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摘要 摘要 运动目标跟踪处理技术是图像处理技术中一个非常重要的研究 课题，在军事及民用领域均有广泛的应用。运动目标跟踪处理系统 需要在尽可能短的时间内处理大量的图像数据，得到有用的数据信 息，具有较高的实时性要求，因此，系统的实现，需要高速数字处 理技术，高效的图像处理算法，大容量的数据存储技术，以及高速 流畅的数据流通道等相关技术的支持。 我们的研究项目为红外运动目标识别跟踪系统基于高性能d s p 与主控计算机实现。在这一系统中，d s p 图像处理卡完成了输入视 频图像的实时处理，而后将处理信息发送给运行w i n d o w s 2 0 0 0 操作 系统的工控p c ，p c 上的应用程序实现了整个系统的操作控制以及后 端数据处理。而d s p 图像处理卡与p c 主机间的接口为p c i 总线。 本论文研究基于d s pb o a r d hp c 图像系统p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 外围组件互联) 数据内联与驱动技术。文中 首先介绍了系统的功能要求以及设计方案，而后分析了系统数据流 传输情况，以及d s p 板卡与h o s tp c 间数据接口一一p c i 总线硬件基 础以及协议支持，在此基础上，描述了系统驱动所要实现的主要功 能以及相应的w d m 模式的驱动程序设计。论文最后介绍了驱动程序 的安装测试，以及系统可能的功能扩展以及实现难度。 从整个系统的调试运行结果来看，驱动程序很好的完成了系统上 下层控制命令通信与数据传输任务。 关键词：运动目标跟踪 w d m 驱动程序 d s p h o s tp c 系统 p c i 总线 一 塑茎 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g yf o rt r a c i n g & d e t e c t i n gm o v i n go b j e c t siso n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tb r a n c h e si nt h ei m a g ep r o c e s s i n gf i e l d i ti sr e q u i r e dt o p r o c e s sh u g ei m a g ed a t aa n do b t a i nt h eu s e f u li n f o r m a t i o nf r o mw h i c h i m e d i a t e l y h e n c e ，t h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h e t r a c i n g & d e t e c t i n g m o v i n go b j e c t sd e p e n d so nt h eh i g hs p e e dd s pt e c h n o l o g y ，e f f e c t i v e d s pa l g o r i t h m ，h u g ed a t a s t o r i n gt e c h n o l o g ya n dt h eu n b l o c k e dd a t a t r a n s m i s s i o np a t h t h ei n f a r e dm o v i n g o b j e c t st r a c i n ga n dd e f e c t i n gs y s t e misb a s e do n t h eh i g hp e r f o r m a c ed s pa n dp ci nt h i ss y s t e m ，d s pb o a r dc o m p l e t e s t h er u n - t i m e p r o c e s s i n g f o r i n p u t v i d e o d a t a ，t h e n t h eu s e f u l i n f o r m a t i o nw i l lb es e n tt ot h ep cw i t hw i n d o w s 2 0 0 00 s a tl a s t t h e a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t h ep ci m p l e m e n tt h e s y s t e mc o n t r o la n dt h e e n d i n gd a t ap r o c e s s i n g w h a tb e t w e e nt h ed s pb o a r da n dt h eh o s tp c ， ist h ep c ib u sa n dt h er e l a t e dp c id r i v e r i nt h ed i s s a t a