數(shù)字圖像穩(wěn)定是圖像序列處理中得一項(xiàng)重要的前處理步驟,。早期的方法是對攝像機(jī)本身的機(jī)械和光路進(jìn)行穩(wěn)定,，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，可以對采集到的圖像進(jìn)行處理,，使圖像在顯示器上能夠穩(wěn)定地顯示，同時也為了更好地為后續(xù)處理提供穩(wěn)定的圖像序列,，如圖像拼接,、圖像增強(qiáng)、信息融合,、目標(biāo)追蹤,、目標(biāo)識別等各種圖像處理技術(shù)的綜合運(yùn)用,。在實(shí)現(xiàn)實(shí)時圖像穩(wěn)定系統(tǒng)方面，由于圖像計(jì)算量大,，必須選用高性能數(shù)字信號處理器,。目前實(shí)現(xiàn)實(shí)時圖像處理的主要方式有4種：1)基于通用PC機(jī)；2)基于通用DSP,；3)基于專用或多DSP,；4)基于可編程FPGA或DSP+FPG。在通用PC機(jī)上可方便地進(jìn)行各種圖像算法的仿真試驗(yàn),，但是這種方法只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,，難以現(xiàn)場應(yīng)用。其中基于通用DSP這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于,，價格便宜,、資料豐富、開發(fā)相對簡單,，并且處理速度也隨著器件性能提高,，已經(jīng)能滿足圖像穩(wěn)定所需要的實(shí)時處理，形成脫機(jī)系統(tǒng),。針對實(shí)時數(shù)字圖像穩(wěn)定處理,，介紹一種采用高性能系列的DSP C6416，開發(fā)出一套數(shù)字圖像處理系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用雙口RAM作為高速數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖通道,，由CPLD進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯控制，DSP的EDMA完成數(shù)據(jù)的片內(nèi)片外傳送,，通過配置和軟件優(yōu)化,，最終完成了系統(tǒng)的高度實(shí)時運(yùn)行。

1       穩(wěn)像方法和步驟

         數(shù)字圖像穩(wěn)定處理過程主要由3部分組成：運(yùn)動矢量估計(jì)模塊(ME),，運(yùn)動矢量補(bǔ)償模塊(MC)和圖像序列合成模塊(IC),。通過ME模塊找到幀間運(yùn)動偏移，由MC模塊進(jìn)行圖像拼接完成運(yùn)動補(bǔ)償,，最后經(jīng)IC模塊進(jìn)行圖像剪裁輸出,。

         運(yùn)動矢量估計(jì)模塊中，通過比較當(dāng)前圖像和參考圖像中相同的部分,，找到兩幀圖像問的偏移量,，即運(yùn)動矢量，廣泛應(yīng)用于視頻處理與編碼,，如圖1所示,。

         圖1中用實(shí)線所畫的方框表示匹配塊，虛線所畫的方框表示搜索窗,。假定第k幀為當(dāng)前幀,，為了計(jì)算第k幀相對于第k-n幀的運(yùn)動偏移量,。在第k-n幀的中心位置選擇一個N×N像素大小的匹配塊，同時在第k幀上選擇一個M×M(M>N)大小的搜索窗,，搜索窗的中心位置與第k幀的匹配塊中心位置重合,，通過用式(1)比較兩幅圖像間所有相應(yīng)像素間絕對差的累和VSAD(Sum of Absolute Difference)，在搜索窗內(nèi)找出和匹配塊圖像最匹配的位置,，即VSAD最小值的位置,。該匹配位置坐標(biāo)和搜索窗中心點(diǎn)坐標(biāo)的相對位置(△x，△y),，即為兩幀圖像的偏移運(yùn)動矢量,。

        式中，分別為參考圖像和當(dāng)前圖像(i,，j)位置的像素強(qiáng)度,。

        獲得的圖像序列之間的運(yùn)動矢量參數(shù)后，糾正當(dāng)前圖像,，使其恢復(fù)到正確的位置,，獲得相對穩(wěn)定的圖像序列，然后送到相應(yīng)的顯示裝置或存儲介質(zhì),。

2       穩(wěn)像系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

        TMS320C6416是TI公司最新推出的高性能DSP,，該器件擁有8個并行處理單元，工作頻率為600 Hz,，最高處理速度可達(dá)4800M／s(MFLOPS),。采用類似RISC的超常指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，在最好的情況下,，TMS320 C64X系列的DSP在一個指令周期可同時執(zhí)行8條32位有效指令,，因此可以達(dá)到極高的處理性能。

