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陳燕東 （1979-）

男，湖南澧縣人，碩士，研究方向為智能控制、信息處理、光電檢測。

摘要：研究并設(shè)計了一種基于“FPGA＋DSP＋ARM”架構(gòu)的新型光電混合相關(guān)器。該系統(tǒng)采用DSP與FPGA完成目標(biāo)圖像的采集、預(yù)處理以及畸變不變處理，采用光學(xué)處理模塊實現(xiàn)聯(lián)合圖像的傅立葉變換，得到聯(lián)合功率頻譜，最后，S3C2440完成對該頻譜的采集、振幅調(diào)制濾波、傅立葉逆變換以及圖像識別。大量的實驗表明：該光電混合相關(guān)器實現(xiàn)了圖像識別的智能化、實時化及小型化，具有較強的實用價值。

關(guān)鍵詞：光電混合相關(guān)器；圖像識別；聯(lián)合功率頻譜

Abstract: Based on‘FPGA +DSP+ARM’frame, a novel opticalelectrical hybrid correlator is 
proposed and designed. In this system, TMS320C6416 and FPGA are used to do image collection, 
preprocessing, and distortioninvariant processing, and optical processing module is 
developed to realize joint image FFT and to obtain joint power spectrum; lastly S3C2440 is
 adopted to complete spectrum collection, amplitudemodulated filter, IFFT, and image 
recognition. The large number of experiments show that this opticalelectrical hybrid 
correlator realizes the intelligency, real time, and miniaturization of image recognition.
and it is of great applicable values.

Key words: Optical-electrical hybrid correlator; Image recognition; Joint power spectrum

1 引言

    光學(xué)模式識別以其高速并行處理、無串?dāng)_等優(yōu)點成為實現(xiàn)模式識別實用化和實時化的重要途徑。實現(xiàn)光學(xué)模式識別有兩種方法，一是空間匹配濾波相關(guān)識別，另一種是聯(lián)合變換相關(guān)識別。與匹配濾波相關(guān)器相比，聯(lián)合變換相關(guān)器具有不需要提前制作濾波器和調(diào)試簡單的優(yōu)點，而成為光學(xué)模式識別中的研究熱點。將光學(xué)和計算機(jī)相結(jié)合的光電混合相關(guān)器是實現(xiàn)模式識別實用化的最可行的途徑，在軍用目標(biāo)識別、指紋識別、光纖檢測[1]、工業(yè)零件識別[2]、汽車牌照識別[3]等具有參考圖像識別領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，并取得了很好的識別效果。

    由于待識別的目標(biāo)圖像背景復(fù)雜，圖像特征不明顯，與參考圖像之間存在比例和旋轉(zhuǎn)變化，因此必須進(jìn)行灰度變換和直方圖拉伸等圖像預(yù)處理[4]以及極梅林變換圖像畸變不變處理[5]。而高速處理器為圖像識別的實時性和準(zhǔn)確性提供了可靠保障[4,5]。本文采用了“FPGA＋DSP＋ARM”架構(gòu)，高速DSP處理器TMS320C6416與FPGA完成目標(biāo)圖像的采集與數(shù)據(jù)處理，ARM9處理器S3C2440完成目標(biāo)圖像和參考圖像聯(lián)合功率譜的采集與目標(biāo)圖像識別，實現(xiàn)了圖像識別的智能化、實時化及小型化。

2 新型光電混合相關(guān)器

    新型光電混合相關(guān)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。待識別目標(biāo)通過攝像機(jī)1傳輸?shù)教幚砥饔蒁SP和FPGA構(gòu)成的目標(biāo)圖像采集與處理模塊中，并與存儲的參考圖像同時顯示到被激光光束平行照射的液晶電視上。設(shè)目標(biāo)和參考圖像函數(shù)分為r(x, y-y’)和t(x, y+y’)，則液晶電視上聯(lián)合輸入圖像函數(shù)為：

                               圖1   新型光電混合相關(guān)器的結(jié)構(gòu)圖
                                                   (1)

    該聯(lián)合輸入圖像經(jīng)傅立葉變換透鏡后，在其后焦面上得到聯(lián)合傅立葉頻譜：
                          (2)

