馬紅艷，張福欣，翟春艷，岳修正

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

在機(jī)載電視紅外攝像與瞄準(zhǔn)過(guò)程中，由于電視紅外攝像框架的橫滾運(yùn)動(dòng)而引起光學(xué)系統(tǒng)和成像器件相對(duì)載機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而造成圖像的旋轉(zhuǎn)；在許多光學(xué)瞄準(zhǔn)器、紅外吊艙系統(tǒng)以及測(cè)量定標(biāo)系統(tǒng)中，為了消除由于探測(cè)器的姿態(tài)變化而引起的圖像旋轉(zhuǎn)，時(shí)常要對(duì)光學(xué)探測(cè)器所獲取的目標(biāo)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)反旋轉(zhuǎn)變換，恢復(fù)圖像的穩(wěn)定狀態(tài)，以便準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和跟蹤[1]?？紤]到實(shí)時(shí)性，目前文獻(xiàn)[1-3]基本上都是以FPGA為核心設(shè)計(jì)的，這里提出一種基于TMS320C6713B的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻消旋系統(tǒng)，將仿射變換計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用到系統(tǒng)中，有效地消除了視頻圖像的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了穩(wěn)定圖像的目的。

1 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

對(duì)圖像進(jìn)行消旋，實(shí)際上是根據(jù)已知圖像的旋轉(zhuǎn)角度，將該圖像按照同樣的角度進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到消除圖像旋轉(zhuǎn)影響的目的。因此，圖像消旋算法的本質(zhì)是圖像的旋轉(zhuǎn)計(jì)算，即由原圖像旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度得到目標(biāo)圖像。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，假設(shè)載體的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致連續(xù)兩幀圖像間存在的全局運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為平移和繞光軸的旋轉(zhuǎn)，也即連續(xù)兩幀圖像間可以用線性變換來(lái)表征。因此，采用仿射變換[4]來(lái)建立圖像運(yùn)動(dòng)模型。

若（X1，Y1），（X2，Y2）分別是參考幀與當(dāng)前幀圖像中相互對(duì)應(yīng)的配準(zhǔn)點(diǎn)，則它們之間的運(yùn)動(dòng)表達(dá)式

式中，θ是配準(zhǔn)點(diǎn)之間的旋轉(zhuǎn)角△X，△Y分別為配準(zhǔn)點(diǎn)在橫向和縱向上的偏移。

對(duì)式（1）進(jìn)行優(yōu)化，假設(shè)輸出圖像中水平相鄰2個(gè)像素點(diǎn)（x，y）和（x+1，y），則經(jīng)仿射變換后在輸入圖像中有對(duì)應(yīng)的 2 點(diǎn)（u1，v1）和（u2，v2）。不難推導(dǎo)，有如下關(guān)系式成立：

同理假設(shè)輸出圖像中垂直相鄰2個(gè)像素點(diǎn)（x，y）和（x，y+1），則經(jīng)仿射變換之后在輸入圖像中有對(duì)應(yīng)的 2點(diǎn)（u1，v1）和（u3，v3），有如下關(guān) 系式成立：

從式（2）和式（3）中可以看出，輸出圖像中經(jīng)變換后的兩點(diǎn)坐標(biāo)差與輸入源圖像中相鄰兩點(diǎn)位置無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，只要計(jì)算一次仿射變換就可以采用增量法來(lái)求出仿射變換后的所有點(diǎn)的精確位置。因此，圖像的第一個(gè)點(diǎn)要用到完整的仿射變換公式

