摘 要： 介紹了基于ADSP" title="DSP">DSP-BF533" title="BF533">BF533的電力線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于圖像監(jiān)測的電力線覆冰監(jiān)測裝置。系統(tǒng)通過采用簡化的Sobel算法和Hough變換對(duì)圖像進(jìn)行邊緣識(shí)別，借助DSP的高速運(yùn)算性能和優(yōu)化的DSP代碼，實(shí)現(xiàn)了電力線覆冰厚度的終端識(shí)別和自動(dòng)報(bào)警功能；采用終端識(shí)別的方式，是智能監(jiān)控中一種新的嘗試。
關(guān)鍵詞： ADSP-BF533； 圖像識(shí)別； 覆冰導(dǎo)線； Hough變換
對(duì)于天氣嚴(yán)寒的高山地區(qū)，導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重影響著高壓輸電線路的安全運(yùn)行。當(dāng)導(dǎo)線表面的覆冰越積越厚，導(dǎo)線將承受幾百公斤到幾噸的荷載，這時(shí)導(dǎo)線自重及所覆的冰重產(chǎn)生的拉力將通過導(dǎo)線、導(dǎo)線金具、絕緣子傳遞給桿塔，桿塔又將拉力傳給拉線，只要導(dǎo)線、金具、絕緣子、桿塔、拉線、拉線絕緣子、拉線固定件等其中一個(gè)環(huán)節(jié)承受不住所受拉力，就將會(huì)出現(xiàn)倒塔（桿）和斷線的事故，這種事故往往會(huì)擴(kuò)展至一個(gè)耐張段。如何有效地避免和防止冰災(zāi)對(duì)高壓輸電線路造成的危害，是電力企業(yè)必須要面對(duì)的課題。
基于ADSP-BF533的電力線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)正是基于圖像監(jiān)控的電力線覆冰監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過終端的自動(dòng)識(shí)別能及時(shí)地將覆冰危害通過圖片傳送的方式進(jìn)行報(bào)警，也方便監(jiān)控人員進(jìn)行手動(dòng)的現(xiàn)場圖片采集，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情進(jìn)行人工除冰處理，對(duì)電力線起到良好的保護(hù)作用。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)終端采用ADSP-BF533為主控制器，通過PPI接口接收CMOS傳感器的圖像信息，利用DSP的高速運(yùn)算性能，對(duì)圖像中的電力線覆冰情況進(jìn)行識(shí)別和對(duì)比，對(duì)覆冰厚度達(dá)到報(bào)警級(jí)別的采用JPEG壓縮并傳送。同時(shí)，DSP還通過8通道12位的A/D芯片AD7888采集各種氣象信息（包括溫濕度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速、CO2含量等）和泄漏電流數(shù)據(jù)，對(duì)電力線運(yùn)行狀況進(jìn)行全面的監(jiān)測。終端采集的圖像數(shù)據(jù)和氣象信息通過GPRS發(fā)送給本地服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)采用太陽能電池板和大容量后備鉛酸蓄電池供電，可以保證系統(tǒng)在無太陽充電的情況下穩(wěn)定運(yùn)行30天。電力線監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。
ADSP-BF533是ADI" title="ADI">ADI公司新推出的16位高速定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，該DSP性能優(yōu)良并具備視頻處理接口，性價(jià)比高，其主頻最高能達(dá)600Hz，每秒可處理1 200M次乘加運(yùn)算。高性能DSP使遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)中的圖像識(shí)別成為可能，減輕了服務(wù)器負(fù)擔(dān)。
圖像采集采用美國OmniVision公司的CMOS傳感器OV7640，該傳感器包括一個(gè)652×486的感光陣列，同時(shí)集成了幀（行）控制電路、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路、模擬信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)輸出電路及I2C編程接口。DSP通過I2C接口設(shè)置和讀取OV7640的工作方式、數(shù)據(jù)輸出格式、工作狀態(tài)等。CMOS傳感器與DSP的接口如圖2所示。
