一种基于TMS320C6713视频处理系统

张宇航++董翔宇++王晓东

摘要：针对某型导弹模拟训练装置的需求，本文设计了一种基于TMS320C6713视频采集综合处理系统，通过摄像头采集视频图像，以浮点DSP芯片TMS320C6713为核心处理器，采用高速FPGA芯片XC5VS95T实现逻辑控制技术，通过千兆网口送给某型导弹模拟训练装置并显示。该视频综合处理系统易于操作，性能稳定，功耗低。

关键词：TMS320C6713 FPGA 视频处理 导弹模拟训练装置

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0095-02

传统的视频图像处理通常采用图像采集卡，将模拟信号转换成数字信号，然后进行软处理。这样不仅不够灵活，处理能力也受到PC软件的限制。随着数字信号处理器功能的提升，使得数据量与计算量较大的图像硬处理成为可能。本文设计了一种基于TMS320C6713的视频综合处理系统，通过摄像头采集视频图像，以浮点DSP芯片TMS320C6713为核心处理器，采用高速CPLD芯片EPM570实现逻辑控制。该视频采集处理系统设计易于操作，性能稳定，功耗低。

1 系统原理

整个系统的原理框图如图1所示。系统上电后，高速FPGA配置FLASH把配置文件加载到FPGA中。DSP由外部FLASH引导，通过FPGA先设置接口芯片的内部寄存器，再通过I2C总线设置摄像头的控制寄存器。FPGA提供摄像头的工作时序和图像序列的读写时序。2片DPRAM作为摄像头的数据存储器，SDRAM则充当DSP的外部数据缓冲。处理后的图像可以直接输出至上位机进行显示。

2 系统组成

整个系统由三部分构成：视频采集模块、视频处理模块和视频传输模块。

2.1 视频采集模块

采集电路由视频缓冲器、视频A/D转换器和视频同步分离电路等组成。

视频缓冲器：来自摄像机的标准黑白全电视信号的幅度峰—峰值为1V，要送往A/D转换器和行、场同步分离电路，而A/D转换器的满量程为2V，因此，视频缓冲器要对全电视信号进行阻抗匹配和电压放大，并能对全电视信号进行黑电平调整。

A/D转换器采用专业芯片。为5V电源、8bit、20Msps的高速并行A/D转换器，最大量程为2V。

同步分离电路能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全电视信号，输出复合同步信号、垂直同步信号、奇偶场信号和色同步旗形脉冲信号。

采集流程可分为以下几个步骤。

（1）等待场开始。

（2）当场开始信号到来时，进入场处理子程序，开放行中断做好采集一场数据的准备。根据奇、偶场信号可以决定是采集奇场图像还是采集偶场图像，或者采集一帧完整的图像。

（3）当复俣同步信号到来时，进入中断服务子程序，连续采集一行图像数据，并将图像数据存入扩展的数据存储器中。当一场或一帧图像各行数据都采集完毕后，关闭中断。

DSP接收到场开始信号后进入场处理子程序中。在场处理子程序中，先确定将要采集的图像的大小并设置采集、编码及发送过程中要使用的参数，然后打开行采集中断INT0，延时一定数目的行周期后退出场处理子程序，进入图像采集阶段。其A/D转换时序图如图2所示。

2.2 视频处理模块

2.2.1 工作原理

该模块是本系统的核心设计，工作原理如下：

视频信号经A/D转换为图像数字量，数字图像数据在波门的范围内依照地址产生器的地址按照一定的顺序存入双端口存储器DPRAM。

FLASH用作存放开机自举程序的机器以及有关参数数据。

SDRAM主要用作存储以DMA方式从双端口存储器DPRAM传输过来的数字图像数据。

TMS320？C6713执行芯片内程序存储区的程序，对数字图像数据进行处理，这种处理包括目标与背景的分、随机独立噪声信号的剔除、目标的形心计算及跟踪、图像的匹配计算及跟踪和动目标检测、警戒等。它还完成操控状态的循环检测、与主机进行数据通信等工作。

波门电路的作用是根据波形数据形成空心波门和实心波门。空心波门送至视频复合电路供显示用；实心波门分为场实心波门和行实门波门，可用作选通或作形成图像数据的存储地址。

接口部分的电路用双端口存储器构成，其作用是实现与主机的数据中转传输。

视频复合电路的作用是将波门、电十字线、视频信号复合起来，通过视频转换电路，将图像转换为VGA制式图像供监视器显示。

2.2.2 主要工作流程

工作流程简图如图3所示。系统开机后，FLASH内的程序机器码自举到DSP内部的程序存储区，然后TMS320C6713执行程序进行一些初始化，接着判断操作控键的状态以确定进入哪种跟踪处理方式。本装置的工作方式或跟踪方式主要有三种：形心跟踪、匹配跟踪和动目标检测警戒跟踪。

