基于DSP的嵌入式图像识别系统设计与实现

【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ａｎ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ′ｓ ＳＡＡ７１１１ ａｎｄ ＴＩ′ｓ Ｃ５５０９ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ， ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ． Ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ， ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ａｎｄ ＵＳＢ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｃｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ】ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ； ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ； ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ｆａｃｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ
部 分 ； 图 像 处 理 模 块 是 系 统 的 核 心 ， 它 由 ＴＩ 公 司 的 ＴＭＳ３２０Ｃ－ ５５０９［１，２］来实现。
识 别 系 统 的 工 作 流 程 ： 系 统 上 电 后 ， ＳＡＡ７１１１［３］对 摄 像头送过来的模拟图像信号进行解码后输出数字图像信 号和控制信号， 经过 ＣＰＬＤ 逻辑转换后直接由 Ｃ５５０９ 的 ＤＭＡ 通道采集存储到 Ｃ５５０９ 的外部扩展存储器 ＳＤＲＡＭ 中， 当一幅图像采集完毕后， Ｃ５５０９ 调用图像校准及归一 化算法完成图像的预处理， 然后调用特征提取算法提取 图像特征， 最后将提取的特征送入分类器进行分类识别， 即将提取的特征与存储在 ＦＬＡＳＨ 上的特征库中的特 征 进行匹配， 并将识别结果显示在 ＬＣＤ 屏上。特征库以及 分 类 器 参 数 是 通 过 ＰＣ 机 进 行 预 先 提 取 及 训 练 后 通 过 ＵＳＢ 接口下载到 ＦＬＡＳＨ 中的。 ２．１ 图像采集模块
视频技术应用与工程
文章编号： １００２－ ８６９２（ ２００６） ０２－ ００８２－ ０３
基于 ＤＳＰ 的嵌入式图像识别系统设计与实现 ＊ ·论文·
王孝国， 张雄伟 （ 中国人民解放军理工大学 通信工程学院， 江苏 南京 ２１０００７）
【摘 要】设计实现了一种基于 ＤＳＰ 的嵌入式图像识 别 系统 。该 系 统采 用 专 用视 频 输 入处 理 芯 片 ＳＡＡ７１１１ 和 ＤＳＰ 实 现 了数 字 图
通常， ＤＳＰ 系统的开发都基于 ＤＳＰ 仿真器， 在研发 时 通 过 仿 真 器 将 程 序 装 载 到 ＲＡＭ 中 进 行 程 序 的 调 试 ，
８３ Ｎｏ．２ ２００６（ Ｓｕｍ Ｎｏ．２８４ ） ＶＩＤＥＯ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
视频技术应用与工程
当程序版本定型后由仿真器及 ＦＬＡＳＨ 烧 写 程 序 将 ＤＳＰ 程序代码烧写到片外 ＦＬＡＳＨ 中。因此， ＤＳＰ 产品的后续 升级维护就很麻烦， 一旦系统出了故障或程序版本进行 了 升 级 ， 需 要 重 新 烧 写 ＦＬＡＳＨ， 对 普 通 用 户 来 说 是 不 可 能用仿真器进行 ＦＬＡＳＨ 中代码更新的。针对这一情况， 本系统设计了一种非常方便的升级维护方法。
１ 引言
图 像 识 别 技 术 在 国 家 安 全 、军 事 安 全 、公 安 、司 法 、 交通、金融和芯片检测制造等领域具有极广阔的应用前 景。由于图像识别难度高， 技术复杂， 准确率较低， 故尚未 得到广泛应用， 而现有的一些图像识别系统多数面对计 算机应用， 其方案采用 ＰＣＩ 图像采集卡进行图像采集和 ＰＣ 机软件进行图像处理， 致使 该方案体积较大， 成本较 高， 不便于携带。因此， 笔者设计了一种基于 ＤＳＰ 的嵌入 式 图 像 识 别 系 统 。该 系 统 包 括 图 像 采 集 、特 征 提 取 和 识 别 以及 ＵＳＢ 通信等模块， 其体积小， 功 耗 低 ， 速 度 快 ， 适 应 性好， 易于携带， 易于升级维护， 既可作为手持识别设备， 也可安装在门禁系统中。
＊ 江苏省“图像处理与图像通信”高校重点实验室资助（ ＫＪ Ｓ０３０３６）
８２
２００６ 年第 ２ 期（ 总第 ２８４ 期）
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＆ ｐｒ ｏｊｅｃｔ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
图 ２ 给出了采集图像大小为 ３６０×２８８ 时的控制逻辑 时序仿真图。其主要设计思路如下。
