摘 要： 提出了一種新的基于多片TMS320C6414 DSP的EMIF與HPI接口互聯(lián)" title="互聯(lián)">互聯(lián)并與McBSP接口互聯(lián)構成松耦合級聯(lián)的多" title="的多">的多DSP并行流水處理平臺。通過與大規(guī)模的可編程邏輯器件FPGA的配合使用，設計實現(xiàn)了一套具有高實時性" title="實時性">實時性、良好的擴展性和多擴展接口等特點的多DSP實時紅外目標" title="紅外目標">紅外目標跟蹤系統(tǒng)。
關鍵詞： TMS320C6414 外部存儲器接口 主機接口 多通道緩沖串行口 多DSP 目標跟蹤
隨著信號處理技術的發(fā)展，各種信號處理算法的復雜性和計算量飛速增長，同時對整個處理系統(tǒng)的實時性要求也大大提高。在紅外和雷達目標跟蹤領域，雖然不斷出現(xiàn)各種優(yōu)化后的算法，但其運算量仍然非常驚人，這使傳統(tǒng)的由單DSP構成的處理系統(tǒng)難以負荷，因而對復雜的信號處理算法進行分塊并在硬件系統(tǒng)上采取多DSP并行處理的方法勢在必行。
TMS320C64x是TI公司C6000平臺上具有最高性能的定點DSP，具有第二代的超長指令字(VLIW)結構。其內(nèi)部有8個相互獨立的功能單元，擁有二級程序和數(shù)據(jù)緩存。對于最新的C64x，其最高工作頻率為1GHz，具有8000MIPS的運算能力。此外，C64x具有豐富的外設資源：16/64位的外部存儲器接口EMIFA/EMIFB，16/32位的HPI接口，3個多通道緩沖串行口(McBSP)等。
本文提出了一種以多片TMS320C6414 DSP為信號處理單元，采用EMIF與HPI接口互聯(lián)并與McBSP接口互聯(lián)構成了松耦合級聯(lián)的多DSP并行流水處理平臺，通過與大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA的配合使用，設計實現(xiàn)了一套具有高實時性、良好的擴展性和多擴展接口等特點的多DSP紅外目標跟蹤系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)結構設計與實現(xiàn)
紅外目標跟蹤系統(tǒng)主要由預處理模塊" title="處理模塊">處理模塊、圖像處理模塊和圖像輸出模塊構成。此外，系統(tǒng)還需要通過擴展的多路422/485串行接口與其他系統(tǒng)實時通信及人機交互，因此在硬件設計上要兼顧處理實時性和接口靈活性。
在硬件結構上，為了減少體積以利于便攜式應用，系統(tǒng)采用多塊大小相同的電路板(70mm×70mm)的松耦合級聯(lián)的拓撲結構；在板間連接上，系統(tǒng)采用多塊電路板疊加的塔式結構。這樣，在每塊板上都利用DSP或FPGA構成最小硬件系統(tǒng)，上級模塊可以通過訪問下級模塊的HPI口或內(nèi)部地址映射空間進行數(shù)據(jù)通信，從而減少模塊間的耦合且使各自的功能獨立開。系統(tǒng)組成結構如圖1所示。
預處理模塊針對由熱像儀輸入的數(shù)字圖像信號，采取了FPGA加兩片SDRAM乒乓工作的結構對圖像進行濾波，以抑制圖像的背景和噪聲，然后通過訪問DSP的HPI接口將數(shù)據(jù)存放在DSP處理模塊1的本地SDRAM。
圖像處理模塊是整個紅外目標跟蹤系統(tǒng)的核心，它主要負責在各種工作模式和方式下的目標檢測、跟蹤及人機交互。當收到預處理模塊處理完畢中斷信號，DSP處理模塊1開始進行目標檢測、識別等算法處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過本地EMIFB口和DSP處理模塊2的HPI口送到DSP處理模塊2的SDRAM，再由DSP2完成目標跟蹤等剩余算法處理，最終將處理完的結果輸出給圖像輸出模塊顯示。整個過程中，當本級模塊在處理當前幀圖像數(shù)據(jù)時，上級模塊可以同時進行下一幀圖像數(shù)據(jù)的處理，這樣整個系統(tǒng)就可以實現(xiàn)并行流水處理，從而達到系統(tǒng)的最佳性能。