t i o n ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ef u n o t i o nr e q u i r e m e n t s a n dt h ed e t a l e dd e s i g nf o rt h es y s t e mf i r s t l y ，t h e nt h ea u t h o ra n a l y s es t h ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h es y s t e ma n dt h eh a r d w a r ea n dp r o t o c o lb a s e f o rp c ib u s ，w h i c hi st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ed s pb o a r da n dt h eh es t p ca f t e rt h a t ，t h em a j o rf u n c t i o n sa n dt h er e l a t e dd e s i g nf o rw d m d r i v e rh a sb e e nd i s c us s e da tl a s t ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ei n s t a l l a t i o n a n dt h et e s t i n gf o rt h ed r i v e r ，a n dt h em o r ep o s s i b l ee x t e n s i o nf o rt h e s y s t e m k e y w o r d s t r a c i n g & d e t e c t i n gf o rm o v i n go b j e c t s w d md r i v e r p c ib usd s p - h o s tp cs y s t e m s 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：兰牟垒止日期：a 。一号年月岁日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) k， 签名：鼍土垒查这 导师签名：乏至! ! ：丝一 日期0 帕r 年，月5 日 第一章引言 第一章引言 1 1 视频目标识别与跟踪系统简介 视觉是人类最为重要的获得信息的感觉方式。一幅普通的图像 中，包含着大量的信息。如何从这大量的信息中获得我们所需要的 重要数据，是图像处理的主要任务。图像处理作为重要的现代技术， 已在多种领域广泛应用，如通信、航天航空、遥感遥测、生物医学、 军事、信息安全等方面。图像处理必须在计算机技术、数字信号处 理与通信技术的支持下才能更加高速发展与广泛应用。而在图像处 理的具体应用中，目标识别与跟踪技术是一个重要的研究方向。这 是一门涉及图像处理、自动控制、计算机应用等方面的交叉学科。 它在计算机视觉、可视预警、交通监控等方面都有非常广泛的应用。 本文的主要内容是研究红外运动目标检测与跟踪系统的实现技 术，其中主要阐述板卡系统和h o s tp c 之间的p c i 接口实现及驱动程 序设计。该系统由红外摄像机提供模拟和数字视频输入信号，通过 基于t m s 3 2 0 c 6 x 系列高速d s p 的数字视频处理卡，对红外数字视频 运动目标图像序列作实时处理，完成对运动目标的搜索、捕获、跟 踪、记忆，并且将观测场景图像送往p c 实时显示、运动目标区域图 像和特征参数数据送p c 上层主控程序进行实时分析、显示、存储。 系统框图如图1 1 所示。 输 d s pb o a r dpci总线host p c 图l 一1 视频处理系统结构框图 由图示可知，目标识别与跟踪系统是一个可以完成实时数字视频 l 第一章引言 图像数据的采集和处理，从而实现目标识别与跟踪功能的数字图像 处理系统。我们的实现平台基于高性能d s p 图像处理卡和主控计算 机，主控计算机为运行w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的工控p c 机，d s p 板卡与主控p c 间以p c i 总线接口。因此可称此系统为d s p b o a r d h o s tp c 视频图像处理系统，简称d s p hp c 系统。 下面给出本系统的物理模型图： 工1 _ _ x2 工。，t ) 处理结果，iw 1 w 2 w n 俞入视频信号7 目标识别跟踪系统 图1 2 系统模型框图 由上图，可以得到运动目标识别与跟踪系统方程的物理意义是：数 字视频信号f ( x i ，x 2 x 。，t ) 通过一个信号处理系统州】，在限定 条件为c 的情况下，系统的输出结果是：眇1 w 2 w 3 w n 7 。因 此，可得运动目标识别与跟踪系统的系统方程： m 【f ( x l ，x 2 x 。，t ) 】i 。