賈建偉

摘 要： 通過設(shè)計運動三維特征的可視化校對系統(tǒng)，提高對運動目標(biāo)對象的姿態(tài)修正和細節(jié)感知能力。在前期的圖像特征提取算法設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于多個傳輸單元間隔陣列分配校對的運動三維特征可視化校對系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)總體設(shè)計和架構(gòu)模型，給出系統(tǒng)設(shè)計的功能指標(biāo)；對運動三維特征的可視化校對系統(tǒng)的硬件部分進行分塊化設(shè)計，其包括電源電路模塊、三維特征數(shù)據(jù)加載電路模塊、復(fù)位電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊以及接口電路模塊；對三維特征提取算法進行程序加載，基于Visual DSP++ 4.5進行軟件系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對運動三維特征的可視化校對，對運動圖像的細節(jié)特征捕捉和提取精度較高、性能較好。

關(guān)鍵詞： 三維運動特征； 可視化校對； 系統(tǒng)設(shè)計； 姿態(tài)修正； 細節(jié)感知

中圖分類號： TN911?34； TP391 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0001?05

extraction algorithm， a 3D motion characteristics visualization proofreading system based on multiple transmission unit interval array distribution was designed. The system overall design and architecture model are analyzed. The functional parameters to design the system are given. The design of modules in hardware part of visualization system to proofread 3D motion features is conducted， including power supply circuit module， 3D feature data load circuit module， reset circuit module， AD digital?to?analogue conversion circuit module and interface circuit module. Program load of 3D feature extraction algorithm was performed. The software system based on Visual DSP++ 4.5 was developed to realize the system optimization design. The simulation experiment results show that the system can effectively realize the visualization proofreading of 3D motion features， and has high capture and extraction accuracy for detail features of moving image.

Keywords： 3D motion feature； visualization proofreading； system design； attitude correction； detail perception

0 引 言

隨著計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，以三維可視化圖像處理為基礎(chǔ)進行運動目標(biāo)圖像的分析，實現(xiàn)對運動姿態(tài)的細節(jié)捕捉和姿態(tài)分析的能力。通過對運動三維圖像的優(yōu)化識別和可視化校正技術(shù)的研究，提高對運動目標(biāo)對象的跟蹤和計算機視覺識別的水平，在多媒體視覺下，采用圖像特征采集方法，結(jié)合運動三維數(shù)據(jù)庫和專家識別系統(tǒng)，能實現(xiàn)對被采集運動目標(biāo)圖像的細節(jié)動作特征分析，從而實現(xiàn)對運動三維目標(biāo)圖像的檢驗分析和指導(dǎo)。通過運動三維特征的可視化校對系統(tǒng)的設(shè)計，把圖像處理算法加載到圖像處理系統(tǒng)中，實現(xiàn)對圖像的三維校正和細節(jié)捕捉感知，研究運動三維特征的可視化校對系統(tǒng)，在圖像識別、動作特征分析以及身份的認證系統(tǒng)設(shè)計和視覺分析等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用意義，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計方法研究得到了人們的極大關(guān)注[1?2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計描述與功能器件選擇

1.1 運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的邏輯設(shè)計

為了實現(xiàn)對運動三維特征的可視化校對，在前期的三維特征提取算法設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。系統(tǒng)開發(fā)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。本系統(tǒng)所設(shè)計運動三維特征可視化校對系統(tǒng)與一般的信號處理系統(tǒng)不同之處在于它采用DSP進行運動三維特征數(shù)據(jù)的采樣，通過動態(tài)控制增益進行三維數(shù)據(jù)的采集，時鐘頻率為33 MHz或66 MHz。在三維特征提取中，采用外圍設(shè)備暫時接管基陣的陣列信號，進行運動三維特征的擴展總線并行收發(fā)，通過收發(fā)轉(zhuǎn)換和功率放大器以及進行地址奇偶校驗。根據(jù)系統(tǒng)的功能和技術(shù)要求，進行運動三維特征可視化校對系統(tǒng)方案設(shè)計以及硬件設(shè)計[1，3?4]，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的設(shè)計思想是采用PCI 總線操作對運動三維特征信息進行數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備的從屬訪問，系統(tǒng)設(shè)計的主要元件包括如下幾個方面：

