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)和應用汽車智能技術，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雜的路況,并發(fā)出相應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、算法復雜度高等特點,設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,其結構框圖如圖1所示。1.1基于pci的視頻探測算法根據(jù)所設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,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核內的16KB指令緩存、16KB數(shù)據(jù)緩存、浮點單元、數(shù)據(jù)緩沖內存管理單元、指令緩沖內存管理單元、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,對于本應用的時鐘關系是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整。2mpeg-x視頻系統(tǒng)幀間編碼的復雜程度圖像處理算法應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的構成基礎,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構的復雜程度。根據(jù)空域相關塊的運動水平,采用自適應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搜索算法,可確保各種圖像序列的高速和準確搜索。自適應算法的基本思想是:先以一定指標對當前待編碼塊進行預判,再根據(jù)預判結果,利用速度較快的算法搜索預判為小運動塊的運動矢量,利用精度較高的算法搜索預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測的DS算法的綜合,形成了自適應的搜索算法(adaptivesearch,簡稱AS),對應于運動等級1的算法為CS,對應于運動等級2的算法為PDS,考慮到自適應的條件,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。從實驗結果可以發(fā)現(xiàn),對幾個典型序列結果的比較,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。可以看出,每幀的結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、內核初始化、系統(tǒng)調用函數(shù)和捕捉函數(shù)、設備驅動和文件系統(tǒng)等。當一個系統(tǒng)調用發(fā)生時,將參數(shù)放在堆棧上,然后調用一個陷阱處理程序。操作系統(tǒng)會從堆棧上取得參數(shù),并調用陷阱處理程序,然后根據(jù)所帶的參數(shù)完成相關工作;當外圍設備硬件處理函數(shù)的調用時,用于外圍設備的程序被放在設備驅動模塊中。對內核而言,對設備驅動模塊的調用只能通過一些接口函數(shù)完成。在實際應用中,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)來完成設備驅動模塊和用戶應用程序之間的通信。設備驅動更像一個普通的文件,用戶可以對它進行打開、關閉、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的設備驅動代碼中。硬件驅動程序分為字符設備模塊、塊設備模塊和網(wǎng)絡接口模塊。其中,IME6400驅動程序是被作為字符設備模塊對待的,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)絡傳輸。IME6400的驅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。每個功能都有相關的對應函數(shù)。系統(tǒng)產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