翟文濤，盛韜，薛冰玢

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 200135）

引 言

在智能監(jiān)控系統(tǒng)中，人們往往對運動目標(biāo)感興趣，要對運動目標(biāo)進行精確的分析，首先必須有效地提取感興趣的運動目標(biāo)。運動目標(biāo)提取的難點在于如何實時、快速、準(zhǔn)確地把運動目標(biāo)從復(fù)雜背景中提取出來。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，新一代高性能DSP的出現(xiàn)使高速實時視頻圖像處理成為可能。針對視頻圖像計算復(fù)雜度高、數(shù)據(jù)量大等特點，本文對程序進行了優(yōu)化，優(yōu)化后系統(tǒng)運算速度提高，可實現(xiàn)運動目標(biāo)的實時檢測。

DSP／BIOS是DSP開發(fā)環(huán)境CCS中的一個可裁剪的可搶占式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。在DSP／BIOS環(huán)境下編寫代碼，可以大大降低軟件開發(fā)難度，提高調(diào)試效率。借助CCS提供的多種分析與評估工具，可方便程序開發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文采用瑞泰創(chuàng)新公司的ICETEK－DM642－PCI硬件開發(fā)平臺。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。DM642外擴了2片SDRAM、1片F(xiàn)lash，分別存儲圖像數(shù)據(jù)和固化系統(tǒng)運行程序。通過I2C總線實現(xiàn)視頻編解碼配置。首先，從攝像頭傳過來的模擬信號經(jīng)過SAA7105編碼轉(zhuǎn)化成BT.656的YCbCr（4：2：2）復(fù)合視頻信號。復(fù)合視頻信號流進DM642視頻端口內(nèi)部的FIFO緩沖區(qū)，Y、Cb、Cr三個分量數(shù)據(jù)分別進入視頻端口內(nèi)3個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，再由EDMA快速搬移到外擴的2個SDRAM中，從而獲得原始視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)DM642處理后，送回輸出視頻端口內(nèi)部的FIFO緩沖區(qū)，在合成 YCbCr（4：2：2）復(fù)合視頻信號后，最后經(jīng)過SAA7115視頻編碼器恢復(fù)成模擬視頻信號，并進行輸出顯示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 基于RF5軟件框架的程序設(shè)計［1－3］

2.1 RF5程序參考框架

RF5框架中，有4個數(shù)據(jù)處理基本單元，即任務(wù)（task）、通 道 （channel）、單 元 （cell）和 標(biāo) 準(zhǔn) 算 法 （XDAIS algorithm）。位于頂層的是DSP／BIOS task。一個task是幾個channel的集合，一個channel是幾個cell的集合，一個cell是XDAIS算法的封裝。

RF5的數(shù)據(jù)通信單元可以分為任務(wù)層數(shù)據(jù)通信單元和單元層數(shù)據(jù)通信單元兩類。任務(wù)級通信主要用到了SCOM消息隊列和郵箱。單元級通信是由ICC（Inter＿Cell Communication）對象實現(xiàn)的，每—個cell都有一個ICC對象的輸入列表和—個輸出列表，列表中可有一個或多個輸入ICC對象和輸出ICC對象。ICC對象用于描述cell讀取數(shù)據(jù)或者寫入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。ICC對象所指向的緩沖區(qū)由用戶來定義。cell通過ICC對象實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 運動目標(biāo)檢測軟件框架

主函數(shù)主要完成初始化的工作，包括處理器和系統(tǒng)板的初始化（如BIOS環(huán)境初始化、CSL初始化、Cache初始化和DMA通道配置），RF－5模塊的初始化（如通道初始化以及內(nèi)部單元通信和傳輸信息的ICC和SCOM模塊的初始化），采集和顯示模塊的初始化配置等。

在完成上述初始化工作后，系統(tǒng)進入DSP／BIOS調(diào)度程序。調(diào)度機制將視頻處理任務(wù)劃分為捕獲任務(wù)函數(shù)Tskcapture（）、處理任務(wù)函數(shù)Tskprocess（）和顯示任務(wù)函數(shù)Tskdisplay（）三個并列優(yōu)先級的模塊。詳細的任務(wù)間通信情況如圖2所示。每一個SCOM隊列內(nèi)部使用一個隊列對象（QUE）和一個信號燈對象（SEM），隊列對象提供任意大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，信號燈指定當(dāng)前可以對數(shù)據(jù)進行操作的任務(wù)，實現(xiàn)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享。因此3個任務(wù)間的消息傳遞通過同步通信SCOM模塊來實現(xiàn)。3個SCOM 隊 列 名 為：fromintoprocess、fromprocesstoout、fromouttoin。首先，捕獲任務(wù)Tskcapture捕獲一幀圖像，將采集到的圖像信息放入到已創(chuàng)建并打開的SCOM隊列fromintoprocess中，處理任務(wù)Tskprocess則一直檢測是否有消息存在于SCOM隊列fromintoprocess，無則一直等待；如果隊列fromintoprcess的消息存在，則讀取信息，開始通過運動目標(biāo)檢測的算法對原始圖像進行處理，然后通知另一個隊列fromprocesstoout發(fā)送消息到顯示任務(wù)，顯示任務(wù)接到隊列fromprocesstoout的消息后，顯示一幀圖像，然后通過消息隊列fromouttoin發(fā)送消息，捕獲任務(wù)Tskcapture從消息隊列fromouttoin得到消息后，開始下一幀的采集，并把圖像信息放到fromintoprocess中。如此這樣循環(huán)往復(fù)，實時性地完成對運動目標(biāo)的檢測。