2．1 系統(tǒng)組成
 

         為適合高速圖像采集與處理,，采用CPLD+DSP的應(yīng)用方案,，由于DSP只專注數(shù)據(jù)處、理,，但缺乏控制能力,，利用高速邏輯器件CPLD配合DSP完成實(shí)時任務(wù)控制與處理，是系統(tǒng)的最佳組合,。經(jīng)過比較,，選用XC95144XL作為CPLD控制器，主處理DSP TMS320C6416系列器件進(jìn)行圖像處理計(jì)算,。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

         該系統(tǒng)輸入輸出都為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號，設(shè)計(jì)采集圖像大小為512×512像素，速度為30～60幀／s的實(shí)時采集,。攝像頭輸入模擬視頻信號后，經(jīng)過SAA7110進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和信號分離后,，進(jìn)入輸入端高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū),。輸出端緩存中的數(shù)據(jù)，通過BT121進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換后,，合成為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號,，可直接送監(jiān)視器顯示。用邏輯器件CPLD控制系統(tǒng)的工作時序,。為適應(yīng)高速數(shù)據(jù)吞吐,，輸入輸出緩沖存儲器選用了雙端口RAM。

2．2 CPLD控制

         系統(tǒng)的邏輯控制器是100引腳的XC95144,，其主要工作是控制輸入／輸出幀存,，以便DSP將存在其中的處理好的圖像數(shù)據(jù)讀出，并在同步控制信號和消隱信號的協(xié)同下形成標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出信號,，送到監(jiān)視器顯示,。圖3給出了邏輯控制的原理框圖。

          CPLD的邏輯控制的工作包括：1)根據(jù)SAA7110分離出的同步信號,，經(jīng)過邏輯判斷后,，給出BT121需要的同步信號；2)由于SAA7110輸出的LLC2時鐘與采樣時鐘,、輸出時鐘是同步的,，因而以LLC2作為采樣數(shù)據(jù)存儲和同步控制子系統(tǒng)的時鐘，CPLD內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣計(jì)數(shù),，產(chǎn)生偏移地址,，以控制輸入／輸出緩沖讀寫數(shù)據(jù)，使用LLC2時鐘也避免了使用外部時鐘需要解決的信號相互間的同步和鎖相：3)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生控制中斷,，通知DSP啟動數(shù)據(jù)讀／寫EDMA通道和進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移,；4)低位地址A0和A1進(jìn)行譯碼產(chǎn)生Bank Enable信號，送到雙口RAM以進(jìn)行數(shù)據(jù)位選通,。由于輸入／輸出緩存具有對稱的硬件結(jié)構(gòu),，所以XC95144在進(jìn)行地址計(jì)數(shù)時，產(chǎn)生兩套相同Bank信號和地址偏移,，供輸入和輸出雙口RA-M,。

3       數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集與輸出

3．1 數(shù)據(jù)采集

        系統(tǒng)的設(shè)計(jì)視頻信號采集能力是從CCD獲得模擬視頻信號中采集到512×512大小的數(shù)字圖像，并通過幀緩存——異步靜態(tài)雙端口存儲器(dual-port RAM),，經(jīng)DSP的EDMA通道送到SDRAM中,。采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

       SAA7110的初始化通過I2C總線對其內(nèi)部控制寄存器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置而實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)將DSP上的McBSP(多通道緩沖串口)的兩個引腳與SCL和SDA相連,，將McBSP的引腳配置成通用I／O口,，這樣就能通過編寫DSP程序，在上電時通過DSP的多通道緩沖串口配置SAA7110,。

3．2 數(shù)據(jù)位拼接

        由于SAA7110和BT121都是8 bit精度器件,，而雙口RAM的每邊都是36 bit精度的存儲器，但雙口RAM的4個BANK通道,，每個BANK各9 bit,，共36 bit數(shù)據(jù)，可通過BEO～BE3信號選通,，因此只有將SAA7110和BT121的8 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接后才能送到雙口RAM,。由于雙口RAM的每個BANK都是9 bit，SAA7110和BT121的8 bit數(shù)據(jù)總線接在每個BANK的低8 bit,，忽略最高位第9位,，直接地，形成8 bit的數(shù)據(jù)精度,，完成不同數(shù)據(jù)精度位器件間的握手,。