= w 1 2 彬3 w n 从系统的设计实现上考虑，我们把它分成以下几个研究部分； ( 1 ) 系统硬件平台图像处理卡设计： ( 2 ) 实现目标识别与跟踪算法的d s p 软件设计； f 3 1d s p 图像处理卡的w i n d o w s2 0 0 0 设备驱动程序设计； ( 4 1 上层主控利用m f c 类库的应用程序设计； 在该项目中，作者主要研究基于p c i 总线的d s p 数字视频图像 处理卡与p c 主机数据通信与信息交互技术，负责硬件平台的 w i n d o w s2 0 0 0 设备驱动程序设计。 1 2 相关技术研究动态 本课题研究涉及的一些技术主要有图象处理技术、p c i 总线技术 及设备驱动程序，下面简述相关发展动态。 2 第一章引言 图像处理早期只局限于对静态图像的处理和分析，当时是因为受 到计算机的速度和容量等方面的限制。其实，动态图像在客观世界 中更普遍，连续的序列图像能提供更丰富豹信息。但是，不管是静 态还是动态图像，它的处理都包括图像分割和图像识别这两个过程。 这两个过程的图像处理算法也是目标识别跟踪技术的关键算法。下 面我就简单的介绍一下这方面的动态。 图像分割技术发展动态 图像分割就是根据场景图像和目标图像的特性，将目标图像区域 从场景中表示出来，进而达到分割图像的目的。图像分割可以采用 三种不同的原理来实现“1 。在利用区域的方法时，把各像素划归到 各个物体区域中。在边界方法中，只需确定存在于区域间的边界。 在边缘方法中，则先确定边缘像素并把它们连接在一起以构成所需 的边界。 ( 1 ) 区域方法( 基于图像灰度门限的图像分割技术) 利用图像灰度门限是一种区域分割技术，它对物体与背景有较强 对比的景物的分割特别有用。它计算简单，而且总能用封闭而且连 通的边界定义不交叠的区域。 当使用门限进行图像分割时，所有灰度值大于或等于某个门限的 像索都被判属于物体，而所有灰度值小于该门限的像素被排除在物 体之外。设图像为( x , y ) ，选择一个合适的灰度门限t ，则用门限进 行图像分割后的图像区域及数学表现形式1 为： fr x ，v ) ：j 1 厂( w ) t 7 【0 e l s e ( 1 2 ) 选择灰度门限t 是这种处理算法的关键，它直接影响图像分割的 效果。传统的针对目标与非目标的双峰直方图的分割方法有很多， 如最小错误概率法、贝叶斯法等”1 。 ( 2 ) 边界方法 先前的区域分割方法通过将图像划分为内部点集和外部点集来 实现分割。与此相反，边界方法利用边界具有高梯度值的性质直接 把边界找出来。有三种典型的方1 。第一种是边界跟踪，选择图像 3 第一章引言 中梯度值最高的一点来作为边界跟踪过程的起始点，然后在这个边 界起始点为中心的邻域中找出最大灰度级的邻域点作为第2 个边界 点。从这点开始，就启动了个在给定当前和前一个边界点的条 件下寻找下一个边界点的迭代过程。这样，就描画出最大梯度边界。 第二种是梯度图像二值化，k i r s c h 的分割法利用了这种现象”1 ，第 三种是拉普拉斯边缘检测，一个无噪声图像具有陡峭的边缘，可用 拉普拉斯算子将它们找出来。对经拉普拉斯算子滤波后的图像用零 灰度值进行二值化会产生闭合的、连通的轮廓并消除了所有的内部 点。由于噪声，在运用拉普拉斯算子之前需要先进行低通滤波。 ( 3 ) 边缘方法 确定图像中物体的边界的另一种方法是先检测每个像素和其直 接邻接域的状态，以决定该像索是否确实处于个物体的边界上。 具有所需特性的像素被标为边缘点。边缘检测算子检查每个像素的 邻域并对灰度变化率进行量化，通常也包括方向的确定。有若干种 方法可以使用，其中大多数是基于方向导数掩模求卷积的方法。例 如r o b e r t s 边缘算子，r o b e r t s 边缘检测算子是一种利用局部差分算 子寻找边缘的算子。s o b e l 边缘算子9 ，图像中的每个点都用这 两个核做卷积。一个核对通常的垂直边缘响应最大而另一个对水平 边缘响应最大。两个卷积的最大值作为该点的输出值。运算结果是 一幅边缘幅度图像。p r e w i t t 边缘算子0 1 与使用s o b e l 算子的方法一 样，图像中每个点都用这两个核进行卷积，取最大值作为输出。p r e w i t t 算子也产生一幅边缘幅度图像。k i r s c h 边沿算子1 ，也可以通过卷 积核组成k i r s c h 边缘算予，图像中的每个点都用掩模进彳亍卷积，所 有8 个方向中的最大值作为边缘幅度图像的输出构成了对边缘方向 的编码。 图像识别技术发展动态 图像识别是指依据输入的空域二维图像信息，根据图像识别模 型，进行相关的图像运算，分析并提取图像的识别特征，然后按图 像特征对图像进行分类识别运算，判断分割处理的是否为要跟踪的 目标。目标的识别主要包括：图像特征的描述和图像特征的识别运 正 第一章引言 算。 图像的特征描述就是建立图像特征向量的过程。建立图像特征向 量的方法最常用的方法就是：建立目标特征参数。常用的目标参数 有引： ( 1 ) 几何参数，如目标周长、面积、占空比、长宽比等； ( 2 ) 统计参数，目标图像的各阶统计矩。 图像特征向量建立好以后，通过一定的匹配运算来实现目标的识 别。常见的匹配运算有：匹配运算有：相关、m a d 、m a e 、m s e 等。 