊

系統(tǒng)的接口電路是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出以及人機(jī)通信等功能，接口電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可少的重要模塊，本文設(shè)計(jì)的接口電路采用并聯(lián)瞬態(tài)二極管TVS設(shè)計(jì)，接口芯片為82C250，CANH和CANL與地并聯(lián)進(jìn)行控制信號(hào)的輸入輸出，得到接口電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

在上述運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計(jì)，得到集成電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與程序?qū)崿F(xiàn)

在上述進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并結(jié)合前期的圖像處理算法，進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)建立在Visual DSP++ 4.5軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)上，Visual DSP++通過(guò)圖形窗口建立運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化編輯和校對(duì)窗口，通過(guò)指令流水查看器進(jìn)行程序加載和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)特征的可視化校對(duì)，在Visual DSP++的Simulator和Emulator中進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，通過(guò)Emulator，在Windows 窗口下優(yōu)化ANSI C編譯，程序開(kāi)始后首先進(jìn)行初始化，判斷雙緩沖區(qū)的A/D采樣，執(zhí)行同步串口0初始化，采用SPORT0_TCLKDIV寄存器產(chǎn)生幀同步片選信號(hào)，配置PORT_MUX寄存器進(jìn)行可視化校對(duì)的程序特征輸出，配置CAN_MBIM1進(jìn)入CAN收發(fā)模式，采用PPI默認(rèn)的DMA通道實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)通信和PPI數(shù)據(jù)讀取，根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，采用多個(gè)傳輸單元間隔陣列分配校對(duì)，得到軟件開(kāi)發(fā)的流程如圖10所示。

根據(jù)上述軟件開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行程序加載，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行性能驗(yàn)證。

3 程序加載和系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的性能，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序之前，定義系統(tǒng)文件，進(jìn)行三維圖像處理算法的程序加載，程序加載過(guò)程代碼如下：

S根據(jù)上述程序加載結(jié)果，確定運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的變量和數(shù)組，軟件調(diào)試采用Tektronix TX3 True RMS MultiMeter，運(yùn)動(dòng)三維特征可視化校對(duì)系統(tǒng)的輸出顯示通過(guò)Agilent 混合示波器實(shí)現(xiàn)，得到系統(tǒng)對(duì)原始的三維圖像的采集輸出結(jié)果如圖11所示，采用本文方法進(jìn)行三維特征的可視化校對(duì)，得到校對(duì)輸出結(jié)果如圖12所示。

從圖12可見(jiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的細(xì)節(jié)特征捕捉和提取精度較高，性能較好，展示了較好的應(yīng)用性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，把圖像處理算法加載到圖像處理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的三維校正和細(xì)節(jié)捕捉感知，在圖像識(shí)別、體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指導(dǎo)、體動(dòng)作特征分析等方面具有重要意義。本文提出一種基于多個(gè)傳輸單元間隔陣列分配校對(duì)的運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述和系統(tǒng)的架構(gòu)分析，給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能指標(biāo)，對(duì)運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行分塊化設(shè)計(jì)，對(duì)三維特征提取算法進(jìn)行程序加載，基于Visual DSP++ 4.5進(jìn)行軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維特征的可視化校對(duì)，具有較好的運(yùn)動(dòng)特征提取和細(xì)節(jié)分析能力與較好的圖像處理性能。

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