    該頻譜經(jīng)低通濾波后，由攝像頭2探測得到聯(lián)合功率譜：
   
                                                                                                 (3)

    其中，(u,v)是以2π/λ?為標(biāo)度的空間頻率坐標(biāo)，|R(u,v)|和|T(u,v)|分別為參考圖像和目標(biāo)圖像的傅立葉變換的振幅。該功率譜通過圖像采集卡傳到ARM9處理器S3C2440中，最后由S3C2440對功率譜進(jìn)行傅立葉逆變換，得到目標(biāo)圖像和參考圖像的相關(guān)輸出：
                                                (4)

    由（3）式和（4）式可得：
           
                                                           (5)

    其中，第一項和第二項分別為目標(biāo)圖像和參考圖像的自相關(guān)，位于坐標(biāo)原點，形成零級光斑；第三項和第四項互為共軛，表示目標(biāo)圖像和參考圖像的互相關(guān)，其輸出沿η軸分別平移2y’和-2y’。 
                                             (6)
                                             (7)

    目標(biāo)圖像與參考圖像的互相關(guān)大小反映了目標(biāo)圖像與參考圖像間的相似程度，相似程度越高，互相關(guān)峰值越大。真目標(biāo)圖像與參考圖像的互相關(guān)性較強，對應(yīng)O3(ξ,η)和O4(ξ,η)峰值較大；假目標(biāo)圖像與參考圖像的互相關(guān)性較弱，對應(yīng)O3(ξ,η)和O4(ξ,η)峰值很小，故可通過閾值比較法判別目標(biāo)圖像的真假，實現(xiàn)圖像識別。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。該光電圖像識別系統(tǒng)主要由目標(biāo)圖像采集與處理模塊、光電相關(guān)聯(lián)合變換模塊以及自動識別模塊構(gòu)成。TMS320C6416DSP與FPGA完成目標(biāo)圖像的采集與處理，ARM9處理器S3C2440完成對相關(guān)功率譜的采集與目標(biāo)圖像識別。

                               圖2   系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 目標(biāo)圖像采集與處理模塊

    該模塊的核心由DSP處理器TMS320C6416和FPGA組成。DSP和FPGA之間采用主/從工作方式，DSP主要完成對目標(biāo)圖像的預(yù)處理和畸變不變處理算法、控制FPGA完成目標(biāo)圖像的采樣以及得到的目標(biāo)圖像與參考圖像的聯(lián)合輸出。FPGA完成對目標(biāo)圖像的采樣過程控制和生成RAM的地址譯碼信號。 

    由攝像頭1拍攝到的目標(biāo)圖像首先進(jìn)行信號調(diào)理，即對圖像進(jìn)行嵌位、鎖相及放大，并利用視頻同步分離器LM1881進(jìn)行同步信號分離。ARM啟動后，控制DSP工作，DSP啟動FPGA進(jìn)行圖像采集，F(xiàn)PGA進(jìn)入圖像采集過程控制：FPGA 在行（HS）場（VS）同步信號和時鐘信號的驅(qū)動下，產(chǎn)生A/D采樣控制信號控制高速A/D芯片TLC5510進(jìn)行圖像采樣，同時，F(xiàn)PGA提供存儲器地址和寫控制信號，采樣數(shù)據(jù)按該地址并在RAM_W有效時，通過74HC244-1向存儲器RAM中寫入數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)實時處理，系統(tǒng)只采集CCD灰度圖像，其幀頻為25Hz，幀圖像分辨率為512×512像素，每個像素點8bit量化。

    采樣完成后，F(xiàn)PGA產(chǎn)生中斷信號（FINT）向DSP申請中斷，DSP在外部中斷1處理過程中，停止FPGA的圖像采集，并置位圖像采集完成標(biāo)志位。DSP檢測到標(biāo)志置位后，將標(biāo)志位清零，然后，控制FPGA產(chǎn)生RAM的地址譯碼，并在RAM_R有效時，通過74HC244-2將RAM中的數(shù)據(jù)以EDMA方式讀至主頻為166MHz的同步動態(tài)存儲器SDRAM 中，從而保證了實時性的要求。

