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目前，一般機器視覺(jué)信息處理平臺主要有： （1）基于通用PC ：主要是用軟件實(shí)現圖像處理和識別，能夠提供中等的圖像處理和識別能力，但是要占用CPU過(guò)多的處理能力； （2）基于通用DSP芯片：優(yōu)點(diǎn)是設計簡(jiǎn)便、靈活，特別適合于新型產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)； （3）基于可編程FPGA：采用的是硬件描述語(yǔ)言（VHDL），用其開(kāi)發(fā)圖像處理算法難度較大。 機器視覺(jué)中，圖像處理與識別技術(shù)的特點(diǎn)是處理的數據量大，計算復雜，計算中間結果精度要求高，具有大量的乘法運算，并且在實(shí)現機器人視覺(jué)方面實(shí)時(shí)性要求較高；而DSP具有運算速度快，精度高，有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，可實(shí)現單周期乘法與累加的運算等特點(diǎn)，所以特別適合運用在對實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。DM642是TI公司推出的專(zhuān)門(mén)用于處理視頻圖像和語(yǔ)音的微處理器，具有速度快，并行處理能力強等特點(diǎn)，非常適合于圖像實(shí)時(shí)地處理與識別。 1 TI DM642 DSP簡(jiǎn)介 DM642是德州儀器（TI）公司最新推出的針對多媒體處理領(lǐng)域應用的DSP。DM642建立在C64x DSP核心架構基礎上，采用德州儀器公司開(kāi)發(fā)的第二代高性能長(cháng)指令架構VelociTI.2TM，其每個(gè)乘法器對于每個(gè)時(shí)間周期內可執行兩個(gè)16位乘以16位的乘法或者四個(gè)8位乘以8位的乘法。另外六個(gè)算術(shù)邏輯單元，在每個(gè)時(shí)間周期內可執行兩個(gè)16位或8位的加減、比較、移位等運算。在并行架構下，每個(gè)時(shí)間周期最高可執行八個(gè)指令，且在600MHz頻率下，DM642每秒可執行24億次16位的乘累加或48億次8位的乘累加。在這種強大運算能力下，對于復雜度較高與數據量較大的視頻編碼以及圖像處理可進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據運算，并提供相關(guān)的指令集，例如圖像與視頻處理庫（Image and Video Processing Library），讓開(kāi)發(fā)者能夠更加容易的開(kāi)發(fā)圖像或視頻的相關(guān)產(chǎn)品。 2 系統的總體設計思路 由于圖像識別算法的設計需要大量的測試和分析，而直接在嵌入式環(huán)境下對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)以及調試都相對比較困難，因此，本文針對DSP開(kāi)發(fā)圖像識別算法，總體設計思路和開(kāi)發(fā)步驟為視覺(jué)處理的相關(guān)算法首先在PC平臺上進(jìn)行驗證和實(shí)現，進(jìn)而移植到DSP平臺上，并加以?xún)?yōu)化。 2.1 系統的硬件結構設計 本文硬件平臺系統原理框圖如圖1所示：攝像機選用普通的PAL制式彩色攝像機，解碼芯片采用TVP5150；外擴2個(gè)大小為4MX32位的SDRAM。外擴的FLASH大小為4MX8位；RS-232電平轉換芯片選用TL16C752BPT；TVP5150A是一種超低功耗的NTSC/PAL/SECAM的視頻解碼芯片，可以把NTSC/PAL/SECAM轉換成8-bit ITU-R BT.656格式。 圖1 系統硬件原理圖 2.2 系統的軟件流程設計 下面以機器視覺(jué)中比較典型的問(wèn)題――門(mén)牌號識別為例，介紹DM642在機器視覺(jué)中的應用。門(mén)牌號識別算法主要功能模塊如圖2所示。 圖2軟件功能模塊流程圖 3 視覺(jué)相關(guān)算法在PC平臺上的驗證與實(shí)現 門(mén)牌號識別算法方案確定后，需要在PC平臺上進(jìn)行驗證，測試其實(shí)際效果，調整相關(guān)參數，為算法移植到DSP平臺上實(shí)現做好準備。本文使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual C++，充分利用微軟基本類(lèi)庫（MFC），從而加快開(kāi)發(fā)速度、提高開(kāi)發(fā)效率。本文為了測試識別算法，開(kāi)發(fā)了基于MFC的測試平臺，前端的圖像采集部分主要利用VFW。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的數字樣本通過(guò)文件菜單加載進(jìn)去，訓練后的輸入層到隱含層的權值保存在wih.txt中，隱含層到輸出層的權值保存在who.txt中。 4 視覺(jué)識別算法在DSP平臺上的實(shí)現 在上文算法驗證基礎上，可進(jìn)一步實(shí)現基于DM642的門(mén)牌識別系統。根據PC平臺與DM642平臺的不同，程序移植主要注意以下幾個(gè)問(wèn)題： （1）刪除或替換DSP不支持的C函數 PC平臺上所有使用MFC的代碼一律刪除，因為DSP不支持任何MFC的類(lèi)和對象。 （2）變量的存取方式調整 在DM642中程序按段存儲，主要包括.text、.cinit、.switch、.bss、.far、.stack、.system等。CCS的C編譯器支持兩種內存模式：大內存模式和小內存模式。不同的內存模式影響對.bss段變量的訪(fǎng)問(wèn)。