摘要：信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對多媒體圖像處理的要求越來(lái)越迫切，文章通過(guò)借鑒嵌入式系統在信號處理、電子技術(shù)和計算機等領(lǐng)域的成功應用經(jīng)驗，在分析機器視覺(jué)系統特點(diǎn)的基礎上，將機器視覺(jué)和嵌入式技術(shù)相結合，設計一種基于嵌入式處理器TMS320C6205的圖像識別系統。介紹了系統工作原理和特點(diǎn)，給出了系統硬件結構圖和軟件的實(shí)現方案，實(shí)驗結果顯示，圖像識別系統在光照比較好的條件下，能取得令人滿(mǎn)意的效果。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統 ；TMS320C6205 ；圖像識別 ；pSOS+

   由于數字計算技術(shù)及相應的信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，近幾十年來(lái)數字圖像處理技術(shù)發(fā)展非常迅速，并在科學(xué)研究、工農業(yè)生產(chǎn)、資源的遙感探測、煤礦井下安全、醫療衛生、航天探索等各個(gè)領(lǐng)域內應用越來(lái)越廣泛。在以往的嵌入式設備中，由于受到處理器運算速度及內存大小等硬件條件的限制，不適合對圖像進(jìn)行復雜的處理。目前，隨著(zhù)芯片技術(shù)特別是低價(jià)位多功能處理器的發(fā)展，在嵌入式系統中對視頻進(jìn)行處理成為可能。針對嵌入式系統領(lǐng)域的這一新特點(diǎn)，提出了一種在嵌入式系統上進(jìn)行圖像識別處理的方案。

    1 嵌入式系統中圖像識別特點(diǎn)

    機器視覺(jué)是目前智能機器人領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一，涉及光電子學(xué)、圖像處理、模式識別及計算機技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，內容極為廣泛。機器視覺(jué)中圖像處理與目標識別的特點(diǎn)是處理數據量大、計算復雜，對算法的實(shí)時(shí)性和精度要求高。

    在嵌入式系統中進(jìn)行圖像識別對內存有嚴格要求。因為圖像的信息量本來(lái)就很大，而且在對圖像進(jìn)行識別時(shí)還要開(kāi)辟多個(gè)緩沖區來(lái)保存連續的幾幀圖像信息和中間的運算結果信息等[1]。如一幅352×288，24位色圖像約300KB空間，在對視頻流中目標進(jìn)行識別時(shí)最少要開(kāi)辟三個(gè)緩沖區，其中兩個(gè)緩沖區用來(lái)保存從視頻流中得到的圖像，一個(gè)緩沖區個(gè)來(lái)保存中間計算結果。此外還要為操作系統預留足夠內存空間。便于系統的進(jìn)一步升級，系統采用了32M內存。

    2 系統硬件設計方案

    系統選用TMS320C6205(簡(jiǎn)稱(chēng)6205)作為處理器，EMIF接口擴展了ASRAM和FLASH。存儲圖像的ASRAM選用容量為8Mbits的GS78132B，其存儲格式為256K×32bits，可以存儲兩幅512×512×16bits的圖像；存儲運算參數的ASRAM也選用GS78132B，用于存儲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的訓練數據、濾波器系數和運算過(guò)程的中間結果。它們在EMIF中的存儲器空間分別為CE0和CE2。FLASH選用容量為8Mbits的AM29LV800，用于存儲引導程序和應用程序，它在EMIF中的存儲器空間為CE1。6205用McBSP與SAA7111的I2C總線(xiàn)接口連接(將McBSP設置成通用I/O口，用軟件實(shí)現I2C協(xié)議)，通過(guò)I2C對SAA7111進(jìn)行控制。SAA7111輸出的數據直接存儲到GS78132B，存儲過(guò)程中的地址和控制信號由FPGA根據SAA7111的時(shí)序產(chǎn)生。