終端軟件采用μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由于覆冰厚度識(shí)別占用了絕大多數(shù)CPU時(shí)間，設(shè)置為較低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，使系統(tǒng)能夠較快響應(yīng)其他報(bào)警信息（如CO2含量、泄漏電流等）。采用終端進(jìn)行識(shí)別的模式，不但可以減輕服務(wù)器的運(yùn)算壓力，而且可以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸。當(dāng)系統(tǒng)中采集點(diǎn)增加到一定程度時(shí)，這種方式的優(yōu)勢將更為明顯。
2 覆冰厚度識(shí)別算法描述
覆冰厚度識(shí)別算法是系統(tǒng)的核心部分，通過算法優(yōu)化和指令優(yōu)化，可以充分發(fā)揮ADSP-BF533的高速運(yùn)算性能，使終端自動(dòng)識(shí)別成為可能。算法中首先對(duì)電力線進(jìn)行邊緣檢測，描繪電力線邊緣，并計(jì)算出電力線正常寬度作為參考值。當(dāng)電力線覆冰時(shí)，采用同樣算法計(jì)算出來的電力線寬度小于參考值。設(shè)置一個(gè)固定閾值，當(dāng)電力線寬度小于閾值時(shí)，對(duì)采集圖像進(jìn)行壓縮傳送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。算法中先采用Sobel 算子進(jìn)行邊緣提取，然后采用Hough變換進(jìn)行平行線檢測。
2.1 圖像預(yù)處理
對(duì)于傳感器采集的彩色圖像采用如下公式變換為灰度圖像：
灰度圖像中包含各種噪聲，為了能夠盡量準(zhǔn)確地檢測覆冰厚度，采用一定的圖像預(yù)處理算法濾掉一部分噪聲。通常在空間域內(nèi)可以用鄰域平均來減少噪聲；在頻率域可以采用各種形式的低通濾波來減少噪聲。為了提高檢測速度，系統(tǒng)采用最簡單的圖像平滑技術(shù)，采用以下模板對(duì)圖像進(jìn)行平滑降噪處理：
2.2 Sobel算法
Sobel算法的邊緣檢測是在圖像空間利用兩個(gè)方向模板與圖像進(jìn)行鄰域卷積來完成的。這兩個(gè)方向模板一個(gè)檢測水平邊緣，一個(gè)檢測垂直邊緣。Sobel算子不是簡單求平均再差分，而是加強(qiáng)了中心像素上下左右四個(gè)方向像素的權(quán)重。Sobel 算子的表達(dá)式[1]如下所示：
由于圖像邊緣附近的亮度變化較大，所以可以把那些在鄰域內(nèi)，灰度變化超過某個(gè)適當(dāng)閾值的像素點(diǎn)當(dāng)作邊緣點(diǎn)。Sobel算子具有算法簡單、處理速度快，所得到的邊緣光滑、連續(xù)、且定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是其邊緣較粗。
Sobel算法的主要步驟：
(1)分別將兩個(gè)方向的模板沿著圖像從一個(gè)像素移到另一個(gè)像素，并將模板的中心像素與圖像中的某個(gè)像素位置重合。
(2) 將模板內(nèi)的系數(shù)與其對(duì)應(yīng)的圖像像素值相乘。
(3) 將所有乘積相加。
(4) 將兩個(gè)卷積的最大值，賦給圖像中對(duì)應(yīng)模板中心位置的像素，作為該像素的新灰度值。
(5) 取適當(dāng)?shù)拈撝礣H，若像素新灰度值≥TH，則判該像素點(diǎn)為邊緣點(diǎn)。
2.3 Hough變換
Hough變換是一種常用的直線檢測算法。設(shè)一條直線的方程為y=kx+b，每一對(duì)(k,b)確定一條直線。若將該方程改寫為b=-xk+y，則(x,y)平面上的一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于(k,b)平面上的一條直線。而(x,y)平面上共線的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于(k,b)平面上相交于同一點(diǎn)的一簇直線。因此,(x,y)平面上的直線與(k,b)平面上的點(diǎn)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]。由于斜率k可能取值為無窮大，所以可以將Hough變換用直線標(biāo)準(zhǔn)方程表示：