采用形心跟踪技术时，DSP首先对波门内的数字图像进行处理得到一阈值，根据该阈值再从波门内的数字图像中分出目标象元。然后根据分出的全球目标象元位置数据和目标象元的总点数，计算出目标的形心。该形心数据作为下一场波门的跟踪数据；而目标的形心相对于视场 中心的位置数据，则作为目标的偏差数据。

在匹配跟踪的过程中，DSP将新一场波门内的图像与原始模板图像进行逐点比对，计算出新一场波门内图像与原始模板图像的最佳匹配位置数据，然后根据最佳匹配位置数据，形成一场的跟踪波门数据和测偏数据。

TMS320C6713在进行了当场波门内图像数据的DMA传输和图像数据处理之后，形成下一场的波门位置数据和波门大小数据，并向双端口存储器送去波门或目标相对于视频中心的位置数据和其它有关的状态字（目标相对于视场中心的上下左右的状态字），然后返回进入下一场的判断和处理。如此循环往复，即可实现对目标的搜索、捕获、测量、跟踪等。endprint

2.2.3 视频处理方案

该模块由DSP、FPGA和数据缓存器组成。

DSP主要完成的功能有：

（1）加电自举，初始化接口芯片；

（2）通过I2C接口设置摄像头的寄存器；

（3）对图像进行预处理，提高成像质量。

CPLD在本系统中的作用有：

（1）提供图像采集、存储与传输的工作时序；

（2）协同DSP实现复杂的组合逻辑控制电路；

（3）实现标准的VGA接口，外接LCD显示器。

本系统的自动曝光控制和白平衡处理实现方法如下：

采集一帧RGB原始图像，在6711B中先计算出整幅图像亮度的均值m（Y）；然后对图像做直方图均衡化，再计算出此时图像的亮度均值并作为一个阈值Yt。将m（Y）与Yt进行比较，如果m（Y） < Yt，则调大HV7131R的INT（Integration Time）寄存器的值以增加曝光时间；反之，减小曝光时间。白平衡的调节与此相似，根据原始图像与均衡化后的Cr和Cb的均值，通过HV7131R的RCG（Red Color Gain）、BCG（Blue Color Gain）调节红色、蓝色通道的增益。YCrCb和RGB的转换关系式为：

2.3 视频传输模块

本系统图像传输模块采用千兆网传输，选用高度集成芯片RTL8019AS，该芯片集成了额IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层和物理层的性质，具有全双工通信接口。

假设系统同时传输两幅30帧640×480大小10bit视频图像，最大数据量为640×480×30×2×10=184.32Mbps，千兆网最高支持1000Mbps的传输速率，充分满足图像实时传输速率。实际传输过程中，为确保每帧图像的完整，采用异步传输模式，图像序列之间加入了帧同步信号，使带宽利用率有所下降，有必要留下余量。

3 结果

对摄像头获取的某型飞机的视频图像，利用该图像综合处理系统进行了跟踪处理，结果如下图4所示。

4 结语

本文设计的视频处理系统，应用在某型导弹模拟训练装置上，满足该装置的各项指标要求，且易于操作，性能稳定，功耗低。该系统具有较高的工程实用性，受到用户的高度评价。

参考文献

[1]李方慧，王飞，何佩琨，等.TMS320C6000系列DSP原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2003：8-11.

[2]毕明德，孙志刚，肖力.基于TMS320C6713的图像采集处理系统设计[J].电器自动化，2009：31（04）：42-43.

[3]Rafael C.Gonzalez.数字图像处理（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2004.1.

[4]魏翰，唐遵烈，李秦川.基于以太网芯片的图像传输系统网络接口设计[J].电子制作，2013.2：118-119.endprint

2.2.3 视频处理方案

该模块由DSP、FPGA和数据缓存器组成。

DSP主要完成的功能有：

（1）加电自举，初始化接口芯片；

（2）通过I2C接口设置摄像头的寄存器；

（3）对图像进行预处理，提高成像质量。

CPLD在本系统中的作用有：

（1）提供图像采集、存储与传输的工作时序；

（2）协同DSP实现复杂的组合逻辑控制电路；

（3）实现标准的VGA接口，外接LCD显示器。

本系统的自动曝光控制和白平衡处理实现方法如下：

采集一帧RGB原始图像，在6711B中先计算出整幅图像亮度的均值m（Y）；然后对图像做直方图均衡化，再计算出此时图像的亮度均值并作为一个阈值Yt。将m（Y）与Yt进行比较，如果m（Y） < Yt，则调大HV7131R的INT（Integration Time）寄存器的值以增加曝光时间；反之，减小曝光时间。白平衡的调节与此相似，根据原始图像与均衡化后的Cr和Cb的均值，通过HV7131R的RCG（Red Color Gain）、BCG（Blue Color Gain）调节红色、蓝色通道的增益。YCrCb和RGB的转换关系式为：

