雙目三維定位的視頻運動 檢測控制系統(tǒng)設計

    目前，視頻運動控制卡的研究已經(jīng)成為熱點。本文針對TI公司的視頻高速處理芯片TMS320DM642，設計了對目標物體進行視頻實時跟蹤的運動控制卡。筆者希望通過本文分享DM642平臺應用中的一些經(jīng)驗。

1 系統(tǒng)方案與原理
    系統(tǒng)主要由視頻解碼器、CPLD采集控制、TMS320-DM642、視頻編碼器等部分組成。其總體框架如圖1所示。CCD攝像頭攝取視頻圖像，輸出標準 PAL制式的模擬視頻信號。視頻解碼器收到模擬視頻信號，將其轉(zhuǎn)換為標準格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流，由CPLD控制視頻解碼器將數(shù)據(jù)采集到高速緩存中暫存，避免了數(shù)字視頻數(shù)據(jù)長時間占用DSP外部總線。然后DSP的EDMA控制器通過DMA方式從高速緩存中將視頻數(shù)據(jù)搬運到SDRAM中，采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過 DSP圖像處理后，一方面通過視頻編碼器將圖像數(shù)據(jù)以PAL制式的模擬信號傳送給視頻轉(zhuǎn)換盒，然后通過USB接口連接PC，顯示跟蹤結(jié)果。另一方面， DSP通過串口發(fā)送與目標物體三維坐標相關的控制命令，從而控制驅(qū)動器操縱舵機，實現(xiàn)對目標物體的跟蹤與抓取。

2 圖像采集的CPLD控制
    系統(tǒng)采用CPLD控制視頻解碼器SAA7111A采集圖像數(shù)據(jù)，送到高速緩存。SAA7111A芯片提供了很多同步信號來實現(xiàn)系統(tǒng)工作同步，邏輯控制器對這些信號進行邏輯運算，完成同步控制。
    圖2為控制圖像采集的邏輯框圖。其中虛線框部分由CPLD完成。CPLD上電后，首先使D觸發(fā)器輸出為高電平，控制FIFO寫信號或門中的1路信號為高電平，這樣FIFO寫信號禁止，從而關閉圖像采集開關。行計數(shù)器和像素計數(shù)器處于等待計數(shù)狀態(tài)。待DSP、SAA7111A、EDMA和FIFO初始化完成后，由DSP發(fā)出啟動圖像采集的信號。在VREF為高電平且HREF為所要行時，行計數(shù)器開始計數(shù)，達到512行時行計數(shù)器復位。同時，在HREF為高電平且像素是想要的像素時，像素計數(shù)器開始計數(shù)，并在達到512個像素時計數(shù)器復位。經(jīng)過SAA7111解碼得到的PAL制式的圖像最大分辨率為720× 576，要求采集的圖像大小為512×512像素，只取其中部分像素。SAA7111A的像素時鐘LLC2頻率為13．5 MHz，作為CPLD的工作時鐘。由SAA7111A的時序圖可知，輸出圖像分為奇偶單場。奇偶單場中的VREF高電平都對應行有效，單場為288行 (288個HREF)；輸出VREF低電平表示場消隱信號，為25行(25個HREF)。由于單場為256行，要求采集圖像為512行，所以不采集單場有效行的前16行和后16行圖像數(shù)據(jù)。此處設計行計數(shù)器是用來達到取中間256行有效像素的目地。圖3為采集一場圖像的時序仿真圖。同樣，輸出的HREF高電平表示1行有效像素，為720個LLC2周期，每行要求只采集中間的512個像素。因此編寫像素計數(shù)器，目地是在HREF上升沿出現(xiàn)后，取中間的512 個像素作為有用的像素。

[!--empirenews.page--]

3 DSP的軟件系統(tǒng)設計
3．1 雙目視覺算法
    本文所采用的攝像機的空間關系如圖4所示。假設C1與C2攝像機的焦距相等，各內(nèi)部參數(shù)也相等，且2個攝像機的光軸平行，x軸重合。由于光軸與圖像平面垂直，故2個攝像機的圖像坐標系x軸重合，y軸平行。因此，將第1個攝像機沿其z軸平移一段距離后與第2個攝像機完全重合。

    當雙攝像機這樣配置時，2個攝像機坐標系只相差x軸方向上的1個平移，將平移距離1記為b。
    如圖4所示，O1O2為C1及C2坐標的x軸。PO1O2平面與2個圖像平面I1及I2的交線分別為E1和E2。由于2個圖像平面位于同一平面，則E1與 E2為該平面上的同一直線。又由于圖像平面平行于x軸，故E1和E2與x軸平行。P1和P2分別為O1P與I1，及O2P與I2的交點，則P1與P2分別在E1和E2上。事實上，一幅圖像上的任一點，在另一幅圖像上的對應點只可能位于1條特定的被稱為極線的直線上，而E1和E2就是此系統(tǒng)的2條極線。[!--empirenews.page--]
    假設C1坐標系為x1y1z1，C2坐標系為x2y2z2。在上述攝像機配置下，若任何空間點P的坐標在C1坐標系下為(x1，y1，zz)，在C2坐標系下為(x1-b，y1，z1)。由中心攝影的比例關系可得：

    可見，由P1與P2的圖像坐標(u1，v1)、(u2，v2)可求出空間點P的三維坐標x1、y2、z1。
    上述公式組中，b稱為基線(baseline)長度，(u1-u2)稱為視差(disparity)。分析表明，基線長度越長，x1、y1、z1的計算相對誤差越小。但基線長度不可太長，否則，由于物體各部分的互相遮擋，2個攝像機可能不能同時觀察到P點。視差是由于雙攝像機位置不同，使P點在圖像中投影點的位置不同引起的。由z1式可見，P點的距離越遠(即z1越大)，視差越小。事實上，當P點趨于無窮遠時，O1P與O2P趨于平行，視差趨于零。
3．2 嵌入式實時系統(tǒng)DSP／BIOS設置
    本文對嵌入式實時系統(tǒng)DSP／BIOS的配置分為4個部分：
    ①系統(tǒng)設置。配置系統(tǒng)的存儲器為外部SDRAM，并指定存儲地址。
    ②實時分析。指定調(diào)試函數(shù)，用于記錄系統(tǒng)運行時間和調(diào)試結(jié)果。
    ③任務調(diào)度。采用RF5框架，定義了4個執(zhí)行任務，分別完成視頻輸入、處理、控制、輸出。
    ④同步控制。用于完成上位機對目標物體的設定。
    系統(tǒng)DSP／BIOS設置如圖5所示。

[!--empirenews.page--]

    圖8中第1行為視頻跟蹤卡應用在由舵機搭建手臂上，對三維空間小球的實時跟蹤效果圖。第2行為視頻控制卡反饋回PC機的4路圖像：第1路為左攝像頭拍攝的真實圖像，第2路為右攝像頭拍攝的真實圖像，第3路為對第1路圖像中的小球進行顏色識別后圖像分割的效果圖，第4路為對第2路圖像中的小球進行顏色識別后圖像分割的效果圖。

結(jié) 語
    本文設計的視頻檢測運動控制卡，可以在三維空間內(nèi)準確定位目標物體，同時采用動態(tài)跟蹤的方式對目標物體進行夾取。采用DSP與CPLD相結(jié)合的方式，并嵌入實時DSP／BIOS操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)對視頻處理的速度。該系統(tǒng)定位準確，功耗低，適合應用于移動機器人等領域。