基于XC7K325T+TMS320C6678的高速图像处理系统设计与实现

吴志军

摘 要：根据高速图像目标识别与跟踪系统计算量大、传输速率高、实时性强等特点，文章研制了一种基于XC7K325T和TMS320C6678的高性能实时图像处理系统。系统采用FPGA与多核DSP并行处理及流水线操作技术，实现了高速图像目标识别与跟踪，测试结果表明，该系统满足设计要求。

关键词：高速图像处理系统;XC7K325T;TMS320C6678;RapidIO;多处理内核

0 引言

随着高性能图像处理系统对图像处理速度等要求的不断提高，在高速图像目标识别与跟踪处理系统中，单独采用FPGA或DSP处理器已无法满足高速实时图像处理的需求。TI公司的多核DSP处理性能强大，但是并行性不强，难以适应计算异常密集的应用，另外集成性的DSP接口也影响了数据传输的灵活性;FPGA具有极强的并行性，适合密集计算应用，而且可配置I/O和IP核支持多种数据传输接口，但FPGA的内部逻辑资源和存储资源有限，开发难度大，实现复杂算法也较困难。因此，结合多核DSP和FPGA的优势，构建基于FPGA+DSP的高速图像处理系统成为当前一种发展趋势[1]。

本文根据高速图像目标识别与跟踪处理系统算法复杂、计算量大、传输速率高、实时性强等特点，采用XC7K325T和8核TMS320C6678组合，从并行处理及流水线操作方面进行系统优化，通过4×SRIO数据传输，有效提升图像处理速度，实现高速图像目标识别与跟踪[2]。

1 高速图像处理系统需求

高速图像处理系统具备图像目标识别、跟踪及对外接口通信等功能。

算法数据量处理能力要求：

（1）分辨率：1 024×1 024;

（2）数据格式：10 bits;

（3）帧频：200 Hz;

（4）在轻微抖动下（40个像素，   3 Hz），能稳定识别跟踪目标。

2 系统整体设计

高速图像处理系统采用FPGA XC7K325T与8核DSP TMS320C6678架构。FPGA主要完成系统上电控制、时钟和外围设备管理、cameralink与AD数据采集及预处理、通信接口扩展以及与DSP间通信[3]。DSP主要负责系统管理以及后端图像数据和信息处理等工作。

3 高速图像处理硬件设计

3.1  XC7K325T硬件资源

XC7K325T主要具有以下性能特点：

（1）具有326 k个逻辑单元。

（2）具有840个DSP Slices。

（3）具有8个GTX。

3.2  TMS320C6678硬件资源

TMS320C6678是高性能多核DSP处理器，其主要特点如下[3]：

（1）每个内核具备32 K字节L1P，21 K字节L1D，512 K字节本地L2。

（2）两个内核共享4 096 K字节共享SRAM。

（3）4个SRIO2.1通道。

（4）64bit DDR3接口，达到8GB可用的内存空间。

4 高速图像处理系统算法实现

输入cameralink视频图像帧频高达200 Hz，分辨率为1 024×1 024×10 b。图像处理的时间包括视频传输时间和DSP处理时间必须小于等于5 ms。这就需要FPGA与DSP之间通过并行流水操作方式，在利用FPGA图像传输的时间，DSP完成上一帧图像处理及目标识别跟踪功能。

4.1  FPGA算法实现

FPGA逻辑基本可以分为如下几个功能模块。

（1）控制模块：主要完成对时钟芯片的配置及DSP上电时序的控制。

（2）cameralink视频输入输出模块：完成cameralink medium输入视频解析，实现cameralink medium视频输入输出功能。

（3）视频处理功能。

预处理功能：完成输入视频图像的二值化和游程编码，并发送给DSP进行下一步处理。

视频图像格式转换、字符叠加、视频增强、Cameralink原始视频中目标的分离提取;Cameralink视频输出，根据DSP的直方图均衡结果，实现图像的增强，完成图像位宽    10 bits到8 bits的转换。

（4）DSP EMIF实现。

实现DSP EMIF解析功能，DSP通过EMIF与FPGA之间完成预处理结果、配置信息、串口收发等数据传输。

（5）RapidIO预处理视频上传至DSP。

经RapidIO接口将预处理视频传送至DSP，通过DSP实现目标识别、跟踪及图像增强等功能。

4.2  DSP算法实现

在DSP算法中，核心的模块是目标跟踪模块，设锁定的目标图像{xSi}，i=1…n由n个点构成，每个点的灰度级为m级。假设目标中心位于x0，则该目标的核函数直方图可以表示为：

在给定了核函数k（x）及其窗口宽h，系数Ch可以被事先计算出来。通常核函数窗口宽度决定了候选区域的尺度大小。通过下面的Bhattacharrya相似度量在當前帧中找到与目标模型最为相似的图像区域：

5 试验及分析

为了验证高速图像处理系统的性能，将该系统配接分辨率1 024×1 024、帧频200 Hz的镜头，对地面背景下目标进行识别跟踪。

试验结果表明，该系统传输速率高、实时性强，实现了高速图像目标识别与跟踪，满足系统设计要求。

6 结语

数字图像处理技术广泛地应用于工业、医疗、航空航天、军事等领域，随着目标识别跟踪技术的发展，人们对系统的实时性、准确性、鲁棒性和智能性等方面也提出了更高的要求，其中针对视频连续图像中运动物体的高速处理分析是其中应用前景最为广泛的一个方向。

[参考文献]

[1]罗戈亮，鲁新平，李吉成.基于FPGA+DSP的实时图像处理系统设计与实现[J].微处理机，2010（2）：108-110.

[2]RAFAEL C G，RICHARD E.数字图像处理[M].阮秋琦，阮宇智，译.北京：电子工业出版社，2003.

[3]Texas Instruments.TMS320C6678 Datasheet[EB/OL].（2010-11-20）[2021-03-10].https：//www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/405396/TI/TMS320C6678.html.

（编辑 王永超）