圖2 任務(wù)間通信數(shù)據(jù)流

3 算法及程序優(yōu)化

3.1 背景差分邊緣檢測［4－8］

邊緣能夠勾畫出目標(biāo)物體，含有豐富的內(nèi)在信息（如方向、階躍性質(zhì)、形狀等），是圖像抽取圖像特征的重要屬性。從本質(zhì)上說，圖像邊緣是圖像局部特性不連續(xù)性（灰度突變、顏色突變等）的反映，這種特性幾乎不受光照變化的影響，可以消除大量冗余信息。根據(jù)這些特性，采用背景邊緣和實時圖像邊緣差分方式提取目標(biāo)邊緣像素。采用Sobel邊緣檢測算子從水平、垂直、45°和135°四個方向進行邊緣判定：

ΔG1～ΔG4為（i，j）像素在水平、垂直、45°和135°四個方向的卷積核，取出其中的最大值作為（i，j）的輸出：

得到邊緣梯度圖像后，由式（5）對其進行二值化，其中邊緣為“1”，其他情況為“0”：

式中，Ei，j表示圖像在（i，j）的二值化值。

上述方法分別對背景幀與當(dāng)前實時圖像幀進行邊緣檢測，再根據(jù)其檢測結(jié)果計算運動目標(biāo)邊緣像素，對二者進行異或運算：

3.2 基于網(wǎng)格密度的連通域劃分

通過上述提取的目標(biāo)像素，含有各種各樣的噪聲，目標(biāo)邊緣區(qū)域可以認為是獨立的連通域，而噪聲則相對離散。根據(jù)這個特性，可以把噪聲和目標(biāo)分開，具體步驟如下：

①把提取的目標(biāo)像素劃為M×M的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格有N×N個像素。計算每個網(wǎng)格密度。

②設(shè)置閾值T，把網(wǎng)格密度大于T的設(shè)置為目標(biāo)，小于閾值的判定為背景。

③根據(jù)四連通域判定原則，依次對每個網(wǎng)格進行判定標(biāo)定，并記錄運動目標(biāo)的面積及其位置。

3.3 算法的優(yōu)化［9－10］

DSP可以采用C語言、線性匯編語言或者兩者的混合編程。合理利用DSP的硬件結(jié)構(gòu)，對程序進行優(yōu)化，可以大幅度提高程序的執(zhí)行速度。程序的優(yōu)化策略主要包括：

①緩存Cache結(jié)構(gòu)優(yōu)化，合理分配Cache大小，把256KB大小的二級緩存L2配置為Cache和SRAM，L2的一半空間用于片上內(nèi)存，另一半當(dāng)做Cache。

②使用編譯器編譯優(yōu)化選項，打開軟件流水，循環(huán)展開，盡可能地展開內(nèi)循環(huán)，使可能并行的指令數(shù)增加，從而改變軟件流水線編排，對代碼中的循環(huán)作優(yōu)化。

③使用DATA＿ALIGN數(shù)據(jù)對齊指令，DSP對數(shù)據(jù)進行讀取時是整行讀取。所以存儲數(shù)據(jù)時，應(yīng)32位邊界對齊，這樣在讀寫字節(jié)、半字、字或雙字時，一個時鐘周期可以作多次存儲器訪問。合理使用DATA＿ALIGN可以很大程度上增加程序的并行性。采用如下的偽指令：

＃pragma DATA＿ALIGN（symbol，constant）

symbol是需要對齊的變量名，constant是所需對齊邊界值，必須是2的整數(shù)冪。

④數(shù)據(jù)類型調(diào)整，選擇合適的數(shù)據(jù)類型，同時保證算法結(jié)果的正確性，不會出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。使用int型，避免使用較長的數(shù)據(jù)類型。

⑤用線性匯編和匯編語言改寫耗時長的部分。線性匯編程序是C語言能夠直接調(diào)用的函數(shù)，其編譯出的代碼比直接用C語言寫的效率高。

⑥用邏輯運算、加／減／乘代替除運算。

4 實驗分析

利用CCS開發(fā)環(huán)境的DSP／BIOS實時操作內(nèi)核，基于RF5參考框架開發(fā)運動目標(biāo)實時性檢測的系統(tǒng)，能夠很好地檢測出運動目標(biāo)。該檢測系統(tǒng)能夠很好地去除光線的影響，減小噪聲對檢測結(jié)果的影響。

視頻處理圖片大小為720×576，格式為YUV（4：2：2），所采取的算法只對Y分量處理，截取的目標(biāo)檢測結(jié)果如圖3、圖4所示。

開發(fā)板的頻率為600MHz，即一個時鐘周期為1.67 ns。通過優(yōu)化后，實驗測得檢測單個目標(biāo)平均指令周期為21 607 200，所耗費的時間為36ms。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運動目標(biāo)的實時檢測。

結(jié) 語

DSP／BIOS是針對TI公司DSP芯片的一種優(yōu)良的嵌入式實時操作系統(tǒng)。使用它的關(guān)鍵在于進程的合理規(guī)劃，充分利用其內(nèi)置的資源模塊對程序的效率加以優(yōu)化，提高代碼的執(zhí)行效率。系統(tǒng)采用多線程的框架，使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，便于DSP／BIOS的管理和維護。

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