p c i 总线技术 p c i 是p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ( 外围组件互联) 的缩 写。这是一种新型的高带宽、处理器无关的局部总线。p c i 总线 为高速i o 设备提供了更好的支持，它最初由i n t e l 公司于1 9 9 0 年推 出10 叛。p c i 总线技术由几个相关标准规范界定。1 9 9 b 年推出的 p c il o c a lb u ss p e c i f i c a t i o nv 22 规范允许系统以3 3 或6 6 m h z 时钟使 用3 2 或6 4 根数据线传输数据。因其高性能，p c i 总线在计算机i 0 系统中得到了广泛的应用。近年来又有一些计算机厂商联盟推出 p c i x 1 ，0 标准进一步改进了p c i 总线，提高了总线的性能和应用灵 活性。 w i n d o w s 操作系统平台上设备驱动程序的发展 虽然各种w i n d o w s 平台上的应用程序开发接口基本来变。但 w i n d o w s 系列操作系统平台上的设备驱动程序却经历了许多发展变 化，简介如下： v x d 13 1 类型的驱动程序是早期的驱动程序模型，它出现在 w i n 9 5 9 8 m e 中。v x d 可以很好地支持要求运行在】6 位c p u 环境上 的d os 、w i n d o w s3 x 应用程序。这种驱动程序在纯3 2 位操作系统环 境中不能运行，如w i n d o w s n t 2 0 0 0 x p 。v x d 类型的驱动程序只能 运行在i n t e lx 8 6 处理器结构的p c 上，开发时涉及汇编语言指令。 n t 式驱动程序4 “1 5 1 是可移植的纯3 2 位操作系统w i n d o w s n t 上的驱动程序，它采用完全不同于v x d 的设计方式更加灵话，全部 可以使用c 语言开发，无须涉及汇编指令。该种驱动程序可以随着 5 第一章引言 w i n n t 操作系统在多种p c 硬件平台上原代码级兼容。 w d m 【1 4 1 即w i n d o w s 驱动程序模型( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) ，是 m i c r o s o f t 力推的全新驱动程序模式，旨在通过提供一种灵活的方式 来简化驱动程序的开发，在实现对新硬件支持的基础上减少并降低 所必须开发的驱动程序的数量和复杂性。w d m 基于n t 式驱动程序， 实现一种分层式模块化的型驱动程序结构，支持即插即用及电源管 理功能。从而使w d m 驱动程序可支持u s b 、i e e e1 3 9 4 、a c p i 等全 新的硬件标准。 1 3 研究结果及论文安排 1 3 1 研究结果 作者根据d s p h o s tp c 视频图像处理系统所要完成的运动目标 检测与跟踪功能，分析了d s p 视频处理卡与上层主控程序的数据传 输要求，根据p c i 接口芯片p l xp c i 9 0 5 4 的数据传输功能，决定在少 量非实时数据传输的情况下，采用直接读写设备存储区的方式；在 要求实时数据传输时采用中断驱动的d m a 方式。作者负责实现了 p c i 接口图像处理卡的w i n d o w s 2 0 0 0 设备驱动程序，完成了d s p h o s tp c 视频图像处理系统模块间数据交互的功能要求，实现了红外 目标检测跟踪系统的驱动。 1 3 2 论文章节安排 本论文对红外视频动目标检测跟踪系统的研究进行了工作总结。 重点总结作者所负责的系统模块间数据交互设计，即系统p c i 接口 模块的软硬件实现。下面对本论文各章节作简单介绍。 第一章：介绍课题来源、研究任务和结果以及相关技术的发展动态。 第二章：首先介绍系统设计要求，根据此要求确定的系统功能模块、 系统硬件平台一d s p 视频图像处理卡介绍，系统软件模块功能介绍。 第三章：进一步谈d s p h o s tp c 数据交互链路中p i x p c i 的实现下的 硬软件支持，先介绍p c i 总线技术。接着给出采用专用p c i 接口芯 6 第一章引言 片p l xp c i 9 0 5 4 实现的d s p 视频图像处理卡与主控p c 的硬件接口。 最后介绍数据传输的硬件操作。 第四章：着重介绍p c 上层与专门处理卡的数据交互以及由此带来的 驱动功能要求，介绍了p c i 总线支持协议，介绍了d s p 视频图像处 理卡与上层主控软件的数据通信，着重于系统的物理层实现。同时 给出了系统的工作状态和数据传输流程、上层主控程序的功能及系 统控制流。系统上下层通信的数据流与控制流分析。实时数据传输 对接口模块的通信要求 第五章：介绍了w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统软件模块结构，以及 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统上适用于d s p h o s tp c 系统上下层数据通信 与控制信息交互的p c i 9 0 5 4 设备驱动程序设计实现。 