基于CPLD+DSP的實時數字圖像穩定系統

數字圖像穩定是圖像序列處理中得一項重要的前處理步驟。早期的方法是對攝像機本身的機械和光路進行穩定，隨著數字技術的發展，可以對采集到的圖像進行處理，使圖像在顯示器上能夠穩定地顯示，同時也為了更好地為后續處理提供穩定的圖像序列，如圖像拼接、圖像增強、信息融合、目標追蹤、目標識別等各種圖像處理技術的綜合運用。在實現實時圖像穩定系統方面，由于圖像計算量大，必須選用高性能數字信號處理器。目前實現實時圖像處理的主要方式有4種：1)基于通用PC機；2)基于通用DSP；3)基于專用或多DSP；4)基于可編程FPGA或DSP+FPG。在通用PC機上可方便地進行各種圖像算法的仿真試驗，但是這種方法只能在實驗室進行，難以現場應用。其中基于通用DSP這種方案的優點在于，價格便宜、資料豐富、開發相對簡單，并且處理速度也隨著器件性能提高，已經能滿足圖像穩定所需要的實時處理，形成脫機系統。針對實時數字圖像穩定處理，介紹一種采用高性能系列的DSP C6416，開發出一套數字圖像處理系統。該系統采用雙口RAM作為高速數據輸入輸出緩沖通道，由CPLD進行系統的邏輯控制，DSP的EDMA完成數據的片內片外傳送，通過配置和軟件優化，最終完成了系統的高度實時運行。

1 穩像方法和步驟
數字圖像穩定處理過程主要由3部分組成：運動矢量估計模塊(ME)，運動矢量補償模塊(MC)和圖像序列合成模塊(IC)。通過ME模塊找到幀間運動偏移，由MC模塊進行圖像拼接完成運動補償，最后經IC模塊進行圖像剪裁輸出。
運動矢量估計模塊中，通過比較當前圖像和參考圖像中相同的部分，找到兩幀圖像問的偏移量，即運動矢量，廣泛應用于視頻處理與編碼，如圖1所示。

圖1中用實線所畫的方框表示匹配塊，虛線所畫的方框表示搜索窗。假定第k幀為當前幀，為了計算第k幀相對于第k-n幀的運動偏移量。在第k-n幀的中心位置選擇一個N×N像素大小的匹配塊，同時在第k幀上選擇一個M×M(M>N)大小的搜索窗，搜索窗的中心位置與第k幀的匹配塊中心位置重合，通過用式(1)比較兩幅圖像間所有相應像素間絕對差的累和VSAD(Sum of Absolute Difference)，在搜索窗內找出和匹配塊圖像最匹配的位置，即VSAD最小值的位置。該匹配位置坐標和搜索窗中心點坐標的相對位置(△x，△y)，即為兩幀圖像的偏移運動矢量。

式中，分別為參考圖像和當前圖像(i，j)位置的像素強度。
獲得的圖像序列之間的運動矢量參數后，糾正當前圖像，使其恢復到正確的位置，獲得相對穩定的圖像序列，然后送到相應的顯示裝置或存儲介質。

2 穩像系統的方案設計
TMS320C6416是TI公司最新推出的高性能DSP，該器件擁有8個并行處理單元，工作頻率為600 Hz，最高處理速度可達4800M／s(MFLOPS)。采用類似RISC的超常指令字(VLIW)結構，在最好的情況下，TMS320 C64X系列的DSP在一個指令周期可同時執行8條32位有效指令，因此可以達到極高的處理性能。
2．1 系統組成
為適合高速圖像采集與處理，采用CPLD+DSP的應用方案，由于DSP只專注數據處理，但缺乏控制能力，利用高速邏輯器件CPLD配合DSP完成實時任務控制與處理，是系統的最佳組合。經過比較，選用XC95144XL作為CPLD控制器，主處理DSP TMS320C6416系列器件進行圖像處理計算。該系統結構如圖2所示。