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基于PCI总线的实时图像识别与跟踪平台设计
摘要：介绍了PWM控制电路的基本构成及工作原理，给出了美国Silicon General公司生产的高性能集成PWM控制器SG3524的引脚排列和功能说明，同时给出了其在不间断电源中的应用电路。关键词：PWM SG3524 控制器
在没有红外探测器或其它图像采集设备的条件下，可以先开发基于ＰＣＩ总线的图像处理平台，由计算机模拟图像的生成并完成图像的高速传输，以缩短系统开发周期，使系统灵活、实用、便于进行功能扩展。采用美国ＴＩ公司的新一代高性能浮点数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｃ６７０１（以下简称Ｃ６７０１）研制了实时图像识别与跟踪处理平台，利用不变矩进行图像识别，采用质心跟踪方案，获得了很好的实验效果。充分发挥了Ｃ６７０１强大的数字信号处理能力，并为后续的研究提供了很好的软硬件平台基础。
１ Ｃ６７０１数字信号处理器简介
Ｃ６７０１芯片内有８个并行处理单元，分为相同的两组。采用甚长指令字ＶＬＩＷ结构，使Ｃ６７０１成为高性能的数字信号处理芯片。其单指令字长为３２ｂ，８个指令组成一个指令包，总字长为２５６ｂ。芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个２５６ｂ指令包同时分配到８个处理单元，８个单元可同时运行。芯片的最高时钟频率达到１６７ＭＨｚ，此时浮点运算处理能力可达到１ＧＦＬＯＰＳ。外部存储器接口ＥＭＩＦ支持８／１６／３２ｂ数据宽度的各种类型的同步、异步存储器,便于系统扩展。Ｃ６７０１片内有６４ＫＢ的数据ＲＡＭ和６４ＫＢ的程序ＲＡＭ；片外存储空间分为４个区（ＣＥ０、ＣＥ１、ＣＥ２、ＣＥ３）；有４个相互独立的可编程ＤＭＡ通道，还有第五个ＤＭＡ通道可与ＨＰＩ接口。
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２ ＰＣＩ９０５４的主要特点及应用
ＰＣＩ０９０５４是美国ＰＬＸ公司生产的一种３２ｂ ３３ＭＨｚ的ＰＣＩ总线主控Ｉ／Ｏ加速器。采用先进的ＰＬＸ流水线结构；符合ＰＣＩ本地总线规范２．２版，突发传输速率达到１３２ＭＢ／ｓ；本地总线复用／非复用的３２ｂ地址／数据线，有 Ｍ、Ｊ、Ｃ三种工作模式，但Ｃ模式的数据和地址总线是非复用的；支持８ｂ、１６ｂ、３２ｂ外围设备和存储设备，本地总线操作速率高达５０ＭＨｚ；内部有６种可编程的ＦＩＦＯ，可实现零等待的突发传输及本地总线时钟和ＰＣＩ总线时钟的异步操作，支持主模式、从模式和ＤＭＡ传输模式。ＰＣＩ９０５４是一种性价比高的ＰＣＩ桥接芯片。
图１给出了ＰＣＩ总线接口连接图，使用２Ｋ的ＳＴ９３ＣＳ５６串行ＥＥＰＲＯＭ作为ＰＣＩ９０５４的配置芯片，图中双口ＲＡＭ可设计成３２ｂ、１６ｂ或８ｂ。ＰＬＸ９０５４工作在Ｃ模式下。本地总线晶振为３０ＭＨｚ，经过测试ＰＬＸ９０５４工作在从模式单字节读写的情况下，本地总线速度已达１２ＭＢ／ｓ。根据实际图像传输需要（图像大小为２５６×２５６，深度为８ｂ的灰度图像）帧频为２５帧／ｓ，已经满足需要。为了再提高传输速度，ＰＬＸ９０５４可以开发成突发或ＤＭＡ传输方式。