第六章：简要介绍设备驱动程序的开发、安装及调试，系统设计中 存在的不足。 最后是结束语、参考文献、致谢和个人简历 7 第二章红外动目标检测d s pb o a r d - h o s tp c 系统与p c i 数据交互传输技术 第二章红外动目标检测d s pb h p c 系统数据交互技术 目标识别与跟踪技术不管是在军事上，还是在民用中都有极其重 要的实用价值并且得到了非常广泛的应用。目标识别与跟踪技术属 于图像处理技术的一个重要分支，因此目标识别与跟踪系统的实现 方案与图像处理的实现方案有着紧密的联系。本章就目标识别与跟 踪系统功能、软硬件实现方案进行讨论。由于系统主要组成是 d s p b o a r d 通过p c i 总线 2 1d s pb - h p c 系统功能任务分析 2 1 1 系统功能与模型 红外动目标识别与跟踪系统的输入信号是红外摄像机提供的模 拟或数字视频信号。该系统通过基于c 6 x 系列高速d s p 的数字图像 处理卡，实时的处理红外数字视频序列，完成对运动目标的搜索、 捕获、跟踪、记忆。并且在p c 机上实时显示红外视频图像，实时给 出运动目标的空间坐标及特征数据，完成运动目标区域图像的实时 存储及远程传输。针对以上功能要求我们提出了一个工作于主控计 算机上的目标识别与跟踪系统功能模型，如图2 一l 所示： ，掣巨三p 叫三 t 三乎鼍 图2 1 基于主控计算机的目标识别与跟踪系统功能模型 ( 1 ) 视频信号的数字化模块( f i ) 它包括场景成像，视频信号的生成、预处理、模数转换。该模块 把输入的模拟视频信号转换成可供后端模块处理的数字图像数据格 式。 ( 2 1 数字视频图像处理模块( f 2 ) 运用相关的图像处理算法来实现动目标的识别与跟踪，该模块实 现目标识别与跟踪系统的核心功能。 8 箜二蔓红外动目标检测n s pb o a r d i q o s tp c 系统与p c i 数“交互传输技术 ( 3 ) 与主控计算机的数据交换模块( f 3 ) 由于系统工作在主控计算机上，所以它必须具有数据交换模块才 能前端处理模块与后端主机总控软件连接。该模块要将上层总控模 块的控制命令传送的系统前端处理模块。将前端处理后的视频场景 图像数据和目标特征参数数据送上层模块作后处理。本论文主要研 究该模块的设计及实现。 ( 4 ) 主机上层总控模块( f 4 ) 该模块主要实现主控计算机对目标识别与跟踪控制和管理，同时 对处理数据作后端处理：场景图像的实时显示、处理数据的实时存 储、目标特性分析、系统的远程控制及数据的网络传输等。 2 1 2 系统设计要求 红外目标识别与跟踪系统的主要设计要求如下： ( 1 ) 运动目标速度小于2 0 像素场。 ( 2 ) 初始搜索状态的目标大小为4 像素1 4 视场。运动目标捕获、 识别、跟踪概率9 5 。 ( 3 ) 实时( 4 0 m s 帧) 显示原始红外场景图像于主机监视器 模拟视频数据输入：c c i k 视频制式的黑白视频信号( 5 0 场秒) 。 数字视频数据输入：采用r s 4 2 2 传输协议，像素精度1 4 b i t 。 视场大小为3 2 0 象索2 4 0 象素。 ( 4 ) 实时存储目标邻域原始红外图像数据及目标特征参数 ( 5 ) 系统具有自动目标跟踪和指定目标跟踪功能 ( 6 ) 系统开机自检、并将自检结果报告给主机应用程序 根据以上的设计要求结合上小节的功能模型，我们设计d s p p c 视频图像处理系统用于实现红外图像运动目标识别与跟踪任务，其 功能模块如图2 2 。 9 第二章红外动目标检测d s pb o a r d - h o s tp c 系统与p c i 数据交互传输技术 1 3 s p 图像处理卡 信号源l 数字 p c i - - n lh 0 s t p e 与阿i n 2 0 0 0 成像高性能总线 l 叫操作系统 j l ( 视频信号输入) 卜 与存 d 6 p 接口 厂一 韧 储模块 ff 系统l ld p s 设备l 焉 l 程序驱动l 剞 挡 程序i 总线 图2 - 2 系统功能设计模块图 从图2 2 中可以看出p c i 接口模块硬件及其驱动程序软件是联 系d s p 图像处理模块与系统上层主控程序的桥梁，作者负责实现该 部分。本论文将作详细介绍。 2 2 系统总体方案设计 根据以上系统功能模型及设计要求我们做了系统整体方案设计， 分为硬件部分和软件部分。首先介绍系统硬件平台一d s p 图像处理 卡的设计，各模块功能简介。接着介绍系统软件模块与功能。 2 2 1d s pb h p c 数字视频图像处理系统的硬件设计 红外视频动目标识别跟踪系统的硬件平台由工控p c 和高性能 d s p ( t m s 3 2 0 c 6 0 0 2 ) 图像处理卡组成，整个系统硬件平台的结构组 成如图2 3 所示： 1 0 蔓；章红外动目标检测d s pb o a r d h o s tp c 系统与p c i 数据交互传输技术 图2 3 目标识别与跟踪系统的硬件方案图 下面对系统硬件各功能模块作简要介绍： 视频信号的数字成像模块( 耶) 该模块主要功能是把红外摄像机的视频输入信号转化为后端 d s p 能够处理的数字图像数据格式。