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        基于DSP的電子行走輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2015-12-23 00:55:52彭玉青李虹陽(yáng)田紅麗
        關(guān)鍵詞:盲道解碼器圖像處理

        彭玉青,李虹陽(yáng),田紅麗,李 木

        (河北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院,天津300401)

        0 引 言

        數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展為導(dǎo)盲研究提供了新的途徑,在嵌入式圖像處理領(lǐng)域,DSP處理器獨(dú)立的數(shù)據(jù)程序總線、多級(jí)流水線等特性,可靈活的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的算法,大大提高系統(tǒng)工作效率,使其成為實(shí)時(shí)圖像處理的最佳選擇[1]。

        隨著電子行走輔助系統(tǒng)研究的發(fā)展,各種形式的導(dǎo)盲設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生,如超聲波電子導(dǎo)盲儀、GPS定位導(dǎo)盲拐杖、基于RFID 電子標(biāo)簽的助盲輔具等等。目前電子行走輔助系統(tǒng)使用成本均相對(duì)較高,例如建立大型RFID 系統(tǒng)需鋪設(shè)大量電子標(biāo)簽,工程量浩大[2,3]。目前各城市的盲道設(shè)施均已普及,文章以圖像處理為基礎(chǔ),以城市中現(xiàn)有的盲道為主要處理對(duì)象,將處理結(jié)果以語(yǔ)音的形式對(duì)視障者進(jìn)行提示,實(shí)現(xiàn)圖像的可聽(tīng)化,不僅能加強(qiáng)視障者對(duì)周圍環(huán)境的理解,還可以大大降低使用成本。

        1 系統(tǒng)的功能與框架

        ETA 系統(tǒng) (電子行走輔助系統(tǒng))是利用傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)信息,提取環(huán)境特征信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于視障者理解的非視覺(jué)信號(hào),進(jìn)而輔助視障者獨(dú)立而安全行走的系統(tǒng)[4]。本系統(tǒng)通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)的采集使用者行進(jìn)前方的視頻圖像并進(jìn)行存儲(chǔ),之后送DSP處理器處理,進(jìn)行路面情況的檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)到的盲道、障礙物、人行橫道、上下樓臺(tái)階等等行進(jìn)過(guò)程可能遇到的情況分類,把處理結(jié)果送音頻提示終端進(jìn)行相應(yīng)提示,提示使用者前方路面情況并根據(jù)需要調(diào)整行進(jìn)方向和速度。如圖1所示,系統(tǒng)主要由圖像采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像處理和音頻輸出4大部分構(gòu)成。

        圖1 系統(tǒng)主要功能模塊

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        2.1 圖像采集模塊

        本系統(tǒng)的圖像采集模塊主要由圖像傳感器和視頻解碼器組成。圖像傳感器選取的是CCD 攝像頭,其功能為采集視頻信號(hào)并以PAL制式輸出,將該信息輸出給視頻解碼器進(jìn)行數(shù)字化,以便于DSP處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字化后的視頻信號(hào)經(jīng)DSP的VP端口內(nèi)部FIFO 隊(duì)列緩沖后,以EDMA 的方式傳至片外SDRAM 中存儲(chǔ)[5]。

        其中視頻解碼器采用TI公司的TVP5150PBS,它是一款使用簡(jiǎn)易、超低功耗、封裝極小的多制式數(shù)字視頻解碼器??赏ㄟ^(guò)I2C總線控制它內(nèi)部寄存器的參數(shù),比如色調(diào),對(duì)比度,亮度等[6]。

        圖像信號(hào)采集過(guò)程:首先,對(duì)TVP5150進(jìn)行初始化,這是通過(guò)I2C總線進(jìn)行的。本系統(tǒng)中TVP5150的初始設(shè)定為:一路模擬視頻信號(hào)輸入、自動(dòng)增益控制、PAL 制式、YUV422 (16bit)數(shù)字視頻信號(hào)輸出。其次,TVP5150芯片產(chǎn)生的數(shù)字視頻信號(hào)、控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)送入DM642中,即把解碼器的行場(chǎng)同步信號(hào)、視頻信號(hào)等管腳連接到DSP的視頻端口VP[7,8],從而建立數(shù)據(jù)通道,以便進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。最后,通過(guò)DSP 處理器發(fā)出圖像采集命令后進(jìn)行圖像采集。由CCD 攝像頭采集并輸出圖像模擬信號(hào),經(jīng)視頻解碼芯片,把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),存儲(chǔ)在SDRAM 中。