使用ＣＰＬＤ(Ｘｉｌｉｎｘ的ＸＣ９５１０８)完成ＰＣＩ９０５４到双口ＲＡＭ的译码电路，本地地址空间可寻址大小为１ＭＢ，１ＭＢ的本地地址空间映射为地址００００００００Ｈ～０００ｆｆｆｆｆＨ,ＰＣＩ总线的地址空间（计算机自动分配）为ｅｆ１０００００Ｈ～ｅｆ１ｆｆｆｆｆＨ，同时要求ＰＣＩ基址空间２（对应寄存器ＰＣＩＢＡＲ２）映射到本地地址空间０(对应寄存器ＬＡＳ０ＢＡ()即ＬＡＳ０ＲＲ寄存器设为ｆｆｆ０００００Ｈ,ＬＡＳ０ＢＡ寄存器设为０００００００１Ｈ。其中，ＬＡＳ０ＢＡ的最低位置成“１”，表示ＰＣＩ直接从模式访问本地地址空间０，使能译码；写“０”则禁止使能。ＰＣＩＢＡＲ２的值为ｅｆ１０００００Ｈ。
图2 图像处理系统硬件框图
利用ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ６．０１驱动程序开发工具生成ＰＣＩ图像传输卡的ＷＤＭ驱动程序代码，用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０编写应用程序，完成图像处理版与ＰＣ机之间的高速率的图像序列传输。
３ 图像处理板硬件设计
系统硬件框图如图２所示。图像处理板以ＤＳＰ Ｃ６７０１为核心，Ｃ６７０１主要负责图像处理，包括对目标的识别和跟踪，并给出最终的跟踪角误差。源图像通过ＰＣＩ接口卡传入图像处理板的两片双口ＲＡＭ，两片双口ＲＡＭ采用乒乓式存储。即为了保证图像处理的实时性，当一片ＲＡＭ接收数据时，另一片ＲＡＭ为ＤＳＰ提供图像处理的数据。ＳＤＲＡＭ用作ＤＳＰ ＲＡＭ的扩展，存储图像处理的中间结果。图像处理后的方位与俯仰角度数据通过８２Ｃ５２转换成串行数据，再经ＤＳ８９２１转换成ＲＳ－４２２电平，送给系统的后续电路。
ＦＰＧＡ选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００,完成整个图像处理板的译码逻辑，并承担部分图像处理功能。ＡＰＥＸＥＰ２０Ｋ２００门数为２０万门，采用串行配置时必须使用两片ＥＰＣ２。ＦＰＧＡ配置在Ｃ６７０１的ＣＥ０空间。ＦＬＡＳＨ选用４Ｍｂ的ＡＭ２９ＬＶ０４０，用作ＤＳＰ ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ加载程序时的８ｂ ＲＯＭ，只能配置在ＣＥ１空间，因为Ｃ６７０１只有ＣＥ１空间可以与８ｂ／１６ｂ的“窄存储器”接口。ＳＤＲＡＭ的容量为４Ｍ×３２ｂ，配置在ＣＥ２空间。两片双口ＲＡＭ为ＣＹ７Ｃ０２８Ｖ，容量为６４Ｋ×１６ｂ，都配置在ＣＥ３空间，地址分别译为０ｘ０３００００００和０ｘ０３０４００００。Ｃ６７０１的ＢＯＯＴＭＯＤＥ[４:０]＝０１１０１,即存储器映射方式为ＭＡＰ１、８ｂｉｔＲＯＭ加
载、地址０处的存储器对应为ＤＳＰ内部程序ＲＡＭ。
４ 软件算法
图像由计算机经ＰＣＩ卡传到图像处理板的双口ＲＡＭ后，ＤＳＰ对图像进行预处理，包括图像校正、图像滤波，之后进行图像分割和识别。当识别出目标时设置跟踪波门，则后续图像序列在波门内进行跟踪。本系统识别的目标为高空飞行的飞机图像，采用的识别算法要求具有平移、旋转和比例的识别特征不变性，同时要求跟踪速度快。
４.１ 图像分割
图像分割的目的是将图像目标和背景分割开来，从而知道目标的大致位置。目前已有各种各样的方法，其中简单有效的方法是直方图分割法中的最大距离法（类间方差门限法）。它的基本思想是：在直方图取值范围内，任一灰度级可将直方图分为左右两部分，如果这两部分的灰度均值与总体的灰度均值相距最大，则该灰度级就取为分割门限。这种分割技术可由如下公式描述：