它由视频输入接口、输入缓冲 f i f o 、数字图像存储器( s r a m ) 三部分组成。c c i r 制式黑白视频 图像的数字化精度为8 b i t 象素，r s 4 2 2 标准传输的数字视频精度为 1 4 b i t 象素。这些数字视频数据经f i f o 缓冲后，经f p g a 进行数据 装配，将其按1 6 b i t 象索、3 2 0 + 2 4 0 象素帧的格式存入数字图像存储 器s r a m 中。以每秒2 5 帧的速度存三帧连续图像供d s p 处理时使 用。s r a m 中其它剩余存储空间用于d s p 与主机数据交换：r g b 显 示格式图像帧存储区、控制信息交互存储区、目标特征数据存储区。 1 1 第二章红外动目标检测d s pb o a r d h o s tp c 系统与p c i 数据交互传输技术 数字图像处理模块( f s 2 ) 系统要对2 5 帧，秒、3 2 0 * 2 4 0 象素帧的数字图像进行实时处理， 每帧图像的处理时间不能超过4 0 ms 。同时由于图像处理算法对处理 器的运算能力要求很高。因此该模块采用t i 公司c 6 2 x x 系列高性能 d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 实现，该芯片在工作主频为2 0 0 m h z 时，处 理速度可达到1 6 0 0 m i p s ，其超高性能可以满足系统对实时图像处理 的要求。 p c i 接口模块( f s j ) d s p 进行图像处理后要向主机以2 5 帧秒、3 2 0 * 2 4 0 象素帧、 3 2 b i t 象素的数据量传输r g b 格式视频场景图像用于实时显示，最大 为1 4 场景的目标图像( 1 6 b i t p i x e l ) 及其参数信息送上层主控应用 程序作实时分析、显示、及存储。为满足大量实时数据的传输，d s p 图像处理卡与主控p c 机的接口为p c i 总线。为缩短工程的开发时间、 避免复杂的p c i 接口实现，我们使用了p l x 公司的专用p c i 接口芯 片p c i 9 0 5 4 及相关驱动软件开发包。 控制逻辑模块( f s 一) 系统各模块的逻辑控制采用大容量f p g a 实现。通过它实现对所 有器件的逻辑控制，如：输入缓冲f i f o 、s r a m 、视频接口电路、 d s p 、p c i 接口电路等的控制。f p g a 采用x i l i n x 公司x c v s o e 芯片。 利用f p g a 芯片的系统内可编程( i s p ) 性能，完成所有d s p 外围芯 片的控制逻辑，并在其中设置状态寄存器、命令字寄存器等接口寄 存器，完成与主机的实时通信一接收主机传送的命令信息和向主机 传送的状态信息。 2 1 2 红外视频动目标识别跟踪系统软件模块简介 d s p p c 系统的硬件模块实现基本的红外视频图像采集功能，系 统的目标识别跟踪功能完全由系统软件模块实现。这些软件模块在 系统硬件平台的基础上扩展系统功能。系统软件的逻辑层次如图2 4 ： 1 2 篁三雯塾! ! 垫县堡笪型堕! ! ! 竺! 二! ! ! ! 堕墨丛墨璺! 塑堡窒皇焦! 宣燮 匝釜 d r i v e r u n l o a d 2 d r i v e r u n l o a d ； p d r i v e r o b j e c t d r i v e r e x t e n s i o n - a d d d e v i c e2 a d d d e v i e e ： p d r i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n 1 r p m j c r e a t e 2r e q u e s t c r e a t e ； p d r i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n i r p m j c l o s e 。r e q u e s t c i o s e ； p d r i v e r o b j e c t 一 m a j o r f u n c t i o n 1 r p m j w r i t e 2r e q u e s t w r i t e ； p d r i v e r o b j e c t 一 m a j o r f u n c t i o n i r p m j r e a d 2r e q u e s t r e a d ； 第五章 w i n d o w s2 0 0 0 平台下p c i 接 j 视频处理卡的驱动程序设计 p d r i v e r o b j e c t m a j o r f u n c t i o n 【i r p m jd e v i c e c o n t r o l 】 p l x d r v d i s p a t c h ； p d r i v e r o b j e c t 一 m a j o r f u n c t i o n i r p m j p n p = r e q u e