        2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

        2.2.1 DSP與SDRAM 的接口電路設(shè)計(jì)

        經(jīng)過(guò)圖像采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ),由于DSP內(nèi)部自帶的二級(jí)緩存對(duì)于實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,所以實(shí)時(shí)圖像的存儲(chǔ)要通過(guò)外部SDRAM 來(lái)完成[9]。系統(tǒng)選用兩片型號(hào)為HY57V283220T 的SDRAM 存儲(chǔ)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù),其容量為32M 的,存儲(chǔ)格式為4Banks×1 M×32Bit。

        圖2所示為其中一片SDRAM 與DSP 的外部存儲(chǔ)器接口EMIF電路連接示意圖,SDRAM 的CLK 與DSP的二分頻時(shí)鐘輸出端TCLK 相連,以滿足HY57V283220T 時(shí)鐘100 MHz的要求。DSP的TED[0:31]和TBE[0:3]接到一片SDRAM 的DQ[0:31]和DQM[0:3],TED[32:63]和TBE[4:7]接到另一片SDRAM 的DQ 和DQM,用于讀寫(xiě)SDRAM 時(shí)控制和屏蔽數(shù)據(jù)的輸入輸出。

        圖2 SDRAM 與DSP的EMIF電路連接

        2.2.2 DSP與FLASH 的接口電路設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)采用型號(hào)為AM29LV033C 的FLASH 芯片,容量為4 M×8bit,F(xiàn)LASH 主要用于存放用戶程序代碼,以及一些相關(guān)的數(shù)據(jù),由于FLASH ROM 掉電不擦除,所以系統(tǒng)算法程序調(diào)試好之后,將程序燒寫(xiě)固化到FLASH 中,硬件板即可脫離PC機(jī)在線調(diào)試模式,獨(dú)立的完成工作,系統(tǒng)上電后,用戶程序代碼自動(dòng)從FLASH 搬移到SDRAM然后開(kāi)始執(zhí)行[10]。與SDRAM類似,F(xiàn)LASH芯片通過(guò)EMIF與DSP相連。

        2.3 圖像處理模塊

        本模塊主要是對(duì)數(shù)字化的圖像信號(hào)進(jìn)行算法處理,經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理,特定圖像算法處理,包括盲道識(shí)別,障礙物檢測(cè),人行橫道檢測(cè)等算法,根據(jù)圖像處理結(jié)果進(jìn)行圖像聲音映射,并發(fā)出相應(yīng)的音頻提示信號(hào)。

        本系統(tǒng)的主處理器采用TI公司的高性能DSP 芯片TMS320DM642,其內(nèi)核有64個(gè)32位字長(zhǎng)的通用寄存器和8個(gè)獨(dú)立的功能單元,每秒可提供2880百萬(wàn)個(gè)MAC,片內(nèi)采用2級(jí)高速緩存Cache結(jié)構(gòu),片外有強(qiáng)大的外部存儲(chǔ)器接口EMIF,64個(gè)獨(dú)立通道的增強(qiáng)型EDMA 控制器,提供了3個(gè)視頻端口,支持多種視頻標(biāo)準(zhǔn),配置靈活[11],片上資源豐富。

        在本系統(tǒng)中,視頻解碼器通過(guò)3個(gè)可配置的視頻端口(VP0、VP1、VP2)接入DSP,由于系統(tǒng)采用一路視頻輸入,默認(rèn)使用VP0端口采集圖像數(shù)據(jù),DM642通過(guò)I2C 總線控制圖像采集過(guò)程,并設(shè)置視頻解芯片內(nèi)部寄存器的相關(guān)參數(shù);外部存儲(chǔ)器SDRAM 和FLASH 都通過(guò)EMIF (外部存儲(chǔ)器接口)與DM642 相連接,采用增強(qiáng)的EDMA 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,從而建立起了高速數(shù)據(jù)傳輸通道;語(yǔ)音處理芯片通過(guò)McASP (多通道音頻串行接口)與DM642相連。DM642的McASP 接口主要用于音頻處理,提供了一個(gè)發(fā)射時(shí)鐘和一個(gè)接收時(shí)鐘,使得數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收工作可以完全獨(dú)立的進(jìn)行,也可以同步進(jìn)行。

        2.4 音頻模塊

        系統(tǒng)音頻處理芯片采用的是TI公司的音頻編解碼器TLV320AIC23BPW,它內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器,輸入和輸出都具有可編程的增益調(diào)節(jié)功能,并且具有很低的功耗。這使得它成為一款非常理想的音頻處理芯片[12]。TLV320AIC23通過(guò)McASP接入DM642。

        TLV320AIC23與DM642通過(guò)控制接口和數(shù)字音頻接口相連,控制接口用于設(shè)置AIC23的工作參數(shù);數(shù)字音頻接口用于TLV320AIC23與DM642的音頻數(shù)據(jù)傳輸。