運動三維特征的計算元件（CE）：代表運動三維特征數(shù)據(jù)網(wǎng)格的計算資源。

運動三維特征的存儲元件（SE）：通過局部總線向HP E1562E 8 GB發(fā)送數(shù)據(jù)存儲請求任務(wù)，實現(xiàn)對運動三維特征數(shù)據(jù)資源的綜合調(diào)度。

RAM緩沖區(qū)（RB）：捕獲32 位地址/數(shù)據(jù)總線中的運動三維特征的可視化校對任務(wù)，根據(jù)用局部總線傳輸數(shù)據(jù)到HP E1562E，給每個任務(wù)分配適當(dāng)?shù)母北尽?

副本管理器（RM）：以采集數(shù)據(jù)到HP E1562D/E數(shù)據(jù)硬盤，在每個站點控制副本管理的傳輸，實現(xiàn)運動三維特征的可視化信息的差分輸入和直流耦合。

根據(jù)上述系統(tǒng)總體設(shè)計思想，采用PCI9054的LOCAL總線設(shè)計方法，進行數(shù)據(jù)特征采集，用8個32位Maibox寄存器寄存運動三維特征的像素值信息，對運動圖像進行特征提取，當(dāng)初始化時，運動場景圖像的亮點特征采樣的時鐘頻率可達到50 MHz，系統(tǒng)自動將行為特征線性頻率尺度提取值通過串行E2PROM進行配置校驗，在C 模式下，選擇Motorola 公司高性能 MPC850/86作為三維特征的可視化校驗視覺分析系統(tǒng)，運動圖像三維特征的可視化校驗視覺分析過程可以用如圖2所示的時序圖描述，在PCI Initiator操作過程中，采用可編程邏輯芯片進行圖像信息特征的譜分析，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)和器件選擇分析

根據(jù)上述總體設(shè)計思想和系統(tǒng)設(shè)計的總體架構(gòu)進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。本文設(shè)計的運動圖像三維特征的可視化校驗系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)描述如下：

運動圖像的Harris角點檢測的頻率大于200 Hz，寄存器基器件采用IEEE?488協(xié)議進行圖像信息通信，E2PROM的配置采用VXI總線器件，采樣頻率不低于21 MHz，雙路16位電流輸出，VXI消息基器件具有電磁兼容性，通道輸入范圍為-12～20 dB，運動三維特征可視化校對的模擬濾波器HP E1433A使用新型可編程高通濾波器。根據(jù)上述設(shè)計指標(biāo)，進行系統(tǒng)的功能描述和器件分析，運動三維特征可視化校對系統(tǒng)采用32位數(shù)據(jù)總線計算機模塊進行圖像特征采樣和角點像素值分析。D/A芯片選用的是ADI 的ADSP?BF537。運動三維特征可視化校對系統(tǒng)具有高分辨率特性，可以精確控制高壓，產(chǎn)生電磁輻射，外部晶體采用功耗280 W的有源晶振AD554進行圖像降噪濾波，運動三維特征可視化校對的晶振電路如圖3所示。

運動三維特征可視化校對的晶振電路經(jīng)24倍頻后抑制低頻干擾，在晶振的輸出端放置一個[0.1 μF]的電容，耦合到芯片底下，實現(xiàn)對三維特征的時鐘波形提取。綜合以上要求，運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的外圍器件選擇了ADI公司的高速A/D芯片AD9225作為核心控制處理器，進行系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。

2 系統(tǒng)的硬件電路模塊設(shè)計與軟件設(shè)計實現(xiàn)

