基于Camera Link接口的圖像跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　目前使用的圖像跟蹤系統(tǒng)前端輸入信號(hào)一般都是PAL制式的標(biāo)準(zhǔn)全電視信號(hào)，每20 ms一場(chǎng)，每40 ms一幀。模擬信號(hào)經(jīng)過視頻解碼器轉(zhuǎn)換成720×576大小的數(shù)字信號(hào)后，再對(duì)其中的目標(biāo)進(jìn)行分割、識(shí)別和跟蹤，并準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)的位置角度偏差，并傳給伺服機(jī)構(gòu)。在某系統(tǒng)中要求能對(duì)3×3像素大小的小目標(biāo)進(jìn)行精確跟蹤，為了達(dá)到跟蹤精度，可以提高圖像輸入的幀頻和提高圖像輸入的分辨率，因此前端采用了 DALSA公司的一款基于Camera Link接口的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，該相機(jī)的幀頻為100 Hz，分辨率高達(dá)1 400×1 024。這樣幀處理時(shí)間就只有10 ms，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，我們采用了TI公司的高性能的DSP芯片TMS320C6414和高性能FPGA芯片EP2S30F672為核心的硬件處理平臺(tái)。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

　　整個(gè)圖像跟蹤模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖1中虛線框所示，整個(gè)系統(tǒng)包括以FPGA為核心的圖像采集和預(yù)處理單元，以DSP為核心的圖像處理單元以及由FPGA控制的圖像顯示單元。

　　由于采集、處理、顯示均要訪問存儲(chǔ)器，為了降低成本，用普通的異步SRAM構(gòu)成。按照功能來分可分為采集處理用SRAM組和采集顯示用SRAM組，每組分別包括兩片SRAM，其讀寫邏輯由FPGA控制，采用乒乓方式進(jìn)行切換。

　　對(duì)于采集處理部分，第K幀時(shí)，SRAM1由FPGA控制寫入圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)SRAM2由DSP讀數(shù)進(jìn)行處理；第K+1幀時(shí)則相反，SRAM2由FPGA控制寫入圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)SRAM1由DSP讀數(shù)進(jìn)行處理。

　　對(duì)于采集顯示部分，第K幀時(shí)，SRAM3由FPGA控制寫入圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)SRAM4由FPGA讀數(shù)進(jìn)行顯示；第K+1幀時(shí)則相反，SRAM4由FPGA控制寫入圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)SRAM3由FPGA讀數(shù)進(jìn)行顯示。

　　整個(gè)系統(tǒng)工作過程都是這樣的：其中圖像采集單元經(jīng)由差分轉(zhuǎn)換芯片后變成LVTTL信號(hào)，直接連至FPGA，由FPGA控制數(shù)字圖像的采集，進(jìn)行圖像預(yù)處理后，將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM中，給DSP發(fā)出中斷信號(hào)，DSP響應(yīng)中斷后，從SRAM中讀取一幀圖像數(shù)據(jù)后，進(jìn)行圖像分割、目標(biāo)提取、目標(biāo)跟蹤算法，計(jì)算出方位和高度角偏差分量，將結(jié)果通過FPGA的片內(nèi)的板間通信雙口RAM傳遞給主控模塊，主控模塊再調(diào)整伺服機(jī)構(gòu)保證被跟蹤的目標(biāo)處于視場(chǎng)中心。

　　主控模塊還可以將系統(tǒng)的一些狀態(tài)變量實(shí)時(shí)的通過板間通信雙口RAM傳給DSP，DSP根據(jù)這些狀態(tài)生成需要顯示的字符，將這些字符寫入到FPGA片內(nèi)字符疊加雙口RAM中。FPGA讀取顯示RAM中的圖像數(shù)據(jù)和片內(nèi)字符疊加雙口RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)，在原圖上疊加十字絲和波門，以及系統(tǒng)的一些狀態(tài)字符信息，按照 PAL制式時(shí)序向DA芯片送視頻數(shù)據(jù)，這樣監(jiān)視器就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的PAL制式的圖像。

　　2 各個(gè)單元設(shè)計(jì)

　　2.1 基于Camera Link接口的圖像采集和預(yù)處理單元

　　Camera Link是一種基于視頻應(yīng)用發(fā)展而來的接口，它解決了視頻數(shù)據(jù)輸出和采集之間的速度匹配問題。Camera Link數(shù)據(jù)的傳輸率非常高，可達(dá)1 Gb／s，采用了LVDS格式，抗噪性能好。Camera Link的信號(hào)包括三個(gè)部分：串行通信部分、相機(jī)控制部分、視頻信號(hào)部分，基于Camera Link接口的圖像采集單元詳圖見圖2，每個(gè)部分采用專門的差分轉(zhuǎn)換芯片。串行通信部分則將異步串口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS 232電平，這樣可以由主控機(jī)對(duì)相機(jī)的曝光時(shí)間、對(duì)比度等設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)。相機(jī)控制部分包括4對(duì)差分信號(hào)，用來對(duì)相機(jī)進(jìn)行控制，比如相機(jī)的外同步信號(hào)輸入控制，可以由FPGA進(jìn)行控制。視頻部分的28 b LVTTL信號(hào)是關(guān)鍵控制部分，它們直接接在FPGA上，由FPGA來控制采集的時(shí)序。