基于Camera Link接口的圖像跟蹤系統的設計

　　目前使用的圖像跟蹤系統前端輸入信號一般都是PAL制式的標準全電視信號，每20 ms一場，每40 ms一幀。模擬信號經過視頻解碼器轉換成720×576大小的數字信號后，再對其中的目標進行分割、識別和跟蹤，并準確計算出目標的位置角度偏差，并傳給伺服機構。在某系統中要求能對3×3像素大小的小目標進行精確跟蹤，為了達到跟蹤精度，可以提高圖像輸入的幀頻和提高圖像輸入的分辨率，因此前端采用了 DALSA公司的一款基于Camera Link接口的數字攝像機，該相機的幀頻為100 Hz，分辨率高達1 400×1 024。這樣幀處理時間就只有10 ms，考慮到系統的實時性，我們采用了TI公司的高性能的DSP芯片TMS320C6414和高性能FPGA芯片EP2S30F672為核心的硬件處理平臺。

　　1 系統硬件結構和工作原理

　　整個圖像跟蹤模塊的結構圖如圖1中虛線框所示，整個系統包括以FPGA為核心的圖像采集和預處理單元，以DSP為核心的圖像處理單元以及由FPGA控制的圖像顯示單元。

　　由于采集、處理、顯示均要訪問存儲器，為了降低成本，用普通的異步SRAM構成。按照功能來分可分為采集處理用SRAM組和采集顯示用SRAM組，每組分別包括兩片SRAM，其讀寫邏輯由FPGA控制，采用乒乓方式進行切換。

　　對于采集處理部分，第K幀時，SRAM1由FPGA控制寫入圖像數據，同時SRAM2由DSP讀數進行處理；第K+1幀時則相反，SRAM2由FPGA控制寫入圖像數據，同時SRAM1由DSP讀數進行處理。

　　對于采集顯示部分，第K幀時，SRAM3由FPGA控制寫入圖像數據，同時SRAM4由FPGA讀數進行顯示；第K+1幀時則相反，SRAM4由FPGA控制寫入圖像數據，同時SRAM3由FPGA讀數進行顯示。

　　整個系統工作過程都是這樣的：其中圖像采集單元經由差分轉換芯片后變成LVTTL信號，直接連至FPGA，由FPGA控制數字圖像的采集，進行圖像預處理后，將圖像數據存儲在SRAM中，給DSP發出中斷信號，DSP響應中斷后，從SRAM中讀取一幀圖像數據后，進行圖像分割、目標提取、目標跟蹤算法，計算出方位和高度角偏差分量，將結果通過FPGA的片內的板間通信雙口RAM傳遞給主控模塊，主控模塊再調整伺服機構保證被跟蹤的目標處于視場中心。

　　主控模塊還可以將系統的一些狀態變量實時的通過板間通信雙口RAM傳給DSP，DSP根據這些狀態生成需要顯示的字符，將這些字符寫入到FPGA片內字符疊加雙口RAM中。FPGA讀取顯示RAM中的圖像數據和片內字符疊加雙口RAM內的數據，在原圖上疊加十字絲和波門，以及系統的一些狀態字符信息，按照 PAL制式時序向DA芯片送視頻數據，這樣監視器就可以輸出標準的PAL制式的圖像。

　　2 各個單元設計

　　2.1 基于Camera Link接口的圖像采集和預處理單元

　　Camera Link是一種基于視頻應用發展而來的接口，它解決了視頻數據輸出和采集之間的速度匹配問題。Camera Link數據的傳輸率非常高，可達1 Gb／s，采用了LVDS格式，抗噪性能好。Camera Link的信號包括三個部分：串行通信部分、相機控制部分、視頻信號部分，基于Camera Link接口的圖像采集單元詳圖見圖2，每個部分采用專門的差分轉換芯片。串行通信部分則將異步串口轉換成標準的RS 232電平，這樣可以由主控機對相機的曝光時間、對比度等設置進行調節。相機控制部分包括4對差分信號，用來對相機進行控制，比如相機的外同步信號輸入控制，可以由FPGA進行控制。視頻部分的28 b LVTTL信號是關鍵控制部分，它們直接接在FPGA上，由FPGA來控制采集的時序。