一種ASIC硬件圖像匹配最大互相關算法的設計和實現

圖像匹配是指通過一定的匹配算法在兩幅或多幅圖像之間識別同名點，如二維圖像匹配中通過比較目標區和搜索區中相同大小的窗口的相關系數，取搜索區中相關系數最大所對應的窗口中心點作為同名點。其實質是在基元相似性的條件下，運用匹配準則的最佳搜索問題。圖像匹配技術是近代信息處理，特別是圖像信息處理領域中極為重要的技術。圖像匹配就是要根據參考圖像和實時圖像來選定某些特征、相似性準則及搜索策略進行相關運算，以確定匹配的最佳空間對應點。它主要研究的問題有特征空間、相似性度量和搜索策略三個方面。圖像匹配關鍵是要確定有效的匹配方法，要求匹配概率高、誤差小、速度快且適時性好。 圖像匹配的方法一般分為基于灰度的匹配方法和基于特征的匹配方法兩大類。

　　圖像匹配是圖像處理和模式識別領域中的一個非常關鍵問題，同時也是眾多計算機視覺理論與應用的基礎，它的研究成果廣泛應用于目標識別、遙感測量、自動導航、虛擬現實、醫學診斷、生產自動化及軍事等方面。由于圖像具有很強的結構性，而圖作為一種描述數據的工具可以保留結構、區域之間的相互關系，是一個非常重要而有效的結構特征信息的表示方式，因此，用圖來描述圖像的結構特征并且應用圖匹配來研究圖像特征之間的匹配問題受到了越來越多的關注，成為了目前模式識別等領域的研究熱點問題。

　　圖像匹配一般可采用如下幾種方式實現：①軟件；②高速DSP;③面向算法的專用ASIC器件。軟件方法靈活，可大大降低計算量，但它必須以高速DSP硬件平臺為基礎，才可能滿足高實時性要求；高速DSP方法簡單靈活，能夠滿足高實時性要求，如TI公司的TMS320C6X系列高速DSP芯片，速度高達1600MIPS[4],單片機就可實現高速實時處理系統。以這高速DSP芯片組成的硬件結構應是圖像匹配計算機首選的硬件實現結構。但對應用于尖端科技的這些高速DSP芯片，西文發達國家對我國采取禁售策略，這使我國的某些科技領域受到很大的制約，因此在我國必須另辟途徑以避免禁售策略的制約。面向算法的專用ASIC器件方法，采用大量的并行功能單元，速度高、可以滿足嵌入式應用中的高速實時計算要求，而且結構簡單、軟件編程簡單、硬件實現容易、體積小、成本低，特別適應我國國情。因此開發研究專用ASIC組成的高速圖像匹配計算機實現結構具有重要的意義。

　　1 圖像匹配最大互相關算法分析

　　基于灰度的圖像匹配算法有許多種，其中最基本的有最小絕對差算法、最小平方差算法，最小卷積算法、最大互相關算法、不變矩算法等十幾種。它們各有優缺點，其中最大互相關算法具有去直流噪聲、匹配位置準確等特點，因而成為圖像匹配采用的主要方法。它的原始公式為：

　　由于原始公式中的變量X（i,j），Y（i+u,j+v）為去均值后的圖像數據，不是原始圖像象素數據，這樣的算法結構有正有負、中間結果量多、計算量大、規律性差，不利于專用硬件實現[3],因此必須對原始公式進行變換。把（2）和（3）式代入原始公式（1）中，變換后的公式為：

　　由于在圖像匹配搜索過程中基準圖是已知的，可預先對基準圖子圖數據進行均值和平方均值計算，然后預先裝配在相關計算機上。在圖像匹配過程中可不記其所需時間，因此圖像匹配所需時間主要為求實時圖數據和基準子圖數據的卷積。這一結論也可通過實際圖像匹配運算得到。在TI公司TMS320C30DSP（33M）上，采用公式（4）對不同象素數的實時圖和參考圖進行全搜索圖像匹配，其運算時間如表1所示（匯編程序、程序放置在片內存儲器，數據片外零等待存儲器）。

　　從表1可看出，圖像匹配的最大互相關算法主要歸結為卷積運算，因此采用專用的硬件卷積電路必將大大加快圖像匹配運算速度。

　　表1 采用互相變換公式圖象匹配運算周期數和時間

　　2 以TMS320C30和專用ASIC器件LS9501組成的圖像匹配計算機結構介紹

　　ASIC是Application Specific Integrated Circuit的英文縮寫，在集成電路界被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。目前，在集成電路界ASIC被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。是指應特定用戶要求和特定電子系統的需要而設計、制造的集成電路。ASIC的特點是面向特定用戶的需求，ASIC在批量生產時與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優點。