2.1 可視化校對系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計

在上述進行了運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的總體設(shè)計和設(shè)計指標(biāo)分析以及功能模塊構(gòu)建的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計，系統(tǒng)的硬件模塊主要有電源電路模塊、三維特征數(shù)據(jù)加載電路模塊、復(fù)位電路模塊、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路模塊以及接口電路模塊等，具體的設(shè)計過程描述如下：

2.1.1 電源電路

運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的電源電路的D/A芯片選用的是ADI的串行D/A轉(zhuǎn)換器AD5545，電源電路的內(nèi)部時鐘振蕩器為ADSP?BF537，它是雙路16位內(nèi)核頻率最高為126 MHz的D/A轉(zhuǎn)換器，建立時間為2 [μs]，運動三維特征可視化校對系統(tǒng)電源電路選用頻率為[25 MHz]、電壓為3.0 V的電源層要隔離開采樣時鐘，通過AN收發(fā)器相連，實現(xiàn)系統(tǒng)的交流供電，電源電路模塊設(shè)計如圖4所示。

由圖4可知，運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的電源電路采用獨立的看門狗輸出，可視化校對系統(tǒng)的電源電路采用分立元件構(gòu)成，其中低電池檢測或者其他電源的檢測為微分電路。當(dāng)電源VCC上電時，DSP在1.6 s內(nèi)隨著電容C兩端電壓的增大而產(chǎn)生突變，所以O(shè)UT在上電時需要通過整流濾波振蕩器進行線性調(diào)制，通過線性調(diào)頻濾波進行振蕩采樣的復(fù)位，當(dāng)復(fù)位有效，持續(xù)一段時間后，DSP采樣BMODE2?0管腳，OUT變高，復(fù)位撤除，地址0x20000000執(zhí)行DSP的工作。

2.1.2 三維特征數(shù)據(jù)加載電路模塊

數(shù)據(jù)加載電路又叫程序加載電路，通過引導(dǎo)ROM進行程序加載，ADSP?BF537程序加載方式較多，本文對運動三維特征可視化校對系統(tǒng)設(shè)計過程中，對運動圖像的三維特征數(shù)據(jù)程序加載模式分析如表1所示。

綜上所述，得到本文設(shè)計的運動圖像的三維特征的數(shù)據(jù)加載電路設(shè)計如圖5所示。

采用表1所述的各個加載方式，結(jié)合本文設(shè)計的運動三維特征的可視化校對程序加載電路，進行運動三維特征的可視化校對。

2.1.3 復(fù)位電路模塊

運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的復(fù)位電路是執(zhí)行系統(tǒng)的幀同步信號、運放AD8674輸出的復(fù)位功能，運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的復(fù)位電路采用CAN 8674為主控芯片，芯片采用的是4通道高性能運放數(shù)據(jù)交換，復(fù)位電路的帶寬為10 MHz，使用ADUM1201進行3線制接口供電，AD8674產(chǎn)生輸出范圍為0～5 V，看門狗復(fù)位電路的輸入端從外部16位存儲器讀取運動圖像的像素角點檢測特征值，從地址0x20000000執(zhí)行0x00字節(jié)的時鐘同步程序，E2PROM的輸出口S0和輸入口接一個上拉電阻，由此實現(xiàn)對三維可視化校對系統(tǒng)的自動復(fù)位，復(fù)位電路設(shè)計如圖6所示。

2.1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路模塊

運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路是實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，提供給計算機和DSP芯片可識別的原始運動三維特征數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的A/D電路的分辨率為12位，最大采樣頻率為25 kHz，采用AD公司的高性能AD芯片AD9225進行設(shè)計，采樣時鐘由CLKBUF給出，ADG3301在輸出端口的絕對電壓滿足：

A/D電路的設(shè)計需要減弱電源毛刺對模擬電路產(chǎn)生的干擾影響，實現(xiàn)單通道雙向電平轉(zhuǎn)換，根據(jù)上述設(shè)計思路，得到A/D電路的設(shè)計結(jié)果如圖7所示。