在每一級算法處理結束后，可以通過擴展后的422/485接口將定位或跟蹤結果送出，也可以接收更新的工作參數(shù)和狀態(tài)命令字等內(nèi)容。而DSP處理模塊1與DSP處理模塊2之間還可以通過互聯(lián)的McBSP口同步系統(tǒng)參數(shù)和共享數(shù)據(jù)結果。
圖像輸出模塊采用了與預處理模塊相同的乒乓結構以保證視頻信號的實時輸出。區(qū)別在于加入了PAL制模擬視頻信號輸出芯片。
如圖1，兩個DSP處理模塊是完全相同的基于C6414構成的處理模塊。這是因為C6414豐富的外設資源使得處理模塊的接口非常靈活，既可以通過HPI接口通信，也可以利用高速的McBSP接口通信，這非常有利于系統(tǒng)的擴展。假定系統(tǒng)當前的算法需要添加一個新的處理模塊，只需要再插入一個新的相同的DSP處理模塊即可，依次類推，系統(tǒng)最終可擴展為如圖2所示的結構。
可以看出，每個模塊都利用了SDRAM對圖像幀進行緩存，以保證足夠的存儲空間和運行速度，并且在各模塊間充分利用了并行流水的硬件設計特點，從而使整個系統(tǒng)的運行速度得以提高。
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2 系統(tǒng)工作流程及算法實現(xiàn)
本系統(tǒng)主要用于對紅外目標的搜尋、檢測和跟蹤，可以實時地從熱像儀讀入并行的數(shù)字圖像信號，對圖像進行實時處理以檢測和跟蹤目標，并將目標的位置和運動信息輸出。此外，系統(tǒng)還可以通過多路422/485串行接口進行實時通信和人機交互，如根據(jù)需要配置工作參數(shù)和狀態(tài)命令等。基于以上要求的系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。
(1)預處理模塊
預處理模塊首先基于式(1)去除圖像背景起伏的干擾，G(x，y)為圖像處理后灰度結果，F(xiàn)(x，y)為處理前灰度值，F(xiàn)mean為圖像均值；再將處理結果通過一個5×5的高通卷積模板H構成的高通濾波器完成預處理算法。
(2)圖像處理模塊
為完成目標的檢測識別，圖像處理模塊需要進行圖像分割以進一步得到目標信息。系統(tǒng)采取了基于式(3)的閾值進行自適應閾值分割。其中，v為分割閾值，F(xiàn)mean為圖像均值，μ為常數(shù)，σ為圖像的均方差。這種方法在DSP中實現(xiàn)簡單，可有效提取目標信息。
v=Fmean+μ·σ?????????????????????????????????? (3)
目標跟蹤首先針對目標質(zhì)心提取模板，采用序貫相似性檢測算法(SSDA)對當前幀圖像進行匹配并計算相關置信度。當置信度較高時根據(jù)匹配點更新模板并擬合目標運動曲線，以此推算下幀圖像相關匹配的初始搜索位置。
3 試驗結果
試驗中采用的輸入圖像信號來自熱像儀，格式為14位的數(shù)字圖像信號，分辨率為320×240/幀，逐行掃描，像素時鐘為12MHz/16MHz，跟蹤狀態(tài)下的幀周期為20ms，垂直搜索狀態(tài)下的幀周期為60ms，搜索狀態(tài)下(邊掃邊跟狀態(tài)下)每86ms(91ms)連續(xù)輸出4幀圖像信號，每幀間隔7.74ms(9.34ms)。圖4給出了試驗狀態(tài)時目標檢測識別后的結果。
本文采用多片TMS320C6414 DSP及FPGA互聯(lián)構成松耦合級聯(lián)的多DSP并行實時紅外目標跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)具有良好的實時性、擴展性及適用性，配合目標檢測跟蹤算法，可以從背景中有效提取目標。
參考文獻
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