2.3 视频传输模块

本系统图像传输模块采用千兆网传输，选用高度集成芯片RTL8019AS，该芯片集成了额IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层和物理层的性质，具有全双工通信接口。

假设系统同时传输两幅30帧640×480大小10bit视频图像，最大数据量为640×480×30×2×10=184.32Mbps，千兆网最高支持1000Mbps的传输速率，充分满足图像实时传输速率。实际传输过程中，为确保每帧图像的完整，采用异步传输模式，图像序列之间加入了帧同步信号，使带宽利用率有所下降，有必要留下余量。

3 结果

对摄像头获取的某型飞机的视频图像，利用该图像综合处理系统进行了跟踪处理，结果如下图4所示。

4 结语

本文设计的视频处理系统，应用在某型导弹模拟训练装置上，满足该装置的各项指标要求，且易于操作，性能稳定，功耗低。该系统具有较高的工程实用性，受到用户的高度评价。

参考文献

[1]李方慧，王飞，何佩琨，等.TMS320C6000系列DSP原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2003：8-11.

[2]毕明德，孙志刚，肖力.基于TMS320C6713的图像采集处理系统设计[J].电器自动化，2009：31（04）：42-43.

[3]Rafael C.Gonzalez.数字图像处理（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2004.1.

[4]魏翰，唐遵烈，李秦川.基于以太网芯片的图像传输系统网络接口设计[J].电子制作，2013.2：118-119.endprint

2.2.3 视频处理方案

该模块由DSP、FPGA和数据缓存器组成。

DSP主要完成的功能有：

（1）加电自举，初始化接口芯片；

（2）通过I2C接口设置摄像头的寄存器；

（3）对图像进行预处理，提高成像质量。

CPLD在本系统中的作用有：

（1）提供图像采集、存储与传输的工作时序；

（2）协同DSP实现复杂的组合逻辑控制电路；

（3）实现标准的VGA接口，外接LCD显示器。

本系统的自动曝光控制和白平衡处理实现方法如下：

采集一帧RGB原始图像，在6711B中先计算出整幅图像亮度的均值m（Y）；然后对图像做直方图均衡化，再计算出此时图像的亮度均值并作为一个阈值Yt。将m（Y）与Yt进行比较，如果m（Y） < Yt，则调大HV7131R的INT（Integration Time）寄存器的值以增加曝光时间；反之，减小曝光时间。白平衡的调节与此相似，根据原始图像与均衡化后的Cr和Cb的均值，通过HV7131R的RCG（Red Color Gain）、BCG（Blue Color Gain）调节红色、蓝色通道的增益。YCrCb和RGB的转换关系式为：

2.3 视频传输模块

本系统图像传输模块采用千兆网传输，选用高度集成芯片RTL8019AS，该芯片集成了额IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层和物理层的性质，具有全双工通信接口。

假设系统同时传输两幅30帧640×480大小10bit视频图像，最大数据量为640×480×30×2×10=184.32Mbps，千兆网最高支持1000Mbps的传输速率，充分满足图像实时传输速率。实际传输过程中，为确保每帧图像的完整，采用异步传输模式，图像序列之间加入了帧同步信号，使带宽利用率有所下降，有必要留下余量。

3 结果

对摄像头获取的某型飞机的视频图像，利用该图像综合处理系统进行了跟踪处理，结果如下图4所示。

4 结语

本文设计的视频处理系统，应用在某型导弹模拟训练装置上，满足该装置的各项指标要求，且易于操作，性能稳定，功耗低。该系统具有较高的工程实用性，受到用户的高度评价。

参考文献

[1]李方慧，王飞，何佩琨，等.TMS320C6000系列DSP原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2003：8-11.

[2]毕明德，孙志刚，肖力.基于TMS320C6713的图像采集处理系统设计[J].电器自动化，2009：31（04）：42-43.

[3]Rafael C.Gonzalez.数字图像处理（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2004.1.

[4]魏翰，唐遵烈，李秦川.基于以太网芯片的图像传输系统网络接口设计[J].电子制作，2013.2：118-119.endprint