    整個(gè)嵌入式圖像識別處理系統主要由FLASH、SDRAM，TM1300，CCD攝像頭和視頻編碼器SAA7111組成^[2]。

   圖像采集前端處理器采用PHILIPS公司的SAA7111，它是Philips公司的以PC為平臺的可編程視頻輸入處理芯片。利用其同步信號vref、行同步參考信號href、奇偶場(chǎng)標志信號rtso、像素時(shí)鐘信號llc2就可以完成圖像信號的抽取、數據線(xiàn)服用以及中斷邏輯的產(chǎn)生。SAA7111解碼輸出的是720×576分辨率的圖像，通過(guò)邏輯控制，可以分別采樣720×576，360×288，180×144等格式圖像，從而滿(mǎn)足不同信道的應用需求。同時(shí)，通過(guò)對SAA7111的輸出信號進(jìn)行邏輯綜合產(chǎn)生的DSP的DMA觸發(fā)事件，保證圖像數據的實(shí)時(shí)不丟失采集存儲。

    以處理器TMS320C6205和視頻解碼器SAA7111為核心集成一個(gè)高性能的多媒體處理系統。其系統配置圖如圖1所示。
            
                       
                                                  圖1 系統配置圖

    3 系統軟件實(shí)現方案

   系統中采用pSOS+實(shí)時(shí)操作系統。pSOS+內核是一個(gè)高效的微內核，用來(lái)調度、管理和分配資源，協(xié)調各種異步的任務(wù)和事件[3]。TMS320C6XXX系列具有豐富的芯片支持函數庫(ChipSupport Library)，處理器有一個(gè)穩定的、開(kāi)放的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境(SDE:Software Development Environment)，因此我們可以運用C/C++高級編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)高效的多媒體應用程序。應用程序在SDE環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，其主要是對實(shí)時(shí)視頻中的運動(dòng)目標進(jìn)行識別和提取。整個(gè)流程分為系統初始化，背景提取，目標識別和識別結果處理四個(gè)步驟。

   3.1 系統初始化

    pSOS+系統中，一個(gè)應用程序就是一個(gè)任務(wù)。任務(wù)要管理自身的系統資源，如處理器、輸入輸出、內存等。應用程序需要對系統硬件資源進(jìn)行初始化，系統初始化的主要源代碼：

    procGetCapabilities(&cap);

    _Cache_Copyback((char *)viBuf[i].Y,szY);

    IcpOpen(&icpInst,&icpInstSup);

    IcpLoadCoff(icpInst,NULL);

    ViGetAdapterVideoStandard(viInst,adapterType,0,&videostandard);

    ViInstanceSetup(viInst,&viInstup);

    ViYUVSetup(viInst,&viYUVInstSup);

    初始化代碼主要是返回處理器的信息；內存拷貝；為ICP(圖像協(xié)處理器)指派一個(gè)實(shí)例，為操作準備ICP；用過(guò)濾系數加載ICP；得到解碼器上指定適配器的顏色標準；設置和改變實(shí)例參數；初始化主板上的解碼器，設置和改變YUV操作模式的參數。

    3.2 背景提取

    背景圖像作為圖像識別的參考幀，選擇一幅高質(zhì)量的背景圖片對整個(gè)系統的識別準確率有很大影響。在上電時(shí)系統不夠穩定，從攝像頭采集的圖像數據噪聲很大，用均值濾波（求和取平均）的方法來(lái)除去它，得到穩定的背景圖像。系統初始化后隔一秒從攝像頭提取五幀圖像，對其取平均，得到均值圖像。然后再從攝像頭取一幀圖像（即當前幀）與均值圖像相減得差值圖像。根據差值圖像的特點(diǎn)可判斷系統是否已開(kāi)始正常工作。背景提取流程如圖2所示。

    在沒(méi)有運動(dòng)目標的情況下差值圖像的值應該全為零，由于圖像有噪聲，所以系統的實(shí)際差值會(huì )比較小。因此設定一個(gè)閾值跟這些差值進(jìn)行比較，如果超過(guò)閾值的差值點(diǎn)數小于整幅圖像點(diǎn)數的千分之一，則認為噪聲信號不是很?chē)乐?，當前幀可以作為背景，否則表明從攝像頭進(jìn)來(lái)的圖像受干擾嚴重，不能用來(lái)進(jìn)行處理，要重復以上過(guò)程，直到取得滿(mǎn)意的背景幀。
  