3．3 數(shù)據(jù)輸出

         處理完的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器BT121進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后,，送到顯示器,，這個過程必須在嚴(yán)格的同步時鐘控制下進(jìn)行。SAA7110給出的同步信號包括水平同步,、垂直同步,、奇偶場和采樣時鐘，而BT121的同步信號只有空白信號(BLANK),、合成信號(SYNC)和轉(zhuǎn)換時鐘,。當(dāng)BLANK信號為1時，BT121才進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,，SYNC信號為1時才打開D/A通道,。所以，2個器件間的同步信號不能直接握手,，必須經(jīng)過一定的邏輯轉(zhuǎn)換,。S-AA7110的同步信號引腳接到CPLD，由CPLD經(jīng)過一定的邏輯運(yùn)算后,，送出符合BT121同步要求的信號,。

4       系統(tǒng)工作方法和優(yōu)化配置

4．1 系統(tǒng)工作方式

        系統(tǒng)上電后，DSP從Flash讀入1 K大小的程序數(shù)據(jù),，該引導(dǎo)程序繼續(xù)將其他主程序調(diào)入SDRAM中,，在以后的運(yùn)行過程中,，DSP自動將運(yùn)行所需程序從SDRAM裝入片內(nèi)存儲器。同時89C5l單片機(jī)對SAA7110進(jìn)行初始化,。當(dāng)DSP準(zhǔn)備就緒后,，通知CPLD開始控制向輸入端雙端口RAM寫入由S-AA7110采集的視頻圖像數(shù)據(jù)。輸入緩存的存儲空間分為奇,、偶場空間,，寫滿一場后向DSP發(fā)送中斷信號，DSP收到該中斷信號后以EDMA方式將數(shù)據(jù)讀入SDRAM等待處理,。在DSP讀走和處理該部分?jǐn)?shù)據(jù)時，CPLD繼續(xù)控制向輸入緩存的另一部分空間寫入下一場采樣數(shù)據(jù),。當(dāng)DSP處理完上一場數(shù)據(jù)后,，等待下一場視頻數(shù)據(jù)的寫滿信號。采用雙端口RAM作為系統(tǒng)的輸入輸出緩存,，有效地避免了讀寫訪問沖突和系統(tǒng)總線的沖突,，極大提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

4．2 配置L2 Cache和Memory的比例

        由于片內(nèi)RAM與CPU工作在同一時鐘頻率,，比片外RAM性能高得多,。C64的兩級緩存機(jī)構(gòu)工作特點(diǎn)為：片內(nèi)分為兩級存儲結(jié)構(gòu)(L1和L2)，L1不能設(shè)置為映射寄存器,。L1又分為L1P和L1D,，L1D指的是第1級的數(shù)據(jù)緩沖，為128 K字節(jié)的兩路成組相連結(jié)構(gòu)緩存,。L2是第2級片內(nèi)緩存,，大小為l 024 K(可同時存儲程序和數(shù)據(jù))。L1P和L1D都可以對L2進(jìn)行存取,，當(dāng)L1D或L1P中沒有運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)時(即產(chǎn)生cache miss時),，首先向L2發(fā)出申請，當(dāng)L2中也發(fā)生cache miss時,，將申請轉(zhuǎn)發(fā)給EDMA,。申請的轉(zhuǎn)發(fā)將嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行效率。所以根據(jù)算法數(shù)據(jù)流特性配置好兩極緩存的大小,，預(yù)先將待處理的數(shù)據(jù)讀入,，降低cache miss的次數(shù)以提高系統(tǒng)實(shí)時性。

        以塊匹配運(yùn)動估計(jì)為例,，匹配塊32×32 pixel=1 K字節(jié),，加上旋轉(zhuǎn)角度范圍：±7°，步長為O．2°,，共產(chǎn)生70個旋轉(zhuǎn)1 K的小圖像,；搜索窗為96×96 pixel=9 K字節(jié)，共10 K字節(jié)，所有待進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)的圖像數(shù)據(jù)為80 K,，完全可以讀入L2Cache,。這些數(shù)據(jù)可以用ODMA將數(shù)據(jù)全部讀入片內(nèi)L2。而這些數(shù)據(jù)是從一幀完整的圖像中“扣出”的,，所以搬移方式采用2D-1D的方式,，QDMA支持這種高效的數(shù)據(jù)傳輸能方法。

