仿生眼视觉图像处理系统.pdf

本发明涉及一种用于仿生眼视觉图像处理系统。本系统包括摄像头和图像处理器，摄像头输出端经视频解码芯片连接图像处理器的输入端，图像处理器的两个输出端分别连接视频解码芯片和串口。本发明可制成板卡布成4层PCB板。本发明具有实时性强，接口方便，结构小，能够嵌入到仿生眼球中去，完成视觉识别并为眼动控制器提供目标位置参数。该板卡是针对仿生眼球而设计的，为研制具有人眼功能的机器人眼球奠定了基础。

1.  一种仿生眼视觉图像处理系统，包括一个CCD摄像头(1)和一个图像处理器(3)，其特征在于所述CCD摄像头(1)的输出端经一个视频解码芯片(2)连接所述图像处理器(3)的输入端，所述图像处理器的两个输出端分别连接一个视频编码芯片(5)和一个串口(4)的输入端；所述CCD摄像头(1)采集的视频图像，经过所述视频解码芯片(2)转化为便于图像处理器(3)处理的视频码流，在图像处理器(3)中进行图像处理：图像处理算法分割、识别出运动目标，并计算出目标的位置参数；然后通过所述串口(4)将位置参数发送给眼动控制模块，并经所述视频编码芯片(5)输出视频码流到显示器实时显示。

2.  根据权利要求1所述的仿生眼视觉图像处理系统，其特征在于所述CCD摄像头(1)采用型号为XL-313CP4的数字CCD摄像头；所述视频解码芯片(2)采用TVP5150PBS芯片；所述图像处理器(3)的核心芯片采用TI公司推出的C6000 DSP系列中的TMS320DM642这款高性能的DSP；所述视频编码芯片(4)采用SAA7121H芯片；所述串口(5)采用UART串口。

