基于mpc5000的汽車實時圖像處理系統(tǒng)

基于mpc5000的汽車實時圖像處理系統(tǒng)

道路圖像識別系統(tǒng)正在開發(fā)和應(yīng)用汽車智能技術(shù)，充分體現(xiàn)了汽車安全、可靠、舒適、方便、快速的優(yōu)越性。理想的智能汽車由導航信息資料系統(tǒng)、道路圖像識別系統(tǒng)、微型計算機系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、車輛防碰撞系統(tǒng)、緊急報警系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)和輔助智能系統(tǒng)等組成。其中,道路圖像識別系統(tǒng)就是利用攝像機提供的各種信號,通過汽車智能系統(tǒng)的微控制器和圖像軟件處理分類來識別復(fù)雜的路況,并發(fā)出相應(yīng)的視覺及聽覺方式的警告和措施,從而實現(xiàn)汽車的正確行駛。目前,紅外立體圖像識別技術(shù)的研究已成為世界各國加速研究的一大熱點;在我國圖像處理系統(tǒng)研究也取得多項成果,但用于智能汽車的目標檢測、分類識別的研究,未見報道。本文根據(jù)智能汽車道路圖像識別高幀頻、大視場、算法復(fù)雜度高等特點,設(shè)計一種高速視頻處理系統(tǒng),并按照目標檢測、識別的處理標準,進行圖像處理算法研究和實驗系統(tǒng)實時檢測,以期實現(xiàn)道路圖像識別系統(tǒng)的應(yīng)用。1mpc520視頻處理系統(tǒng)根據(jù)汽車行駛需要高速率捕捉視頻圖像的要求,選用能滿足復(fù)雜算法實時處理視頻影像的MPC5200作為高速處理的核心,并根據(jù)視頻圖像處理系統(tǒng)要求適配外圍電路,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1.1基于pci的視頻探測算法根據(jù)所設(shè)計的智能汽車實時圖像處理系統(tǒng)需要高幀頻、大視場的要求,采用MPC5200高性能嵌入式處理器作為系統(tǒng)的主控制器。MPC5200的高性能603eG2-LE核,在400MHz工作頻率和-40～85℃的溫度范圍內(nèi),可達到760MIPS的處理能力;雙倍精度的浮點單元(FPU)可為大多數(shù)視頻探測算法提供足夠的支持;集成的PCI接口則為CMOS圖像傳感器提供標準化的高速接口。因此,系統(tǒng)設(shè)計有效利用了MPC5200以下功能:SDRAM總線;BestComm智能DMA控制器的快速傳輸數(shù)據(jù);嵌入式603eG2-LE核內(nèi)的16KB指令緩存、16KB數(shù)據(jù)緩存、浮點單元、數(shù)據(jù)緩沖內(nèi)存管理單元、指令緩沖內(nèi)存管理單元、Critical中斷、MMU額外帶有的16個寄存器和1KB的頁面管理。其中SDRAM用來存儲以DMA方式從雙端口存儲器RAM傳輸過來的數(shù)字圖像數(shù)據(jù),通過執(zhí)行芯片內(nèi)的存儲區(qū)程序,對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行處理,并與數(shù)字圖像存儲器組成圖像數(shù)據(jù)分析處理單元,對目標信號作各種圖像數(shù)據(jù)分析處理。另外,還利用閃存FLASH作為存放開機自舉的程序機器碼以及有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù);使用USB控制器提取和保存監(jiān)控系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù);通過I2C接口連接256B的E2PROM(PCF8582C),在E2PROM中保存串口波特率、IP地址、MAC地址等信息。1.2a/d采集單元視頻信號處理單元接收可見光CCD攝像機或紅外攝像機輸出的全視頻信號,并對視頻信號經(jīng)過預(yù)處理程控放大,保證視頻信號有滿意的幅度后進入A/D采集單元,確保A/D全量程工作。