s t p n p ； p d r l v e r o b j e c t 一 m a j o r f u n c t i o n i r p m j p o w e r 】= r e q u e s t p o w e r ， a l l o c a t eas a f ed r i v e rb u f f e rf o r2c h a n n e l s i i f ( ! d r i v e r b u f f e r l n i t ( 4 8 + ( ( m g m a x s g l t r a n s f e r s i z e p a g e s h i f t ) + 3 ) ) ) p l x k d p r i n t ( ( ”p c i 9 0 5 4 ：d r i v e r b u f f e ra l l o c a t i o nf a i l e d n ”) ) ； r e t u r ns t a t u s i n s u f f i c i e n t r e s o u r c e s r e t u r ns t a t u s s u c c e s s ； ) 在上面这个d r i v e r e n t r y 的例子中定义了设备开，关，读，写，即插 即用配置，设备控制，以及电源配置等的相应的服务函数入口。还 调用了d r v i e r b u f f e r l n i t 函数，为设备加载进行了b u f f e r 资源初始化 操作。 a d d d e v i c e 例程 对于功能驱动程序，其a d d d e v i c e 函数的基本职责是创建一个 设备对象并把它连接到以p d o 为底的设备堆栈中。相关步骤如下： ( 1 ) 调用l o c r e a t e d e v i c e 创建设备对象，并建立一个私有的设备扩展 对象。 i o c r e a t e r d e v i c e 函数用于在驱动程序和新设备对象之间建立连 接，这样i 0 管理器就可以向设备发送指定的i r p ，另外还完成设备 扩展结构内存申请，设备命名，设备类型设置等功能。总之， i o c r e a t e d e v i c e 函数实现了驱动程序和设备对象之间的有机连接。 ( 2 ) 寄存一个或多个设备接口，以便应用程序能知道设备的存在a 另 外，还可以给出设备名并创建符号连接 w i n d o w s2 0 0 0 使用对象管理器集中管理大量的内部数据结构， 4 5 第五章w i n d o w s2 0 0 0 平台下p c i 接口视频处理卡的驱动程序设计 包括驱动程序对象和设备对象。对象都有名称，对象管理器用一个 层次化的命名空间来管理这些名称。通常设备对象都把自己的名字 放到d e v i c e 目录中。在w i n d o w s2 0 0 0 中，设备的名称有两个用途。 第个用途，设备命名后，其它内核模式部件可以通过调用 i o g e t d e v i c e o b j e c t p o i n t e r 函数找到该设备，找到设备对象后，就可 以向该设备的驱动程序发送i r p 。另一个用途，允许应用程序打开命 名设备的旬柄，这样它们就可以向驱动程序发送i r p 。应用程序可以 使用标准的c r e a t e f i l ea p i 打开命名设备句柄，然后用r e a d f i l e 、 w r i t e f i l e ，和d e v i c e l o c o n t r o l 向驱动程序发出请求。 ( 3 ) 初始化设备扩展和设备对象的f l a g 成员。 在视频数据处理系统的驱动程序编写中，需要对视频数据d m a 操作时需要的数据链头，局部寄存器地址，传输图像类别，传输状 态等进行定义，这些数据的初始化，均应在a d d d e v i c e 例程中完成。 ( 4 ) 调i o a t t a c h d e v i c e t o d e v i c e s t a c k 函数把新设备对象放到堆栈上。 上面的步骤完成后，i o a t t a c h d e v i c e t o d e v i c e s t a c k 函数将把新 设备挂在系统的设备堆栈上。i n a t t a c h d e v i c e t o d e v i c e s t a c k 实际上 在不同的驱动程序中建立了一个驱动层次结构。这样，i r p 需要的话 将会被依次发送到结构中的每一个驱动程序。在我们的设计中，由 于必须将p n p ( 即插即用) 请求传递给设备堆栈链中的下一个设备对 象，所以，在生成设备对象时，在设备扩疑中还应定义下一个设备 对象成员指针。 另外，设备对象中有两个标志位需要在a d d d e v i c e 中初始化， 并且它们在以后也不会改变，它们是d o b u f f e r e d i o 和 d od i r e c ti o 标志。你只能设置并使用其中一个标志，它将决定 你以何种方式处理来自用户模式的内存缓冲区。其中， d ob u f f e r e di o 表示读写操作使用缓冲方式( 系统复制缓冲区) 访 问用户模式数据，在这种方式中，i 0 管理器先创建一个与用户模式 数据缓冲区大小相等的系统缓冲区。