式中, ρ為原點(diǎn)到直線的垂線距離；θ為該垂線與x軸的夾角。如果輸入圖像中存在著直線，則h(ρ,θ)數(shù)組中最大的元素所對(duì)應(yīng)的(ρ,θ)即為輸入圖像中最長直線的參數(shù)[3]。
Hough變換的主要步驟：
(1)初始化累加陣HT（ρi,θi）=0。
(2)將邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)(xi,yi)代入?yún)?shù)方程為ρ=xcosθ+ysinθ，對(duì)θ從0°～180°分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的ρ值。
(3)對(duì)相應(yīng)的HT（ρi,θi）累加，即HTρi,θi）=HT(ρi,θi）+1。
(4)對(duì)累加陣HT中元素的值進(jìn)行讀取和判斷，HT（ρi,θi）>T時(shí)（T為閾值），確定為存在直線。
3 DSP配置與代碼優(yōu)化
3.1 DMA傳輸
一幅標(biāo)準(zhǔn)的VGA彩色圖像，需要R、G、B三個(gè)分量各8位，即24位表示一個(gè)像素值，數(shù)據(jù)量大小為 640×480×8×3=7 372 800B。在圖像識(shí)別中，需要保留一份原始圖像，當(dāng)判定為覆冰報(bào)警時(shí)，對(duì)原始圖像進(jìn)行JPEG壓縮，所以一共需要15MB的RAM空間進(jìn)行圖像暫存。
在CMOS圖像傳感器對(duì)采集的數(shù)據(jù)量非常大的情況下，PPI接口只有在DMA引擎的配合下，系統(tǒng)才能發(fā)揮它的高效能。雖然對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的傳輸也可由軟件實(shí)現(xiàn)，但將消耗掉大量的CPU時(shí)鐘周期，使DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力難以發(fā)揮。若由DMA獨(dú)立負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)DMA初始設(shè)置并啟動(dòng)后，便不再需要內(nèi)核參與，DMA控制器就可直接把圖像數(shù)據(jù)從PPI接口傳輸至SDRAM存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，在有效地解決了大批量圖像數(shù)據(jù)傳輸這一速度瓶頸的同時(shí)，又能讓DSP處理器專門從事算法處理工作，極大地提高了系統(tǒng)的并行性能。
ADSP-BF533的DMA可以控制六種類型的數(shù)據(jù)傳輸：內(nèi)部存儲(chǔ)器之間、內(nèi)部存儲(chǔ)器-外部存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器-SPI接口、存儲(chǔ)器-SPORT接口、外部存儲(chǔ)器-UART接口、存儲(chǔ)器-PPI接口。本系統(tǒng)使用PPI接口與外部存儲(chǔ)器SDRAM之間的DMA傳輸。DMA的建立步驟如下：
(1) 設(shè)置寄存器DMA1_0_START_ADDR_REG，寫入目標(biāo)地址值。
(2) 設(shè)置寄存器DMA1_0_X_COUNT_REG，寫入傳輸次數(shù)。
(3) 設(shè)置寄存器DMA1_0_X_MODIFY_REG，寫入每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)地址修正值。
(4) 設(shè)置DMA控制寄存器DMA1_0_CONFIG_REG，啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳輸。
3.2 DSP代碼優(yōu)化原則
Blackfin系列DSP的優(yōu)化主要分為C語言級(jí)優(yōu)化和匯編語言級(jí)優(yōu)化。C語言級(jí)優(yōu)化包括：選擇合適的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型，使用自加自減降低運(yùn)算強(qiáng)度，提高循環(huán)體效率。匯編語言級(jí)的優(yōu)化需要結(jié)合DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并與C語言程序混合編程，使程序結(jié)構(gòu)清晰。
C代碼的優(yōu)化有利于提高編碼的速度，又有利于系統(tǒng)的跨平臺(tái)移植。本文采用C語言級(jí)優(yōu)化有以下原則：