視頻信號同時送到圖像混合電路與參考信號混合供圖像監(jiān)視和記錄。視頻信號處理單元采用CMOSVGA圖像傳感器MCM20014。它是完全集成的高性能CMOS圖像傳感器,具有數(shù)字成像應(yīng)用的積分定時、控制和模擬信號處理性能及高解析度寬帶視頻放大等功能。1.3監(jiān)控系統(tǒng)mpc520高速攝像機接口電路MPC5200與系統(tǒng)連接較為簡單,對于本應(yīng)用的時鐘關(guān)系是XTAL:33MHz,XLB:132MHz,IPB:66MHz,PCI:33MHz,HCLK:8.25MHz(來自IPBus時鐘的8/1比率的PWM),連接的方法是在傳感器數(shù)據(jù)總線和PCI數(shù)據(jù)總線之間提供接口邏輯。圖2是MPC5200與接口芯片和CMOS傳感器的連接圖。傳感器信號將通過IRQ線傳輸?shù)組PC5200,幀傳輸需要由MPC5200PCI控制器驅(qū)動,控制信號時序如圖3所示。本文使用的傳感器分辨率為640×480像素,每像素10bit。在每一行后面,脈沖停止,BestComm任務(wù)會自動開始下一行的讀取,直到完成整幅圖片。這種方法有很高的幀速率,每行占用時鐘為15個。傳輸640像素數(shù)據(jù)的占用時鐘為640個,因此傳輸一行像素的總占用時鐘為655個。每幀畫面有480行,則所需的時鐘為655×480=314400。如果采用33MHz的PCI時鐘,則傳輸每幀畫面需要9.52ms,即每秒可傳輸105幀。從這里可以看出,幀速率取決于時鐘和傳感器的分辨率。完成一幅完整的圖片而讀取的脈沖長度和行數(shù),就是BestComm的參數(shù),這些參數(shù)可以根據(jù)每種傳感器的類型進行調(diào)整。2mpeg-x視頻系統(tǒng)幀間編碼的復(fù)雜程度圖像處理算法應(yīng)減小視頻圖像中的幀間冗余度。運動估計算法是國際標準MPEG-X的構(gòu)成基礎(chǔ),如何有效處理好視頻系統(tǒng)的幀間編碼,取決于運動估計算法體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。根據(jù)空域相關(guān)塊的運動水平,采用自適應(yīng)搜索算法是滿足視頻編碼具有較高搜索速度和準確度的一種方法。2.1搜索運動矢量對智能汽車視頻圖像的實時處理要求快速、高效。提出基于中心偏置的自適應(yīng)搜索算法,可確保各種圖像序列的高速和準確搜索。自適應(yīng)算法的基本思想是:先以一定指標對當前待編碼塊進行預(yù)判,再根據(jù)預(yù)判結(jié)果,利用速度較快的算法搜索預(yù)判為小運動塊的運動矢量,利用精度較高的算法搜索預(yù)判為大運動塊的運動矢量。通過對中心偏置搜索算法和帶起點預(yù)測的DS算法的綜合,形成了自適應(yīng)的搜索算法(adaptivesearch,簡稱AS),對應(yīng)于運動等級1的算法為CS,對應(yīng)于運動等級2的算法為PDS,考慮到自適應(yīng)的條件,需要已知4個相鄰塊的運動矢量來判斷當前塊的運動水平,對于位于圖像邊界的一些塊,無法得到全部4個相鄰塊的運動矢量,對于位于整幀圖像第1行、第1列和最后1列的塊,只采用運動等級2對應(yīng)的PDS算法來進行搜索。此外,為了防止連續(xù)多個塊采用CS算法而造成小矢量的蔓延,規(guī)定在一些特定的位置上不能采用CS算法,這些塊坐標(X,Y)均為偶數(shù)的塊,將采用PDS算法。2.2不同兩組典型序列的特性為了測試算法的健壯性,采用了多種不同的測試序列:QCIF格式為Mother&Daughter,Coast-Guard;CIF格式為Foreman,Stefan。其中Mother&Daughter為空間細節(jié)不豐富、運動變化小的視頻序列;Foreman,Coastguard序列為空間細節(jié)中等、運動變化中等的視頻序列;Stefan序列為空間細節(jié)很豐富、運動變化較大的視頻序列。對這4個序列進行了計算機仿真,使用MPEG-4VM的MoMuSysV2.0.2編碼器,最大位移為8。