程序中的全局和靜態(tài)變量都分布在.bss段內，小內存模式下其總和不超過(guò)32KB。由于程序的全局變量和靜態(tài)變量已經(jīng)超過(guò)32KB，所以應采用大內存模式，即在編譯選項中設置為-ml3。 （3）更改數據類(lèi)型 PC機平臺上long型是32位的，而DSP的long型是40位的。因為DM642通用寄存器為32位，訪(fǎng)問(wèn)40位數據時(shí)需要對兩個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從節省程序運行時(shí)間的角度考慮，應把程序中所有的long型改成INT32或UINT32。 （4）存儲空間的分配 在進(jìn)行存儲空間分配前必須了解芯片內外的存儲空間的大小，編譯后的C程序“跑飛”往往是超出存儲區訪(fǎng)問(wèn)允許范圍造成的；另外，還需注意堆棧的分配，在程序“跑飛”時(shí)注意檢查是否發(fā)生堆棧溢出。 4.1 存儲空間的分配 在本系統中，內存空間包括：DM642的256KB字節的二級緩存L2，可部分或全部作為SRAM存儲空間，存取速度快；32MB字節的SDSRAM片外內存，存取速度慢。內存使用的一個(gè)原則是應盡量把數據和代碼放入片內內存。但由于片內內存容量的限制，往往不可能將所有數據和代碼都放入片內存，而將編程過(guò)程中頻繁使用的一些關(guān)鍵數據（如濾波的模板、圖像二值化的閾值、圖像提取的閾值、門(mén)牌傾斜的角度等）放入片內保存。片外SDRAM中主要放置圖像數據（如圖像采集的數據等）。 在本系統程序存儲器的分配中，capChaAYSpace存放采集的圖像的亮度信號Y；capChaACbSpace存放采集的圖像的色度信號Cb；capChaACrSpace存放采集的圖像的色度信號Cr；WEIGHT存放小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )訓練好的權值；INPUT 存放小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )輸入值，即特征化后的圖像數據；tempYbuffer、tempY1buffer和tempY2buffer主要存儲各個(gè)算法模塊處理前和處理后的數據。 4.2 系統程序的實(shí)現 程序的實(shí)現部分主要包括圖像采集部分的實(shí)現和圖像處理與識別算法的實(shí)現。 圖像采集部分的程序是通過(guò)設置在視頻端口控制寄存器（VPCTL）中的TSI(transport stream interface)位和在視頻捕獲通道控制寄存器（VCxCTL）中的CMODE位以選擇視頻捕獲的模式。本文選擇的是8-Bit ITU-R BT.656捕獲模式，主要是因為選用的解碼芯片TVP5150支持BT.656格式。本文只需要處理YCbCr中的亮度信號Y。圖像采集部分主要過(guò)程是：PAL攝像頭通過(guò)TVP5105解碼器產(chǎn)生BT656格式的數據流，然后通過(guò)EDMA傳送給SDRAM。BT656格式為隔行掃描，每幀實(shí)際圖像大小為720×576，每幀分為奇偶兩場(chǎng)，奇場(chǎng)的行數范圍為0-288，偶場(chǎng)為289-576。為了提高實(shí)時(shí)性；在本文中只取奇場(chǎng)的數據，即程序只處理0-288行。在識別算法實(shí)現部分中，本文列出了圖像經(jīng)過(guò)各個(gè)算法功能模塊的結果。圖像顯示的設置在CCS中路徑為view->graph->image。 下面以門(mén)牌號523為例說(shuō)明基于DSP的圖像處理的各個(gè)過(guò)程：通過(guò)攝像頭采集原始門(mén)牌圖像，其中視頻流采用BT.656標準，隔行掃描。每一幀的大小為720×576。在這里只取奇場(chǎng)的數據，即圖3(a)的大小為720×288，可以看出圖像質(zhì)量并沒(méi)有明顯的下降；圖3(b)為二值化后的圖像，主要是根據直方圖信息選取閾值，具有較好的效果；圖3(c)為傾斜度校正后的圖像；圖3(d)為歸一化后的圖像，此圖像是被放大后的圖像，原圖像的大小為8X16；圖3(e)為特征提取后的結果，本文主要是把數組中的數據提取出來(lái)，然后進(jìn)行編排，從而便于理解。 實(shí)驗結果表明本文設計的系統識別單個(gè)門(mén)牌數字準確率達到100％，識別3個(gè)數字門(mén)牌識別率為90％以上。 4.3 代碼的優(yōu)化 本文系統中涉及的識別算法具有數據量大，計算復雜，二重循環(huán)多等特點(diǎn)。在沒(méi)有優(yōu)化前，系統資源利用率低、運行速度慢、遠遠沒(méi)有達到系統實(shí)時(shí)性的要求。本文通過(guò)代碼優(yōu)化技術(shù)使系統具有較好的實(shí)時(shí)性，具體包括開(kāi)發(fā)C/C++代碼、優(yōu)化C/C++代碼和編寫(xiě)線(xiàn)性匯編代碼等幾個(gè)階段。 5 結束語(yǔ) 本文提出的基于DM642的機器人視覺(jué)系統完成了以下基本功能： （1）在走廊中實(shí)現機器人的自定位和目標定位功能； （2）在走廊中可以實(shí)現對操作者和典型障礙物的識別功能。 本文的創(chuàng )新點(diǎn)主要體現在以下2個(gè)方面： （1）實(shí)現了基于DSP平臺的門(mén)牌識別和優(yōu)化，有效地提高了系統的目標的識別速度； （2）探索了基于圖像識別技術(shù)、RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)相融合的自主移動(dòng)機器人的機器視覺(jué)系統，這種方法有效地提高了系統的可靠性和魯棒性。 實(shí)際應用表明，本文設計的機器視覺(jué)系統具有較好的合理性和實(shí)用性。 |