    數(shù)據(jù)傳輸完畢，DSP啟動FPGA進(jìn)行下一幀圖像的采集控制，DSP則進(jìn)入目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理和畸變不變處理過程。在完成對目標(biāo)圖像的數(shù)據(jù)處理后，DSP將處理后目標(biāo)圖像和存儲在ROM中的參考圖像構(gòu)成的聯(lián)合輸入圖像實時輸出到液晶電視上的約定區(qū)域內(nèi)，以便進(jìn)行光信息處理。

3.2 自動識別模塊

    聯(lián)合圖像經(jīng)光信息處理后，其聯(lián)合功率頻譜由S3C2440接收并完成目標(biāo)圖像的自動識別。S3C2440處理器是基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式處理器，主頻為499MHz，且資源豐富，其內(nèi)置的Camara控制器支持最大為4096×4096像素的圖像輸入。聯(lián)合頻譜圖像通過Camara控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并被儲存，然后由S3C2440對頻譜進(jìn)行振幅調(diào)制濾波和傅立葉反變換得到互相關(guān)結(jié)果，進(jìn)行識別。

    為提高相關(guān)輸出結(jié)果和識別能力，利用振幅調(diào)制技術(shù)來進(jìn)行圖像濾波。由于識別物體特征的高頻能量在聯(lián)合功率譜中只有小部分，因此通過振幅調(diào)制可以減少低頻能量增加高頻能量。當(dāng)閾值選取適當(dāng)時，振幅調(diào)制濾波可使功率譜對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)趨于平均，從而提高了識別性能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    光電混合圖像識別系統(tǒng)主要由ARM和DSP兩個部分來完成系統(tǒng)的整體控制，故軟件也由兩部分構(gòu)成。上電初始化后，ARM通過高速通信HPI口使DSP開始工作，DSP在工作后初始化并啟動FPGA，F(xiàn)PGA控制A/D采樣芯片進(jìn)行實時圖像采集。DSP將聯(lián)合圖像輸出到液晶電視后，會向ARM申請外部中斷1。圖3所示為系統(tǒng)工作主流程。

                                    圖3   系統(tǒng)工作主流程圖

5 實驗結(jié)果分析

    針對設(shè)計的光電混合相關(guān)器，進(jìn)行了大量的實驗研究。圖4所示為真目標(biāo)圖像的DSP預(yù)處理結(jié)果，圖(a)為攝像頭1采集的目標(biāo)圖像1，圖(b)為經(jīng)圖像預(yù)處理后得到的所需目標(biāo)圖像信息，將該圖像在DSP中進(jìn)行畸變處理后，與參考圖像(c)同時輸入到光學(xué)模塊進(jìn)行處理。

    圖5為真目標(biāo)的識別結(jié)果，圖(a)為目標(biāo)圖像1與參考圖像得到的聯(lián)合功率譜，通過自動識別模塊實時頻譜處理得到相關(guān)結(jié)果圖(b)，由圖可知，中間為自相關(guān)峰值，自相關(guān)峰兩邊為參考圖像與目標(biāo)圖像的互相關(guān)峰值，即為所需信息，該互相關(guān)峰較大，可以判斷待識別目標(biāo)圖像與參考圖像一致，為真目標(biāo)圖像。

                      （a）目標(biāo)圖像1       （b）圖像1的預(yù)處理   （c）參考圖像

                               圖4   真目標(biāo)的預(yù)處理結(jié)果

                         （a） 真頻譜                    （b） 真相關(guān)

                                圖5   真目標(biāo)的識別結(jié)果

6 結(jié)論

    本文研究并設(shè)計了一種新型的光電混合相關(guān)器，該系統(tǒng)由TMS320C6416與FPGA完成目標(biāo)圖像的采集與處理，通過光學(xué)處理模塊得到圖像聯(lián)合功率頻譜，S3C2440完成對相關(guān)功率譜的采集與目標(biāo)圖像自動識別。大量的實驗表明：與傳統(tǒng)光電圖像識別系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)實時性和精度更高，體積更小，具有較強的實用價值。



參考文獻(xiàn)

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