進(jìn)行計(jì)算，后面的點(diǎn)只計(jì)算兩個(gè)浮點(diǎn)加法就可以獲得一個(gè)仿射變換點(diǎn)的精確位置。獲得精確的位置后，利用最鄰近像素法計(jì)算圖像灰度，只需要對(duì)計(jì)算后的坐標(biāo)位置四舍五入得到整數(shù)坐標(biāo)值，利用該坐標(biāo)來(lái)獲取相應(yīng)點(diǎn)的灰度值即可。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)字視頻消旋系統(tǒng)主要有4部分組成：視頻A/D、DSP、FPGA和幀存儲(chǔ)器。圖1是系統(tǒng)硬件組成框圖。其原理是外界圖像經(jīng)A/D采樣為數(shù)字圖像進(jìn)入FPGA，F(xiàn)PGA將圖像寫(xiě)入幀存儲(chǔ)器中，DSP根據(jù)上位機(jī)通過(guò)RS-232串口送來(lái)的角速度值，計(jì)算新圖像各點(diǎn)在當(dāng)前幀圖像中的位置，將計(jì)算后的位置送給FPGA，通過(guò)FPGA做地址映射，再將圖像按映射后的地址輸出送D/A顯示或送跟蹤處理模塊進(jìn)行目標(biāo)跟蹤識(shí)別等處理。

圖1 系統(tǒng)硬件電路組成框圖Fig.1 Configuration of system hardware circuit

2.1 TMS320C6713B數(shù)據(jù)處理單元

在本方案中DSP是數(shù)據(jù)處理的核心，主要是通過(guò)串口讀取上位機(jī)送來(lái)的圖像旋轉(zhuǎn)的角速度信息，根據(jù)該信息進(jìn)行仿射變換，求出旋轉(zhuǎn)后的圖像各點(diǎn)在原圖像中的坐標(biāo)，并將求出的坐標(biāo)寫(xiě)入FPGA。在計(jì)算圖像精確位置時(shí)需要進(jìn)行大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，需要具有高速高精度浮點(diǎn)運(yùn)算能力的DSP。方案采用了美國(guó)TI公司的高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6713B。它采用先進(jìn)的超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，為單精度（32位）和64位（雙字）的IEEE浮點(diǎn)操作提供硬件支持，且32位整型乘法可以獲得32位或64位結(jié)果。其內(nèi)部有8個(gè)獨(dú)立的功能單元，2個(gè)定點(diǎn)算術(shù)邏輯單元（ALU），2個(gè)浮點(diǎn)乘法器，4個(gè)浮點(diǎn)ALU，每個(gè)周期可以執(zhí)行8個(gè)32位指令。內(nèi)部設(shè)計(jì)有32個(gè)32位通用目的寄存器，4 K字節(jié)的L1高速程序緩存器和4K字節(jié)的L1高速數(shù)據(jù)緩存器，256 K字節(jié)的L2兩級(jí)數(shù)據(jù)緩存器[5]。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以最大限度發(fā)揮8個(gè)功能單元的并行運(yùn)算能力，使得DSP在300 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘工作時(shí)，其運(yùn)算能力最高為2 400 MIPS，浮點(diǎn)運(yùn)算能力最高為1 800 MFLOPS，極大地滿足了高速數(shù)據(jù)處理的要求。

另外，DSP6713B片內(nèi)還提供多種集成外設(shè)：多種復(fù)位加載模式（BOOT）、多通道DMA控制器、多通道緩存串口（McBSP）以及能夠與SDRAM、SBSRAM或異步存儲(chǔ)器直接接口的高性能外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），這些都為數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了極大方便。

2.2 FPGA模塊單元

方案采用了Actel公司推出的第二代基于Flash（閃存）的可編程器件ProASIC Plus系列中的APA150。該系列器件兼具ASIC（專用集成電路）的性能和FPGA的靈活性于一身，具有150 000個(gè)系統(tǒng)門(mén)，邏輯單元為6 144個(gè)，內(nèi)嵌36 KB的雙端口SRAM和 2個(gè)鎖相環(huán)（PLL）內(nèi)核，支持3.3 V、32 bit、50 MHz的 PCI總線，系統(tǒng)外部性能可達(dá) 150 MHz，具有高密度、低功耗、非易失及可重復(fù)編程等特點(diǎn)。因?yàn)镻roASIC Plus系列FPGA基于Flash技術(shù)，利用Flash開(kāi)關(guān)保存內(nèi)部邏輯，因此不需要另外的器件。由于不需要上電配置過(guò)程，因此具備上電就立即工作的特點(diǎn)。另外高度保密，使用者可編程設(shè)置多位密鑰以阻止外界自行讀取或更改器件的配置[6]。

