摘要：探讨一种专用ASIC硬件实现方法，这种方法将DSP的灵活性与ASIC的高效性相结合，构造了单DSP+多ASIC的嵌入式计算机，对图像匹配获得了满意的效果。并由此提出了更高性能的硬件实现结构。

    关键词：图像匹配 最大互相关 硬件实现

图像匹配是把从同一景物利用两个不同的传感器录取下来的两幅灰度图像在空间上进行对准，以确定两幅图像之间相对偏移的过程，通常是在已知的MxM个象素的光学或雷达基准图中寻找NxN个象素的实时图像的匹配位置。图像匹配是计算机图像科学的一种基本处理方法，在飞行器导航、目标跟踪、资源分析、文字识别等领域中具有极其重要的作用。这些高科技领域往往要求极高的实时性，而且要求运算速度要高达每秒几亿甚至10亿次操作以上。图像匹配的运算量非常大，如对较小的36x36的实时图和150x150的基准图，采用最大互相关算法进行全搜索图像匹配，它的运算量（约与（M-N+1）2xN2成正比）高达1714万次乘法和1714万次加法以上（不计对基准图数据预处理运算次数）。这些特点使一般的基准图数据预处理运算次数）。这些特点使一般的单CPU计算机结构难以甚至无法满足要求，特别是在航空航天等高恶劣环境的嵌入式应用中，更是无法满足高可靠性要求，因而必须采用高速灵活的计算机结构，才能可满足上述的要求。

    图像匹配一般可采用如下几种方式实现：①软件；②高速DSP；③面向算法的专用ASIC器件。软件方法灵活，可大大降低计算量，但它必须以高速DSP硬件平台为基础，才可能满足高实时性要求；高速DSP方法简单灵活，能够满足高实时性要求，如TI公司的TMS320C6X系列高速DSP芯片，速度高达1600MIPS[4]，单片机就可实现高速实时处理系统。以这高速DSP芯片组成的硬件结构应是图像匹配计算机首选的硬件实现结构。但对应用于尖端科技的这些高速DSP芯片，西文发达国家对我国采取禁售策略，这使我国的某些科技领域受到很大的制约，因此在我国必须另辟途径以避免禁售策略的制约。面向算法的专用ASIC器件方法，采用大量的并行功能单元，速度高、可以满足嵌入式应用中的高速实时计算要求，而且结构简单、软件编程简单、硬件实现容易、体积小、成本低，特别适应我国国情。因此开发研究专用ASIC组成的高速图像匹配计算机实现结构具有重要的意义。

    从图像匹配整个过程来看，虽然它具有非常大的运算量，但是它的运算主要为大量重复进行的乘法和加法运算，这就使它具有高度并行性、简单笥和重复性的特点。例如图1（每一方格代表一8位灰度图像数据）各对象素之间的计算以及各组子图之间的计算均没有结果的依赖性，这些特点使它非常适合于采用流水并行技术的ASIC电路。同时，图像匹配理论和诸机并行结构理论以及超大规模集成电路VLSI技术的飞速发展也为图像匹配的专用硬件实现方法提供了理论和物质基础，使图像匹配的高实时性能够进一步得到提高。

1 图像匹配最大互相关算法分析

    基于灰度的图像匹配算法有许多种，其中最基本的有最小绝对差算法、最小平方差算法，最小卷积算法、最大互相关算法、不变矩算法等十几种。它们各有优缺点，其中最大互相关算法具有去直流噪声、匹配位置准确等特点，因而成为图像匹配采用的主要方法。它的原始公式为：

    由于原始公式中的变量X（i,j）,Y(i+u,j+v)为去均值后的图像数据，不是原始图像象素数据，这样的算法结构有正有负、中间结果量多、计算量大、规律性差，不利于专用硬件实现[3]，因此必须对原始公式进行变换。把（2）和（3）式代入原始公式（1）中，变换后的公式为：