3.  根据权利要求1所述的仿生眼视觉图像处理系统，其特征在于制成板卡布成4层PCB板。

仿生眼视觉图像处理系统
技术领域
本发明涉及一种用于仿生眼球的嵌入式视觉图像处理系统。
背景技术
近年来，智能机器人正在以前所未有的速度走向社会生活的各个领域：如服务机器人、仿人机器人、蛇形机器人、水下机器人、飞行机器人等。他们的运动环境、自身姿态变化和机体振动等对机器人的视觉系统提出了全新的要求。目前，机器人的视觉跟踪系统多采用机电伺服系统，但这种系统在颠簸环境中的适应性不强。而人眼具有在运动时仍然可以跟着注视运动中的物体而且图像清晰的视觉优点。通过对人眼研究表明，这是因为人眼眼球在其神经回路的控制下，可以实现急动性眼球运动、平滑性眼球运动、前庭动眼反射、视机性反射等运动形式。因此，从神经回路的生理学本质上进行仿生眼的研究，研制出具有类似人眼功能仿生眼球对机器人视觉的发展具有突破性的意义。人的眼球运动系统可以看作是视觉-眼动系统在一定刺激下的输出，因此，研究人员都在努力研制出一个实时性好、成像清晰、外型小的视觉图像处理系统，并最终作为仿生眼的一部分嵌入到仿生眼球中。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种仿生眼视觉图像处理系统，可制成一块基于仿生控制的视觉图像处理板卡，该板卡作为一个嵌入式视频图像处理系统，用于实时处理从摄像头采集过来的视频图像，实现目标识别并提取出目标位置参数等信息，并将该参数信息反馈给眼动控制器。该板卡最终将作为仿生眼球的一部分嵌入到仿生眼球中去。
为达到上述目的，本发明的构思是：人的眼球运动系统可以看作是视觉-眼动系统在一定刺激下的输出，它包括两个部分：一是视觉图像处理系统；另一个是眼动控制系统。因此，视觉图像处理系统用于获取外部信息，其性能好坏直接影响到仿生眼球研制的成败。该图像处理系统采用DSP作为核心处理器，由CCD摄像头作为视觉传感器获取外部信息，编写适当的视频图像处理算法提取出运动目标，并计算出目标的位置参数，将该位置信息通过串口反馈给眼动控制器。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种仿生眼视觉图像处理系统，包括一个CCD摄像头和一个图像处理器，其特征在于所述CCD摄像头的输出端经一个视频解码芯片连接所述图像处理器的输入端，所述图像处理器的两个输出端分别连接一个视频编码芯片和一个串口的输入端；所述CCD摄像头采集的视频图像，经过所述视频解码芯片转化为便于图像处理器处理的视频码流，在图像处理器中进行图像处理：图像处理算法分割、识别出运动目标，并计算出目标的位置参数；然后通过所述串口将位置参数发送给眼动控制模块，并经所述视频编码芯片输出视频码流到显示器实时显示。
上述摄像头采用型号为XL-3130CP4的数字CCD摄像头；
上述视频解码芯片采用TVP5150PBS芯片；
上述图像处理器的核心芯片采用TI公司推出的C6000DSP系列中的TMS320DM642这款高性能的DSP。
上述视频编码芯片采用SAA7121H芯片；
上述系统制成板卡布成4层PCB板。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：第一，为嵌入到仿生眼球内，本系统采用最小化结构设计，硬件剪裁到最小，即不进行不必要的外扩，以免影响系统的稳定性，并在不影响电路板上各芯片运行性能的前提下，将该PCB板尺寸布得尽量小；第二，其他的图像处理系统：如基于PC机的图像处理系统实时性不能保证也不能嵌入到仿生眼球中；基于FPGA的结构虽然有速度快的优势，但是目前在图像处理领域的应用还不成熟，开发难度大；而选用以TMS320DM642这款高性能的DSP为核心处理器，具有实时性好，接口丰富，处理速度快，性价比高等优点，各个方面都能满足系统设计的需要。系统中，DSP以25fps的速度进行视频图像的处理，基本达到实时为控制模块反馈跟踪目标的位置信息。
附图说明
图1是视觉图像处理系统结构图
图2是视觉图像处理器的电路连接结构框图
图3是视频解码模块电路图
图4是视频编码模块电路图
图5是FLASH接口电路图
图6是SDRAM接口电路图
图7是串口通信模块电路图
图8是电源模块电路图
图9是时钟模块电路图
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：
本仿生眼视觉图像处理系统由五个部分组成，如图1布成四层PCB板。本系统包括一个CCD摄像头1和一个图像处理器3，其特征在于所述CCD摄像头1的输出端经一个视频解码芯片2连接所述图像处理器3的输入端，所述图像处理器的两个输出端分别连接一个视频编码芯片5和一个串口4的输入端；所述CCD摄像头1采集的视频图像，经过所述视频解码芯片2转化为便于图像处理器3处理的视频码流，在图像处理器3中进行图像处理：图像处理算法分割、识别出运动目标，并计算出目标的位置参数；然后通过所述串口4将位置参数发送给眼动控制模块，并经所述视频编码芯片5输出视频码流到显示器实时显示。
参见图1和图2，本系统的图像处理器3的电路连接如图2所示，图像处理器3连接视频解码芯片2、视频编码芯片5、外部存储器6、串口4和电源时钟7。
参见图3，视频解码模块2：采用TVP5150A这款高性能的视频解码芯片，将CCD采集的PAL视频信号转换成数字色差信号YUV(4:2:2)，输出为ITU-RBT.656的码流，与DM642进行无缝连接。TVP5150A的连接电路如图3所示。
图像处理器3：采用TMS320DM642这款高性能32-bit定点DSP。片内64位的EMIF接口可以与SDRAM、FLASH等存储器件无缝连接，极大地方便了大量数据的搬移。支持BT.656格式的视频数据流的输入格式，能与TVP5150A的视频数据流进行无缝连接。
参见图4，视频编码模块5：采用SAA7121H视频编码器，用于将TMS320DM642输出的BT.656格式的数字视频转化为PAL制式，实时显示视频图像。SAA7121H的连接电路如图4所示。
参见图5和图6，外部存储器接口模块6：TMS320DM642通过外部存储器接口(EMIFA)访问片外存储器。FLASH选用Am29LV033C芯片，用于存储DSP芯片的固定运行程序。SDRAM选用HY57V283220T芯片，用于缓存待处理的图像信息。部分FLASH与DSP的接口原理图如图5所示，部分SDRAM与DSP的接口原理图如图6所示。
串口4：采用TL16C752B作为通用异步收发器UART，采用MAX3160将UART接口配置成RS232接口电平标准。用于为眼动控制器传递参数。串口通信模块电路如图7所示。
参见图8和图9，电源和时钟模块7：电源单元设计：本系统需要三种不同的供电电压，分别是3.3V(外部存储器、视频格式转换电路、通用异步收发器、时钟芯片)、1.4V(DSP的内核)、1.8V(视频格式转换电路)。选用TPS54310和TPS76718这两款电源芯片。本电源系统中，TPS54310输入电压为5V，一路调节成3.3V；另一路调节为1.4V。利用TP54310的电压缓慢启动功能，当DSP内核1.4V电压上电完毕后，其PWRGD引脚输出高电平，第二片的TPS54310的SS/EN引脚接收到此信号，延时3.35ms后，才使能3.3V，解决了DSP芯片内核需要先于外部I/O上电的问题。TPS54310输出的3.3V电压经TPS76718固定输出1.8V。部分电源模块电路如图8所示；时钟电路模块：本设计共需要四种时钟频率，分别是：50MHz送DSP锁相环电路(PLL)，倍频到200MHz作为DSP芯片的工作时钟；133MHz送EMIFA接口，同步扩展外部SDRAM存储器；30.72MHz送TL16C752B芯片，为通用异步串行接口通讯提供时钟；14.31818MHz送TVP5150A芯片，作为视频格式转换电路的工作时钟。部分时钟模块电路如图9所示。