基于Camera Link接口的图像跟踪系统的设计

文章摘要：目前使用的图像跟踪系统前端输入信号一般都是PAL制式的标准全电视信号，每20 ms一场，每40 ms一帧。模拟信号经过视频解码器转换成720×576大小的数字信号后，再对其中的目标进行分割、识别和跟踪，并准确计算出目标的位置角度偏差，并传给伺服机构。在某系统中要求能对3×3像素大小的小目标进行精确跟踪，为了达到跟踪精度，可以提高图像输入的帧频和提高图像输入的分辨率，因此前端采用了 DALSA公司的一款基于Camera Link接口的数字摄像机，该相机的帧频为100 Hz，分辨率高达1 400×1 024。这样帧处理时间就只有10 ms，考虑到系统的实时性，我们采用了TI公司的高性能的DSP芯片

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　　目前使用的图像跟踪系统前端输入信号一般都是PAL制式的标准全电视信号，每20 ms一场，每40 ms一帧。模拟信号经过视频解码器转换成720×576大小的数字信号后，再对其中的目标进行分割、识别和跟踪，并准确计算出目标的位置角度偏差，并传给伺服机构。在某系统中要求能对3×3像素大小的小目标进行精确跟踪，为了达到跟踪精度，可以提高图像输入的帧频和提高图像输入的分辨率，因此前端采用了 DALSA公司的一款基于Camera Link接口的数字摄像机，该相机的帧频为100 Hz，分辨率高达1 400×1 024。这样帧处理时间就只有10 ms，考虑到系统的实时性，我们采用了TI公司的高性能的DSP芯片TMS320C6414和高性能FPGA芯片EP2S30F672为核心的硬件处理平台。

　　1 系统硬件结构和工作原理

　　整个图像跟踪模块的结构图如图1中虚线框所示，整个系统包括以FPGA为核心的图像采集和预处理单元，以DSP为核心的图像处理单元以及由FPGA控制的图像显示单元。

　　由于采集、处理、显示均要访问存储器，为了降低成本，用普通的异步SRAM构成。按照功能来分可分为采集处理用SRAM组和采集显示用SRAM组，每组分别包括两片SRAM，其读写逻辑由FPGA控制，采用乒乓方式进行切换。

　　对于采集处理部分，第K帧时，SRAM1由FPGA控制写入图像数据，同时SRAM2由DSP读数进行处理；第K+1帧时则相反，SRAM2由FPGA控制写入图像数据，同时SRAM1由DSP读数进行处理。

　　对于采集显示部分，第K帧时，SRAM3由FPGA控制写入图像数据，同时SRAM4由FPGA读数进行显示；第K+1帧时则相反，SRAM4由FPGA控制写入图像数据，同时SRAM3由FPGA读数进行显示。

　　整个系统工作过程都是这样的：其中图像采集单元经由差分转换芯片后变成LVTTL信号，直接连至FPGA，由FPGA控制数字图像的采集，进行图像预处理后，将图像数据存储在SRAM中，给DSP发出中断信号，DSP响应中断后，从SRAM中读取一帧图像数据后，进行图像分割、目标提取、目标跟踪算法，计算出方位和高度角偏差分量，将结果通过FPGA的片内的板间通信双口RAM传递给主控模块，主控模块再调整伺服机构保证被跟踪的目标处于视场中心。

　　主控模块还可以将系统的一些状态变量实时的通过板间通信双口RAM传给DSP，DSP根据这些状态生成需要显示的字符，将这些字符写入到FPGA片内字符叠加双口RAM中。FPGA读取显示RAM中的图像数据和片内字符叠加双口RAM内的数据，在原图上叠加十字丝和波门，以及系统的一些状态字符信息，按照 PAL制式时序向DA芯片送视频数据，这样监视器就可以输出标准的PAL制式的图像。

　　2 各个单元设计

　　2.1 基于Camera Link接口的图像采集和预处理单元

　　Camera Link是一种基于视频应用发展而来的接口，它解决了视频数据输出和采集之间的速度匹配问题。Camera Link数据的传输率非常高，可达1 Gb／s，采用了LVDS格式，抗噪性能好。Camera Link的信号包括三个部分：串行通信部分、相机控制部分、视频信号部分，基于Camera Link接口的图像采集单元详图见图2，每个部分采用专门的差分转换芯片。串行通信部分则将异步串口转换成标准的RS 232电平，这样可以由主控机对相机的曝光时间、对比度等设置进行调节。相机控制部分包括4对差分信号，用来对相机进行控制，比如相机的外同步信号输入控制，可以由FPGA进行控制。视频部分的28 b LVTTL信号是关键控制部分，它们直接接在FPGA上，由FPGA来控制采集的时序。

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　　以常用的最简单的矩心跟踪算法为例，DSP每次响应中断后，主要进行的工作是：首先设定搜索的波门，将波门内的数据通过DMA方式快速搬移到片内存储器，然后用矩心跟踪算法进行处理，直至搜索出目标后，将目标的像素的位置偏差计算出来并送给主控板。

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