而驱动程序将使用这个系统缓 冲区工作。i t o 管理器负责在系统缓冲区和用户模式缓冲区之间复制 数据。d od i r e c ti o 表示读写操作使用直接方式( 内存描述符表) 4 6 第五章 w i n d o w s2 0 0 0 平台下p c i 接口视频处理卡的驱动秽序设计 访问用户模式数据。在这种方式中，i o 管理器锁定了包含用户模式 缓冲区的物理内存页，并创建一个称为m d l ( 内存描述符表) 的辅助 数据结构来描述锁定页。因此驱动程序将使用m d l 工作。 5 3 2 驱动程序i r p 派遣处理例程 d i s p a t c h 例程 虽然设备的各种类型的请求大部分都是读写数据。然而应用程 序有时候会需要设备执行i o c t l 操作，应用程序使用标准w i n d o w s a p i 函数d e v i c e i o c o n t r o l 来执行这样的操作。在驱动程序一方，这个 d e v i c e i o c o n t r o l 调用被转化成一个带i r pm jd e v i c ec o n t r o l 功能码的i r p 。 在i r p 及i r p 栈成功的创建后，d i s p a t c h 例程将负责根据i r p 中的 底层控制码，选择相应的操作。 下面的代码实例显示了d i s p a t c h 例程的实现原理： n t s t a t u sd i s p a t c h c o n t r o l ( p d e v i c e o b j e c td e v i c e ，p i r pi r p ) p i o s t a c k l o c a t i o ns t a c k ；i o g e t c u r r e n t i r p s t a c k l o e a t i o n ( i f p ) ； ，通过i r p 得到当前的i r p 栈 u l o n gi o c o n t r o l c o d e = s t a c k p a r a m e t e r sd e v i c e l o c o n t r 0 1 i o c o n t f o j c o d e ； 从i r p 栈中获得底层控制码 s w i t c h ( i o c o n t r o l c o d e ) fc a s ep l xi o c t ld e v i c ei n i t+ 这是自定义的i o 初始化控制码+ ， p l o b u f f e r 一 m g m t d a t ad e v i c e = p d e v i c e e x t e n s i o n 一 d e v i c e ； n t s t a t u s = s t a t u ss u c c e s s ：+ 发送设备数据回上层应用程序+ b r e a k ； c a s e ， ) 在上面的代码实例中可以看出，d i s p a t c h 侈! j 程从i r p 所附的i r p 栈中获 得控制码，然后根据控制码选择相应的操作。这些操作包括配置设 备参数，返回状态信息，或者是直接针对硬件寄存器的读写配置等a 以下是本系统d i s p a t c h 便j 程主要处理的几个i r p ： 4 7 第五章 w i n d o w s2 0 0 0 平台下p c i 接口视频处理卡的驱动程序设计 设计中用到的开发包自带的派发例程功能入口 p l x s d k 为p c i 9 0 5 4 接口芯片提供了一个完整而基本的驱动程序 框架。这些由d e v i e c e i o c o n t r o l 函数访问的p l x d r v d i s p a t c h 中的功能 入口又被进一步封装为某个上层函数以方便上层应用程序调用。 ( 1 ) 查找p c i 9 0 5 4 设备及打开、关闭抽象的文件设备 p l x p c i d e v i c e f i n d o p e n ，c 1 0 s e 对应的驱动d i s p a t c h 例程入口有 i r p m i c r e a t e c l o s e d e v i c e c o n t r o l 内的某些设备控制代 码。这些函数用于查找p c i 9 0 5 4 设备，打开虚拟设备文件。 ( 2 ) 访问p c i 9 0 5 4 内部寄存器 p l x r e g i s t e r r e a d w r i t e 对应驱动程序d i s p a t c h 例程内的设备控制 代码：p l xi o c t lr e g i s t e rr e a d w r i t e 。通过这两个函数，应 用程序可访问p c i 9 0 5 4 内部除p c i 配置空间寄存器之外的所有其它寄 存器( 本地配置寄存器、d m a 寄存器及r u n t i m e 寄存器等) 。 ( 3 ) 访问p c i 9 0 5 4 本地总线上的地址空间 p l x b u s l o p w r i t