        如圖3 所示為TLV320AIC23 與DM642 連接。其中BCLK 為串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘,當(dāng)TLV320AIC23BPW 為主模式時(shí)BCLK 由其自身產(chǎn)生并提供給DSP,頻率為主時(shí)鐘的1/4,當(dāng)AIC23為從模式時(shí)由DSP產(chǎn)生;DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入端,送入立體聲DAC,DOUT 為串行數(shù)據(jù)輸出端,由立體聲ADC 產(chǎn)生;XTI/MCLK 為外部時(shí)鐘輸入端,用來(lái)產(chǎn)生AIC23內(nèi)部時(shí)鐘[13]。

        圖3 TLV320AIC23與DM642連接

        2.5 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

        綜上所述,系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)及器件選擇如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)主要是以DSP為核心,通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)視頻解碼器TVP5150PBS解碼,將解碼后的數(shù)字信號(hào)在外部SDRAM 中做實(shí)時(shí)的存儲(chǔ),然后由DSP 數(shù)字信號(hào)處理器TMS320DM642對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,根據(jù)處理結(jié)果控制輸出的音頻提示信息,經(jīng)過(guò)音頻處理芯片TLV320AIC23BPW,將相應(yīng)的音頻提示信息由耳機(jī)輸出。其中FLASH 用于存儲(chǔ)用戶程序代碼,SDRAM 用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù),另設(shè)有可擴(kuò)展的以太網(wǎng)接口、異步通信串口、PCI接口供系統(tǒng)進(jìn)行其它模塊的擴(kuò)展。例如,可通過(guò)PCI接口擴(kuò)展為雙核DSP系統(tǒng),通過(guò)網(wǎng)口接入GPS等模塊,使系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        在系統(tǒng)上電啟動(dòng)后,DSP 程序加載與啟動(dòng)。系統(tǒng)流程如圖5所示。

        (1)進(jìn)行DSP和系統(tǒng)板的初始化,包括初始化BIOS和初始化CSL庫(kù)。并且設(shè)置Cache,使用256K 的2級(jí)高速緩存。設(shè)置DMA 優(yōu)先隊(duì)列的長(zhǎng)度取最大值。設(shè)置2級(jí)高速緩存的優(yōu)先級(jí)最高。

        (2)進(jìn)行通道模塊的初始化,包括I2C 總線的初始化和消息隊(duì)列的初始化。I2C總線用于內(nèi)部單元通訊,SCOM消息隊(duì)列用于任務(wù)間傳遞消息。并且分別建立和啟動(dòng)一個(gè)采集和播放通道[14]。

        (3)進(jìn)行視頻解碼器和音頻處理芯片的初始化。設(shè)置相關(guān)參數(shù),打開(kāi)視頻采集和音頻播放通道。

        在完成初始化任務(wù)之后,BIOS調(diào)度程序啟動(dòng),系統(tǒng)進(jìn)入DSP/BIOS調(diào)度程序管理下,此時(shí)系統(tǒng)中有3 個(gè)任務(wù),任務(wù)通過(guò)消息隊(duì)列互相發(fā)送消息,3 個(gè)任務(wù)分別為輸入任務(wù)、處理任務(wù)和輸出任務(wù),處理任務(wù)在收到輸入任務(wù)采集到圖像的消息后開(kāi)始進(jìn)行圖像處理,處理完成后,發(fā)送消息到輸出任務(wù),輸出任務(wù)收到來(lái)自處理任務(wù)的消息將消息中的音頻輸出,然后發(fā)送消息到輸入任務(wù),輸入任務(wù)收到輸出任務(wù)消息開(kāi)始下一次圖像采集任務(wù),如此往復(fù)循環(huán)進(jìn)行。

        圖5 系統(tǒng)軟件工作流程

        4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

        本文設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)能夠通過(guò)使用不同算法檢測(cè)盲道、障礙物、人行橫道、臺(tái)階、轉(zhuǎn)角等等路況,下面以盲道為例進(jìn)行驗(yàn)證。

        4.1 圖像處理結(jié)果

        由于系統(tǒng)輸出為音頻模式,無(wú)法對(duì)圖像處理結(jié)果進(jìn)行直觀驗(yàn)證,在研究設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了視頻顯示部分,將圖像處理結(jié)果通過(guò)顯示屏進(jìn)行輸出,以便直接觀察系統(tǒng)的流暢性和圖像處理效果。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,圖像能夠?qū)崟r(shí)的將攝像頭采集圖像的處理結(jié)果顯示到顯示屏上,且畫(huà)面清晰流暢。以下為盲道處理的部分實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像。