4．3 基于EDMA加快數(shù)據(jù)傳輸

        當(dāng)使用雙緩沖結(jié)構(gòu)的時候,，EDMA是另一種去除多余CPU開銷的重要機(jī)制,。利用EDMA，可實(shí)現(xiàn)片內(nèi)存儲器(L2SRAM),、片內(nèi)外設(shè),，以及外部空間之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。合理利用EDMA,，還可以提高程序性能,，由于圖像處理中的數(shù)據(jù)對象通常以8 bit為一單位，利用DMA的數(shù)據(jù)交織功能把來自圖像不同區(qū)域的4個數(shù)據(jù)并接為一個32位數(shù)據(jù),，大幅度地提高效率,。

         系統(tǒng)采用“乒乓”結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換，所以奇場和偶場的起始信號觸發(fā)EDMA通道中斷,，雖然傳送數(shù)據(jù)的源地址相同,，但目的地址卻不同。而C64的EDMA控制器提供了一種稱為連接(linking)的傳輸機(jī)制,，可以將不同的傳輸參數(shù)組連接起來,，組成一個傳輸鏈，為同一通道服務(wù),。在鏈中,，一個傳輸結(jié)束后，自動裝載下一次傳輸所需要的事件參數(shù),。根據(jù)這個特點(diǎn),，為每個EDMA通道配置兩組參數(shù)，用連接的方式完成“乒乓”結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)讀寫,。

5       算法程序優(yōu)化

        由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大,，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高,，并且具有嚴(yán)格的幀,、場時間限制，因此如何針對圖像處理的特點(diǎn)對DSP進(jìn)行優(yōu)化編程,，充分發(fā)揮其性能就成為提高整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵,。主要在下面方面的優(yōu)化方法提高C代碼的性能：

1)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù) C6000編譯器提供的內(nèi)聯(lián)函數(shù)(intrinsic functions),。內(nèi)聯(lián)函數(shù)是直接映射為內(nèi)聯(lián)的C6000指令的特殊函數(shù)，可以快速優(yōu)化C代碼,。

2)使用字訪問短型數(shù)據(jù) C6000的內(nèi)聯(lián)函數(shù)中的某些指令,，如_add2()是對存儲在32位寄存器的高16位和低16位字段進(jìn)行操作。當(dāng)對一連串短型數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時,，可使用字(整型)一次訪問2個短型數(shù)據(jù),，減少對內(nèi)存的訪問次數(shù)。

3)人工干預(yù)軟件流水 流水是用來安排循環(huán)指令,，并使這個循環(huán)的多次疊代并行執(zhí)行的一種技術(shù),，通過線性匯編指令，并行處理數(shù)據(jù)處理指令,。

         通過以上3種方法優(yōu)化,，程序執(zhí)行效率提高70％以上，表1中列出各種算法速度做50次運(yùn)算的平均值,。

         實(shí)際上，在程序優(yōu)化方面,，還有很多的工作可作,。另外，本實(shí)驗(yàn)室前期開發(fā)的基于TMS320C6711型DSP的圖像開發(fā)板,，工作頻率在200 MHz,，優(yōu)化后對256×256大小的圖像進(jìn)行10～13幀／s的圖像穩(wěn)定，尚不能達(dá)到實(shí)時,。而基于TMS320C6416的處理板,，不優(yōu)化就能達(dá)到18～22幀／s的處理速度，經(jīng)過簡單優(yōu)化后,，如提前進(jìn)行圖像塊旋轉(zhuǎn)并讀入片內(nèi),，展開循環(huán)，就能達(dá)到30幀／s的實(shí)時處理?，F(xiàn)已移植的算法包括：基于快速搜索的塊匹配法,、灰度級分層法、邊緣匹配法,，各種算法都完全能夠進(jìn)行實(shí)時運(yùn)行,。

6       結(jié)論

         該系統(tǒng)通過選用CPLD+DSP，既能保證系統(tǒng)的執(zhí)行速度,，也能保證可靠的邏輯控制,。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個比較完整的圖像采集、傳輸,、處理和送顯的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，由CPLD對系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯進(jìn)行控制,，通過對編寫在DSP上運(yùn)行的圖像處理程序進(jìn)行優(yōu)化后，能夠?qū)崿F(xiàn)大小為512×512像素圖像的實(shí)時穩(wěn)定,。該穩(wěn)像系統(tǒng)作為一個獨(dú)立的圖像處理系統(tǒng),，可完成多方面的圖像處理功能，也為其他基于DSP的圖像處理平臺的設(shè)計(jì)提供了參考,。

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