方案中利用APA150主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制、A/D采樣控制、D/A顯示控制、向幀存儲(chǔ)器寫(xiě)圖像以及完成旋轉(zhuǎn)后的圖像與原始圖像的地址映射等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成視頻圖像旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，利用TMS320C6713B的浮點(diǎn)運(yùn)算功能，基于CCS3.1平臺(tái)編制匯編程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2為基本流程圖，主要有以下步驟：

1）每場(chǎng)查詢到場(chǎng)逆程時(shí)，通過(guò)串口讀取上位機(jī)送來(lái)的角速度信息，并將該角速度轉(zhuǎn)化為每20 ms角度的變化量。根據(jù)該角度利用完整的仿射變換求旋轉(zhuǎn)后圖像的首點(diǎn)坐標(biāo)，并根據(jù)完整的仿射變換公式推導(dǎo)計(jì)算出水平方向和垂直方向的增量。

2）當(dāng)查詢到場(chǎng)正程時(shí)，對(duì)于每行各點(diǎn)可根據(jù)前一點(diǎn)在原圖像中的位置加上水平方向的增量，就可以得到當(dāng)前點(diǎn)的精確位置。對(duì)于每行的第一個(gè)點(diǎn)，可根據(jù)上一行的首點(diǎn)在原圖像中的位置加上垂直方向的增量，即可得到該點(diǎn)在原圖像中的位置。

圖2 軟件流程圖Fig.2 Flow chart of software

3）最后將得到的圖像位置四舍五入求出當(dāng)前點(diǎn)在原圖像中的坐標(biāo)，最后將該坐標(biāo)送入FPGA。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中取處理的圖像為256×256×8 bit，固定攝像機(jī)不動(dòng)，任意輸入角速度為0°～360°/20 ms，角速度可以精確到0.1°/20 ms，系統(tǒng)會(huì)圍繞圖像中心以相應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)圖像。圖3為原始未旋轉(zhuǎn)的圖像，圖4是以2.4°/20 ms速度旋轉(zhuǎn)到30°時(shí)的圖像，由圖3和圖4可見(jiàn)旋轉(zhuǎn)后的圖像穩(wěn)定清晰。

圖3 原始視頻圖像Fig.3 Original video image

圖4 旋轉(zhuǎn)后的圖像Fig.4 Revolved video image

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于TMS320C6713B的視頻消旋系統(tǒng)，該系統(tǒng)易于硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性高，消旋轉(zhuǎn)后的圖像清晰穩(wěn)定，滿足工程應(yīng)用要求。另外該系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，只須對(duì)硬件進(jìn)行少許改動(dòng)，即可用于更高分辨率比如768×576的圖像消旋系統(tǒng)。

[1]曾祥萍，楊濤.實(shí)時(shí)圖像的電子消旋系統(tǒng)[J].光電工程，2005，32（10）：27-30.ZENG Xiang-ping，YANG Tao.Electronic system for real-time canceling image rotations[J].Opto-Electronic Engineering，2005，32（10）：27-30.

[2]李洪偉，黃自力，袁斯華，等.基于FPGA/DSP的數(shù)字視頻消像旋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程，2006，35（2）：222-233.LI Hong-wei，HUANG Zi-li，YUAN Si-hua，et al.Design for image rotation-elimination of digital video based on FPGA/DSP[J].Infrared and Laser Engineering，2006，35（2）：222-233.

[3]葉凌云，李玉山，王崇劍.船載實(shí)時(shí)圖像消旋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2007（10）：87-89.YE Ling-yun，LI Yu-shan，WANG Chong-jian.Design of real-time image rotation-elimination system for ships[J].Electronic Design&Application，2007（10）：87-89.

[4]楊曉峰，張桂林.一種基于仿射變換模型的目標(biāo)跟蹤算法[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2005，33（12）：30-34.YANG Xiao-feng，ZHANG Gui-lin.A target tracking algorithm based on affine transform model[J].Computer and Digital Engineerning，2005，33（12）：30-34.

[5]江思敏，劉暢.TMS320C6000 DSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6]ACTEL.ProASICPLUS family Flash FPGA[EB/OL].[2009-06].http://www.actel.com/documents/ProASICPLUS-DS.pdf.