        圖6所示為實(shí)驗(yàn)對(duì)比使用不同邊緣提取算子處理的盲道圖像,分別為采用Prewitt邊緣算子,Laplacian 邊緣算子,Sobel邊緣算子的結(jié)果,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,Prewitt邊緣算子比較清晰的提取出了盲道內(nèi)部的紋理信息,但丟失了左邊緣信息,不能夠獲取完全的盲道邊緣信息;Laplacian邊緣算子提取邊緣效果較模糊,能夠提取盲道內(nèi)部紋理,左邊緣完全丟失;Sobel算子提取出的邊緣信息較為全面,但冗余信息較多。

        圖6 不同邊緣提取算子結(jié)果對(duì)比

        鑒于直接進(jìn)行邊緣提取,圖像中冗余信息較多,所以先對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理,除去部分噪聲和次要信息,圖7所示為先采用高斯低通濾波器消除部分噪聲和冗余信息然后進(jìn)行Sobel邊緣提取效果圖,截止頻率分別設(shè)置為60、50、40,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在截止頻率為50時(shí),盲道大部分信息冗余可以被去除而不影響盲道邊緣的提取。

        圖7 采用濾波器處理結(jié)果

        對(duì)盲道做濾波處理,濾去部分冗余信息后,進(jìn)行邊緣提取,結(jié)果如圖8所示,可以看出Prewitt算子提取的邊緣不連續(xù),Laplacian邊緣算子提取的盲道邊緣非常模糊,sobel算子提取的邊緣效果較為清晰。

        圖8 濾波后不同邊緣算子結(jié)果對(duì)比

        實(shí)驗(yàn)顯示系統(tǒng)首先經(jīng)過(guò)高斯低通濾波處理,然后采用Sobel算子能夠比較清楚的提取出盲道邊緣。

        圖9為系統(tǒng)進(jìn)行閾值分割的處理效果圖,由結(jié)果看出,系統(tǒng)能夠正確的分割出盲道區(qū)域,進(jìn)而可以得到盲道兩條邊緣直線,然后通過(guò)霍夫變換提取出盲道兩條邊緣線的角度θ1和θ2,即可確定使用者偏離盲道的程度,從而進(jìn)行音頻提示[15]。

        圖9 盲道閾值分割效果

        4.2 聽(tīng)覺(jué)映射方案

        圖像聲音映射,主要是把從圖像處理中獲取的盲道的方向和障礙物信息,通過(guò)映射模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的音頻參數(shù),再用這些音頻參數(shù)控制音頻的播放。

        構(gòu)成視障礙者在盲道行走障礙的環(huán)境信息主要可以分成兩種:

        (1)道路方向。即偏離盲道行走程度,提取盲道的邊緣線來(lái)代表盲道方向,θ1和θ2分別表示盲道兩根邊緣線的角度。當(dāng)若θ1和θ2異號(hào),說(shuō)明在盲道上,若θ1和θ2同為負(fù),說(shuō)明偏左;若θ1和θ2同為正,說(shuō)明偏右。

        (2)障礙物。即盲道附近的會(huì)影響盲人行走的物體,障礙物距離Ly。

        本系統(tǒng)采用音頻的響度和間隔時(shí)間兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示盲道偏離程度,偏離程度越大,響度越大,間隔時(shí)間越短,使用戶更容易辨別。用鑼聲來(lái)表示障礙物,笛聲和水聲分別表示偏左和偏右,聲音響度的大小和持續(xù)時(shí)間表示偏離盲道的程度。表1所示為環(huán)境信息的聲音映射方案。

        表1 環(huán)境信息的聲音映射方案

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本系統(tǒng)以DSP 為核心構(gòu)建了一套能夠幫助盲人獨(dú)立行走的電子行走輔助系統(tǒng),詳述了系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)和軟件工作流程,并以盲道處理為例分析了圖像處理結(jié)果并給出了聽(tīng)覺(jué)映射方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)整體運(yùn)行流暢,具有良好的實(shí)時(shí)性,且能夠正確分割出盲道區(qū)域,提取出盲道邊緣。

        系統(tǒng)充分利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù),經(jīng)DSP 芯片處理,以聲音的形式輸出,從而幫助視障者獨(dú)立行走,實(shí)現(xiàn)了不借助pc機(jī)任何資源即可完成對(duì)圖像的實(shí)時(shí)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理以及音頻輸出等相關(guān)工作,大大降低了系統(tǒng)成本,提高了系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)的聽(tīng)覺(jué)映射方案切實(shí)可行,配合傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖使用具有較好使用效果。與傳統(tǒng)助盲設(shè)備相比提高了導(dǎo)盲精度,與大型電子盲道或全球定位系統(tǒng)相比又節(jié)省了成本,且設(shè)備精簡(jiǎn)小巧,便于攜帶,具有較強(qiáng)的推廣和實(shí)用價(jià)值。

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