         
                              圖2 背景提取流程                           圖3 圖像識別流程圖     

    3.3 圖像識別

    圖像識別是從運動(dòng)視頻中識別出活動(dòng)目標。為了改善圖像輸出，對從攝像頭取得的圖像進(jìn)行灰度變換?；叶茸儞Q就是通過(guò)一個(gè)斜率k來(lái)作兩個(gè)區域的線(xiàn)性變換。如果圖像偏暗（灰度集中在較暗區域），使斜率K>1來(lái)改善，如果圖像灰度集中在較亮的區域而使圖像偏亮，則使k<1來(lái)改善。

    使模糊的圖像變得更加清晰，圖像中物體的輪廓更加明顯，需要對圖像進(jìn)行銳化。圖像銳化有微分法和高通濾波法。采用微分法的梯度銳化直接用梯度值來(lái)表示圖像。這樣在圖像變化緩慢的地方，其值很小，而在圖像線(xiàn)條輪廓等變化較快的地方，其值很大。

    要得到運動(dòng)物體的輪廓，必須對視頻中的連續幀進(jìn)行處理。應用程序對當前捕獲幀和背景圖像都進(jìn)行灰度變換、圖像銳化后；對它們作差分，得到差值幀；再對差值幀進(jìn)行中值濾波和二值化處理得到二值化圖像。中值濾波會(huì )使圖像變的較模糊，但它同時(shí)也能抑制干擾較大的圖像噪聲，為進(jìn)一步的處理作準備。二值化通過(guò)設定閾值來(lái)消除干擾較弱的圖像噪聲。圖像中可能會(huì )有一些受干擾嚴重，相對孤立的點(diǎn)，這些點(diǎn)如果存在，對下一步求運動(dòng)物體矩形框會(huì )產(chǎn)生不良的影響。解決方法是對二值化圖像進(jìn)行掃描，如果其中某點(diǎn)周?chē)陌藗€(gè)點(diǎn)都為黑，則把該點(diǎn)值設為零，這樣就除去二值化圖像中的一些零散點(diǎn)。把經(jīng)過(guò)處理后的二值化圖像進(jìn)行聚類(lèi)，即相同的點(diǎn)成一類(lèi)，記下點(diǎn)的坐標，即點(diǎn)在圖像數組中的位置。然后遍歷圖像中代表著(zhù)運動(dòng)物體的點(diǎn)的坐標，算出運動(dòng)物體的最大矩形框，記下框高。至此，活動(dòng)視頻中的運動(dòng)目標就用矩形框鎖定。圖像識別流程如圖3所示。

   3.4 識別結果處理

   實(shí)際應用中，選擇感興趣的、效果最好的、最重要的目標圖片保存。根據系統中可用存儲器的大小和存儲目標圖片的質(zhì)量，確定系統所存儲圖片的數量。圖像識別系統感興趣的目標是人，同時(shí)要兼顧目標圖像足夠的清晰度，所以選擇活動(dòng)目標高度至少要大于1/4整幅圖像高度的圖像幀進(jìn)行保存。在存儲器可用空間，為了更新目標圖像，采用的方法是從所有已保存的圖像中去掉目標框高最小的圖像。識別結果處理流程如圖4所示。
   
                       
                                       圖4 識別結果處理流程圖   

                     
                                        圖5 圖像識別系統實(shí)驗
                 
    4 實(shí)驗結果

    圖像識別系統實(shí)驗過(guò)程如圖5所示，識別結果顯示，系統在光照比較好的條件下對活動(dòng)視頻中的人、小車(chē)等運動(dòng)目標識別比較成功，能取得令人滿(mǎn)意的效果。但在光線(xiàn)很暗，或者雷雨天，識別效果不很理想，進(jìn)一步完善識別技術(shù)將是深入研究的課題。

    參考文獻:

    [1] 王新成. 高級圖像處理技術(shù)[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

    [2] 操勇,毛勇.TM1300嵌入式多媒體網(wǎng)絡(luò )通信系統的設計與實(shí)現[J].電子技術(shù)應用,2003.

    [3] 鄭更生,謝治平,賀貴明. 基于實(shí)時(shí)多處理器操作系統內核的視頻終端研究[J]. 計算機工程,2004 ,30(18 ):146-148.

    朱艷芹（1982-）

    女，湖北鄂州人，武漢工程大學(xué)2005級檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置專(zhuān)業(yè)碩士研究生，現任惠州經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系電子教研室專(zhuān)任教師、講師。  

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第四期