為了保證在相同的條件下比較,排除積累誤差,測試中對幀的設(shè)置為IPPP(每個序列的每隔15幀取1幀),Mother&Daughter、Coastguard取前100幀,Foreman,Stefan取前200幀。從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),對幾個典型序列結(jié)果的比較,包括亮度的PSNR(峰值信噪比)、δPSNR(與FS的PSNR差)、搜索點數(shù)(塊匹配的次數(shù))以及搜索速度相對于FS提高的倍數(shù),自適應(yīng)搜索算法AS表現(xiàn)出了最佳的綜合性能,其速度全面快于DS算法,對于緩變序列Mother&Daughter,速度提升最高,對于非緩變序列,其精確度和速度也全面優(yōu)于DS算法。圖4為100幀Coastguard序列搜索速度的比較?？梢钥闯?每幀的結(jié)果與前面的分析也是一致的,AS算法提升了對緩變序列搜索的速度,與單一的DS算法相比,具有更高的搜索速度、搜索精度,而且具體算法形式簡單、易于實現(xiàn)。3系統(tǒng)已實現(xiàn)的硬件功能系統(tǒng)軟件包括PPCBoot、內(nèi)核初始化、系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)和捕捉函數(shù)、設(shè)備驅(qū)動和文件系統(tǒng)等。當一個系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生時,將參數(shù)放在堆棧上,然后調(diào)用一個陷阱處理程序。操作系統(tǒng)會從堆棧上取得參數(shù),并調(diào)用陷阱處理程序,然后根據(jù)所帶的參數(shù)完成相關(guān)工作;當外圍設(shè)備硬件處理函數(shù)的調(diào)用時,用于外圍設(shè)備的程序被放在設(shè)備驅(qū)動模塊中。對內(nèi)核而言,對設(shè)備驅(qū)動模塊的調(diào)用只能通過一些接口函數(shù)完成。在實際應(yīng)用中,需建立用戶程序和這些程序之間的通信。Linux操作系統(tǒng)中采用文件系統(tǒng)來完成設(shè)備驅(qū)動模塊和用戶應(yīng)用程序之間的通信。設(shè)備驅(qū)動更像一個普通的文件,用戶可以對它進行打開、關(guān)閉、讀取和寫入操作。操作系統(tǒng)分析這類操作的對象,并將它們映射到相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動代碼中。硬件驅(qū)動程序分為字符設(shè)備模塊、塊設(shè)備模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊。其中,IME6400驅(qū)動程序是被作為字符設(shè)備模塊對待的,當Dserver進程從IME6400中讀取媒體數(shù)據(jù),并在數(shù)據(jù)滿一幀的時候,把數(shù)據(jù)放在隊列上,然后執(zhí)行Dsend進程,通過Cserver進程接收和處理來自PCviewer的請求,確定是否完成硬盤存儲或網(wǎng)絡(luò)傳輸。IME6400的驅(qū)動程序包括如下功能:IME6400-open、IME6400-read、IME6400-ioctl、IME6400-release、IME6400-init、IME6400-exit、IME6400-interrupt、IME6400-reset、IME6400-download、IME6400-boot、queue-init、queue-empty、get-queue-len、update-queue、queue-to-user、Write32、Read32等。每個功能都有相關(guān)的對應(yīng)函數(shù)。系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像采用標準的TCP/IP協(xié)議進行傳輸,編碼采用具有極高編碼效率