(1) 由于 BF533是16位定點(diǎn)DSP，只適合做加、乘運(yùn)算，而對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算和除法運(yùn)算的效率則較低，所以程序中的浮點(diǎn)運(yùn)算和除法運(yùn)算，可轉(zhuǎn)換為乘法、移位和查表來實(shí)現(xiàn)，以提高運(yùn)算速度。
(2) 編寫鏈接描述文件，將經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)存儲(chǔ)器中。
(3) 減少對(duì)片外存儲(chǔ)器的訪問次數(shù)。對(duì)于經(jīng)常訪問的片外存儲(chǔ)器區(qū)域，設(shè)置Cache使能，并可設(shè)置Cache鎖定，防止被緩存的數(shù)據(jù)替換，減少Cache未命中的幾率。
匯編級(jí)的優(yōu)化包括兩部分：采用線性匯編語言進(jìn)行優(yōu)化和直接用匯編語言進(jìn)行優(yōu)化。由于系統(tǒng)編譯器的局限性，并不能將全部的函數(shù)都很好地優(yōu)化，這樣就需要統(tǒng)計(jì)比較耗時(shí)的C語言函數(shù)，用匯編語言重新編寫。主要采用了以下規(guī)則對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化：
(1) 使用寄存器代替局部變量，去除多余的訪問內(nèi)存操作[4]。
(2) 使用硬件循環(huán)代替軟件循環(huán)，DSP硬件根據(jù)循環(huán)寄存器的值自動(dòng)執(zhí)行循環(huán)體和退出循環(huán)，保證流水線的暢通，避免不必要的時(shí)鐘周期開銷。
(3) 在進(jìn)行圖像壓縮時(shí)，采用Blackfin提供的專用視頻處理指令，可以極大地提高速度。
(4) 使用并行指令和向量指令，充分利用DSP內(nèi)部的硬件資源的重復(fù)性，減少指令的執(zhí)行次數(shù)，提高指令的執(zhí)行效率。
4 試驗(yàn)結(jié)果
由于圖像識(shí)別對(duì)運(yùn)算速度要求并不高，通過DMA操作和DSP代碼優(yōu)化后的覆冰厚度識(shí)別算法基本上能夠滿足實(shí)際的需要。加上GPRS通信的延時(shí)，在10秒以內(nèi)可以完成一張報(bào)警圖片的識(shí)別、JPEG壓縮和傳送，且由于圖像識(shí)別任務(wù)優(yōu)先級(jí)較低，使終端仍能較快地響應(yīng)通信和其他報(bào)警請(qǐng)求。試驗(yàn)結(jié)果表明，電力覆冰厚度識(shí)別算法的識(shí)別率達(dá)到了92%，尤其在背景條件清晰的雪天，識(shí)別能力更高。
基于ADSP-BF533的電力線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)采用終端識(shí)別的方式，不僅較好地完成了電力線覆冰監(jiān)測的任務(wù)，更重要的是搭建了ADSP-BF533終端自動(dòng)識(shí)別的監(jiān)控平臺(tái)，是智能監(jiān)控中一種新的嘗試。隨著DSP技術(shù)的迅速發(fā)展，以及監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)大，智能監(jiān)控將會(huì)越來越多地要求終端系統(tǒng)能夠分擔(dān)較多的自動(dòng)監(jiān)控任務(wù)，這是智能監(jiān)控發(fā)展的新趨勢。
參考文獻(xiàn)
[1] Analog Devices Inc. ADSP-BF533 blackfin TM processor hardware reference,Preliminary Revision,2003,3:245-503.
[2] Analog Device Inc. ADSP-BF53X/BF56X blackfin processor programming, Reference Revision 1.0. 2005.
[3] GONZALEZ R C. 數(shù)字圖像處理(第二版)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2003.
[4] 唐林波, 趙保軍, 韓月秋. 線狀目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測算法的研究[J]. 光學(xué)技術(shù), 2006,(1):155-158.
[5] 蔡昌, 張永林. 一種基于簡單算法的圖像邊緣檢測方案[J].暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,(10):633-635.
[6] 權(quán)煒, 鄭南寧, 賈新春. 復(fù)雜背景下的車輛牌照字符提取方法研究[J]. 信息與控制, 2002,(2):25-29.