Ｄ(ｌ′)＝{[λ(l')-μPo(l')] 2}/Po(l')[1-Po(l')] (1)
式中,，Ｐｌ为灰度ｌ级处的概率。分割的准则是将Ｄ(ｌ′)为最大值的灰度级ｌ′作为图像分割的门限值。图像中凡是灰度值大于分割门限的像点，均认为是背景中的点；反之，则认为是潜在目标区域中的点。这种分割方法可以精确地找到分割门限，提取目标。
４．２ 图像识别
图像经过分割后，接下来就要对目标图像识别。实现目标识别技术的关键是如何利用一组特征参数对区域的本质特征进行有效的描述。适当地选择特征是很重要的，因为在识别目标时它是唯一的依据。图像的识别特征有各种各样的描述，如目标形状、大小、统计分布等。这里使用仿射矩不变量和分散度特征来识别目标，取得了较好的效果。
对于经过分割（二值）处理的数字图像ｆ(ｘ,ｙ)，可以定义（ｐ＋ｑ）阶矩：
ｍｐｑ＝∑ＸｐＹｑｆ(ｘ,ｙ) （２）
式中, ｐ,ｑ＝０，１，３……
ｆ(ｘ,ｙ)的（ｐ＋ｑ）阶中心矩可用下式表示：
μ＝∑（Ｘ－Ｘ）ｐ(Ｙ－Ｙ)ｑｆ(ｘ,ｙ) （３）
式中,Ｘ＝ｍ１０／ｍ００,Ｙ＝ｍ０１／ｍ００,即(Ｘ,Ｙ)为目标区域灰度质心。
ｆ(ｘ,ｙ)惟一地确定一个矩序列{ｍｐｑ}，反之，矩序列{ｍｐｑ}也唯一确定ｆ(ｘ,ｙ)。在此利用公式（４）的５个几何矩不变量[４]，再加上分散度特征一起代入目标匹配公式[２]进行目标识别。
φ１＝η２０＋η０２
φ２＝(η２０－η０２)２＋４η 2 11
φ３＝η２０η０２２－η （４）
φ４＝(η３０－３η１２)２＋(３η－η０３)２
φ５＝(η３０＋η１２)２＋(η＋η０３)２
其中,ηｐｑ＝μｐｑ／(μ００)(ｐ＋ｑ＋２)／２。
此５个不变矩对目标区域的平移(Ｔ)、旋转(Ｒ)和区域的比例大小(Ｓ)保持不变。
４．３ 目标跟踪与轨迹预测
识别出目标后，根据目标确定跟踪波门大小，在跟踪波门内进行跟踪，波门的大小采用自适应设置。常用的跟踪算法有波门跟踪、图像匹配跟踪和多模跟踪算法，考虑到背景较简单，采用基于公式（１）的质心跟踪方案。把波门的中心Ｇ(ｘＧ,ｙＧ)和目标质心Ｔ(ｘＴ,ｙＴ)的偏差作为跟踪误差，通过ＲＳ－４２２接口输出给后续处理板来实时进行跟踪。
在跟踪过程中，目标的位置按照自身的运动方式不断变化着，同时目标也会出现被遮挡的情况。此时，需要对目标的运动轨迹进行预测，可以采用基于最小二乘法的综合预测器来预测[２]，认为目标的运动轨迹可以是直线和二次曲线的某种组合。即
f(ｋ＋１)＝Ｗfl(ｋ＋１)＋(１－Ｗ)fｑ(ｋ＋１) （５）
式中，fl(·）为线性预测器；fｑ(·）为平方预测器，Ｗ为权函数（０≤Ｗ≤１）。
权函数可以根据实时测得的平方预测器的误差而实时构成。当平方预测器误差较大时，则
增大权值，否则减小权值。线性和平方预测器的记忆点数Ｎ的选取要视具体工作情形而定。当特征量的变化不是太快时，Ｎ值应选得稍大些，这样也有利于抑制噪声的干扰；若特征量变化甚快，则Ｎ应选用较小的值。一般选择Ｎ≤５,当Ｎ＝２时，线性预测有利于跟上机动性较高的目标；当Ｎ＝５时，预测的目标运动轨迹比较平滑，有较强的抗干扰能力。
５ 实验结果
采用２５６×２５６大小、深度为８ｂ的连续１５０帧灰度图像进行试验，达到跟踪速度为２５帧／ｓ的实时跟踪效果，整个系统工作稳定、可靠、灵活且易于扩展。图３给出了跟踪的结果。
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