2.1.5 接口電路模塊

系統(tǒng)的接口電路是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出以及人機通信等功能，接口電路是系統(tǒng)設(shè)計不可少的重要模塊，本文設(shè)計的接口電路采用并聯(lián)瞬態(tài)二極管TVS設(shè)計，接口芯片為82C250，CANH和CANL與地并聯(lián)進行控制信號的輸入輸出，得到接口電路設(shè)計結(jié)果如圖8所示。

在上述運動三維特征可視化校對系統(tǒng)模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計，得到集成電路設(shè)計結(jié)果如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與程序?qū)崿F(xiàn)

在上述進行了運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計，并結(jié)合前期的圖像處理算法，進行程序開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)的完整設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件開發(fā)建立在Visual DSP++ 4.5軟件開發(fā)平臺基礎(chǔ)上，Visual DSP++通過圖形窗口建立運動三維特征的可視化編輯和校對窗口，通過指令流水查看器進行程序加載和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)三維運動特征的可視化校對，在Visual DSP++的Simulator和Emulator中進行軟件開發(fā)，通過Emulator，在Windows 窗口下優(yōu)化ANSI C編譯，程序開始后首先進行初始化，判斷雙緩沖區(qū)的A/D采樣，執(zhí)行同步串口0初始化，采用SPORT0_TCLKDIV寄存器產(chǎn)生幀同步片選信號，配置PORT_MUX寄存器進行可視化校對的程序特征輸出，配置CAN_MBIM1進入CAN收發(fā)模式，采用PPI默認的DMA通道實現(xiàn)系統(tǒng)的人機通信和PPI數(shù)據(jù)讀取，根據(jù)上述設(shè)計思想，采用多個傳輸單元間隔陣列分配校對，得到軟件開發(fā)的流程如圖10所示。

根據(jù)上述軟件開發(fā)流程設(shè)計，進行運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的軟件開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計，最后進行程序加載，通過系統(tǒng)調(diào)試進行性能驗證。

3 程序加載和系統(tǒng)調(diào)試實驗

為了測試本文設(shè)計的運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的性能，進行系統(tǒng)仿真實驗，開發(fā)應(yīng)用程序之前，定義系統(tǒng)文件，進行三維圖像處理算法的程序加載，程序加載過程代碼如下：

S根據(jù)上述程序加載結(jié)果，確定運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的變量和數(shù)組，軟件調(diào)試采用Tektronix TX3 True RMS MultiMeter，運動三維特征可視化校對系統(tǒng)的輸出顯示通過Agilent 混合示波器實現(xiàn)，得到系統(tǒng)對原始的三維圖像的采集輸出結(jié)果如圖11所示，采用本文方法進行三維特征的可視化校對，得到校對輸出結(jié)果如圖12所示。

從圖12可見，采用本文設(shè)計的系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對運動三維特征的可視化校對，對運動圖像的細節(jié)特征捕捉和提取精度較高，性能較好，展示了較好的應(yīng)用性能。

4 結(jié) 語

通過運動三維特征的可視化校對系統(tǒng)的設(shè)計，把圖像處理算法加載到圖像處理系統(tǒng)中，實現(xiàn)對圖像的三維校正和細節(jié)捕捉感知，在圖像識別、體育運動訓(xùn)練指導(dǎo)、體動作特征分析等方面具有重要意義。本文提出一種基于多個傳輸單元間隔陣列分配校對的運動三維特征的可視化校對系統(tǒng)的設(shè)計方法，首先進行了系統(tǒng)總體設(shè)計描述和系統(tǒng)的架構(gòu)分析，給出系統(tǒng)設(shè)計的功能指標(biāo)，對運動三維特征的可視化校對系統(tǒng)的硬件部分進行分塊化設(shè)計，對三維特征提取算法進行程序加載，基于Visual DSP++ 4.5進行軟件系統(tǒng)開發(fā)，進行系統(tǒng)仿真實驗。研究結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進行運動三維特征的可視化校對，具有較好的運動特征提取和細節(jié)分析能力與較好的圖像處理性能。

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