系统硬件采用二次引导的方式从片外 ＦＬＡＳＨ 中 把 程序加载到 ＲＡＭ 中， 其中一次引导程序由 ＤＳＰ 自带的 引导程序加载， 该程序首先完成 ＵＳＢ 接口检测、ＦＬＡＳＨ 烧写、特征库更新。引导程序首先检测设备是否挂接在 ＰＣ 机的 ＵＳＢ 接口上， 如果没有连接在 ＵＳＢ 口上， 则该程 序将识别主程序从 ＦＬＡＳＨ 中引导进来， 并跳转到识别主 程序的入口地址开始执行。如果发现设备挂接在 ＰＣ 机 的 ＵＳＢ 接口上， 则等待 ＰＣ 机发送“软件升级”或“特征库 更新”命令， 一次引导程 序 分 别 把 从 ＵＳＢ 端 口 上 接 收 的 新的识别程序或特征库 数据烧写到 ＦＬＡＳＨ 指定的位置 中。烧写完毕后， ＰＣ 机可以发送“运行”命令， 控制一次引 导程序将识别程序加载到 ＲＡＭ 中并运行， 识别程序 可 以根据 ＰＣ 机端的命令将采集到的原始图像数据上传到 ＰＣ 机构成训练样本集。
在图像进行分析处理时应尽可能地使用 ＤＳＰＬＩＢ 和 ＩＭＡＬＩＢ 库中的函数， 如对图像数据进行离散余弦变换、 二 维 小 波 变 换 时 ， 可 采 用 ＩＭＡＬＩＢ 提 供 的 ＩＭＧ＿ｓｗ＿ｆｄ－ ｃｔ＿８ｘ８， ＩＭＧ＿ｗａｖｅ＿ｄｅｃｏｍ＿ｔｗｏ＿ｄｉｍ 等函数， 这些函数均用汇 编语言编写， 优化程度很高。另外， 在 Ｃ 程序中尽可能地 采用内联（ ｉｎｌｉｎｅ） 函数， 以便提高代码的集成度。由于采 用混合编程方法， 故在程序设计上要严格遵循函数调用 规则和寄存器的使用约定。 ２．３ ＵＳＢ 通信模块
能不在图像的左上角， 使得采集到的图像由前后两幅图 像的拼接而成。
３） ＤＭＡ 通道数据传输 由于系统设计中没有采用专门的帧存储器， 故保证 图像数据的不丢失采集存储是一个关键问题。若采用中 断方式进行数据采集， 即 ＤＳＰ 收到外部中断后来访问外 部 存 储 器 （ 本 系 统 中 为 ＣＰＬＤ） ， 则 会 丢 失 大 量 的 图 像 样 点数据， 这是因为 ＤＳＰ 收到中断信号后需要执行大量的 保护指令， 会耗费大量的 ＣＰＵ 时钟 周 期 ， 当 这 些 指 令 执 行完毕后再去读取数据时， 样本点数据早已发生了变化， 从而导致数据丢失。故系统设计中采用 ＤＭＡ 通道进 行 数 据 采 集 ， 其 触 发 信 号 由 ＣＰＬＤ 的 ｉｎｔｄｓｐｌ 产 生 ， 一 旦 Ｃ５５０９ 的 ＤＭＡ 控制器收到 ｉｎｔｄｓｐｌ 中断触发信号， 它就 启动一次 ＤＭＡ 传输操作。在 ＤＭＡ 通道采集数据时， 需 要对 Ｃ５５０９ 的 ＥＭＩＦ 的读时序进行正确配置， 否则不能 正确采集图像数据。
图像识别系统需要通过 ＵＳＢ 接口与主机进行通信，
便于进行特征及分类器参数的更新， 同时， 通过该接口可 以将识别系统采集的训练样本上传给 ＰＣ 机， 实现特征 提取以及分类器算法的设计。
ＴＭＳ３２０Ｃ５５０９ 提供了 ＵＳＢ２．０ 接口控制器， 该控制 器 集 成 了 ＵＳＢ２．０ 收 发 器 （ 物 理 层 ） 和 串 行 接 口 引 擎 ＳＩＥ （ 链路层， 实现底层 通 信 协 议 ） ， 利 用 该 ＵＳＢ 接 口 就 可 方 便地将 ＤＳＰ 与 ＰＣ 机进行互联。
００００
００００
００００
００００
００００
００００
ＺＺＺＺ
０００２
ＺＺＺＺ
０００４
图 ２ 图像采集时序仿真图
２．２ 图像处理模块 硬 件 系 统 的 核 心 处 理 器 采 用 ＴＩ 公 司 的
ＴＭＳ３２０Ｃ５５０９， 它是 ＴＩ 推出的新一代低功耗高性能 １６ 位 定 点 数 字 信 号 处 理 器 （ ＤＳＰ） ， 其 工 作 主 频 可 到 ２００ ＭＨｚ， 周期效率达到了 Ｃ５４ｘ 的 ２ 倍， 且功耗只有 Ｃ５４ｘ 的 １／６， 具有强大的图像分析和处理功能。图像处理模块的 主要工作是实现图像数据的特征提取并完成分类工作， 同时利用 ＤＭＡ 通道配合图像采集模块实现图像数据的 无丢失采集。
Ｎａｍｅ：
Ｖａｌｕｅ：
ｖｐｏ［１５．．０］ Ｈ ００００
ｌｌｃ２
０
ｒｔｓ０
０
ｖｒｅｆ
０
ｈｒｅｆ
０
ｄｓｐｃｔｌ
０
ｃｅ０
１
ｉｎｔｄｓｐ１
１
Ｄ［１５．．０］ Ｈ ＺＺＺＺ
１００．０ ｎｓ ２００．０ ｎｓ ３００．０ ｎｓ ４００．０ ｎｓ ５００．０ ｎｓ ６００．０ ｎｓ ７００．０ ｎｓ ８００．０ ｎｓ ９００．０ ｎｓ １．０ !ｓ １．１ !ｓ １．２ !ｓ
【文献标识码】Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ
ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ ｇｕｏ， ＺＨＡＮＧ Ｘｉｏｎｇ－ ｗｅｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＩＣＥ， ＰＬＡＵＳＴ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７， Ｃｈｉｎａ）
２ 系统的软硬件设计
系统硬件结构如图 １ 所示， 主要包括图像采集模 块、图像处理模块、ＵＳＢ 通信模块。
存储器
摄像头 ＳＡቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ７１１１
ＣＰＬＤ 图像提取 中断逻辑
ＥＭＩＦ Ｃ５５０９ Ｉ２Ｃ ＵＳＢ
ＥＳＡＭ ＰＣ机