基于ADSP-BF561的視頻跟蹤系統的研究與實現

智能化是現代視頻監控系統的重要發展方向，目標跟蹤成為發展過程中一項不可缺少的重要功能。智能監控技術是指在不依賴人為干預的情況下，采用計算機技術和圖像處理技術對攝像機拍攝的圖像數據進行自動分析，實現對圖像內容含義的理解以及對客觀場景的解釋。智能監控算法流程如圖1所示。

本文在研究視頻跟蹤系統相關算法和硬件結構的基礎上，設計一套基于ADSP-BF561的視頻跟蹤系統，通過控制攝像機姿態實現對監控場景中的運動目標進行自動識別和跟蹤，符合現代視頻監控系統向智能化發展的趨勢。

1 系統總體設計方案

嵌入式處理器中數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)具有強大的數字信號處理功能，適用于視頻圖像、語音等大量數據的實時處理。ADSP—BF561是一款集音頻、視頻圖像處理和控制于一身的雙核DSP，具有高速的內核時鐘、靈活的存儲器架構和專用的視頻接口，在視頻圖像處理方面具有較大優勢。

采用ADSP—BF561作為處理器設計視頻跟蹤系統硬件平臺，系統平臺由DSP處理器、攝像機、監視器和云臺等部分組成，系統結構如圖2所示。硬件結構中攝像機和云臺兩部分固定為一體，云臺的運動反映攝像機監控姿態的調整。DSP通過對攝像機采集的視頻圖像數據進行跟蹤圖像處理，獲取運動目標所在位置，并在監視器上實時顯示監控圖像。DSP根據目標位置信息發送云臺控制指令，控制云臺運動，調整攝像機監控姿態，使運動目標保持在監控中心附近，實現自動跟蹤功能。

2 硬件設計

2.1 硬件系統總體設計

系統采用嵌入式ADSP—BF561為核心處理器構建視頻跟蹤系統硬件平臺。系統硬件平臺主要由BF561處理器、2自由度云臺攝像機、RS232轉換器、存儲器、視頻編碼器、視頻解碼器、監視器、復位電路、下載調試接口、電源和時鐘等部分組成，硬件系統結構組成如圖3所示。

圖像采集設備和跟蹤單元采用2自由度云臺攝像機，該模塊內部集成了攝像系統、云臺系統及通信系統3部分。由攝像機采集視頻信號并通過視頻解碼芯片送至DSP，經視頻圖像分析確定跟蹤目標位置，由模擬彩色電視機作為監視器顯示監控視頻圖像。與此同時，DSP通過發送相應命令控制云臺運動，實現了運動目標始終處于監控范圍內，完成自動跟蹤功能。

2.2 視頻編解碼器

視頻編解碼器是視頻跟蹤系統的重要組成部分，攝像機輸出的視頻信號和監視器直接播放的視頻信號均為模擬信號。視頻信號在進入DSP處理前必須進行A/D轉換成數字信號，DSP處理后的視頻信號也需要進行D/A轉換。

視頻解碼器即完成A/D轉換功能的器件，系統采用ADI公司的ADV7183A。ADV7183A是一款集成式視頻解碼器，無需任何配置便能自動檢測NTSC、PAL和SECAM制式的模擬基帶電視信號，并轉換成YUV4：2：2格式的數字視頻信號。BF561與ADV7183A接口原理如圖4所示。

2.3 視頻編碼器

視頻編碼器即完成D/A轉換功能的器件，系統采用ADI公司的ADV7179。ADV7179為集成式視頻編碼器，其可將ITU-656格式的YUV4：2：2數字視頻信號轉換成PAL、NTSC等標準制式模擬電視信號。因ADV7179需要用I2C總線對其進行配置，但BF561內部并未集成I2C總線，因此利用軟件模擬I2C總線進行通信。BF561與ADV7179接口原理如圖5所示。

2.4 RS232轉換器

系統選用Winyork公司MCC-INOS云臺攝像機，它支持工業標準RS232總線，標準UART可通過RS232電平轉換獲得，所采用的電平轉換芯片為ADM3202，其與BF561接口電路如圖6所示。將RS232總線經電平轉換后與DSP通用異步收發器接口相連，進而與攝像機的云臺進行通信。

3 軟件設計

3.1 DSP雙核資源規劃

系統采用ADI公司的DSP芯片BF561作為主處理器，BF561內有雙核獨特結構，給系統設計帶來方便。BF561雙核獨特結構，既可相互獨立運行，也可協調處理并行運行，提高運算速度。根據視頻跟蹤處理算法，可對A核和B核工作進行合理分配，使其既相互獨立互不干擾，同時共同完成自動視頻跟蹤功能。其中，A核主要工作是完成運動目標檢測與跟蹤，B核主要工作內容是完成云臺運動控制算法的實現，共享存儲器L2作為雙核公共存儲器主要用于雙核間的信息交互。其具體工作內容如下：

(1)A核。完成視頻圖像采集存儲至外存儲器中;將外存儲器中的圖像數據傳輸至內核存儲器中;進行運動目標檢測及跟蹤運算，計算出目標質心坐標并求出目標跟蹤矩形框。

(2)B核。根據A核計算得到的目標質心坐標，實現云臺運動控制算法;通過串口通信控制云臺攝像機跟蹤運動目標;將原視頻圖像增加目標跟蹤矩形框，完成視頻數據實時輸出至監視器。

(3)共享存儲器L2。存儲A核與B核通信數據與共享數據，主要包括跟蹤目標質心坐標、目標跟蹤矩形框參數信息和云臺靜止標志信息等。

根據系統規劃可知，BF561采用雙核協同工作方式，其雙核并行工作結構流程如圖7所示。

3.2 視頻采集

DSP采用PPI0進行整場圖像模式采集，并將整場圖像數據存放于外部存儲器SDRAM中。攝像機輸出復合視頻信號經視頻解碼器AD7183轉換成每秒25幀，每幀625行，每行864點像素，每點像素2 Byte視頻信號，由PPI0以DMA方式傳輸至SDRAM，并以PAL整場模式存儲，完成視頻采集。其PPI0 DMA具體配置如下：

*Pppi0_CONTROL=0x0183;//輸入模式，整場模式，32包裝模式

*Pppi0_FRAME=625;//接收總行數

*Pdmal_0_X_COUNT=864*2/32;//每行接收包次數，32 Byte包裝

*Pdmal_0_Y_COUNT=625;//接收總行數

*Pdmal_0_X_MODIFY=32;//傳輸間隔

*Pdmal_0_Y_MODIFY=32;//傳輸間隔

3.3 運動目標檢測及跟蹤

運動目標檢測及跟蹤算法為系統軟件的核心，現被處理視頻亮度信息(Frame_Compress)存儲于片上共享存儲器L2中，并在DSP的A核中實現運動目標檢測和跟蹤算法，求出目標質心坐標與跟蹤矩形框四頂點坐標參數。

運動目標檢測及跟蹤核心算法程序流程如圖8所示，首先將已壓縮的連續3幀圖像進行三幀差分運算得到灰度圖像*Gray_Image，并經二值化、形態學濾波處理獲得準確的運動目標圖像* Binary_Image。目標圖像通過連通域標記處理得到一組與圖像大小一致的標記信息*Conneted_Image，并經卡爾曼跟蹤模型確定面積最大目標在本幀圖像的位置參數，包括目標質心坐標(X_CENT，Y_CENT)和跟蹤矩形框四頂點坐標((X_Left，Y_Up)，(X_Right，Y_Up)，(X_Left，Y_Down)，(X_Right，Y_Down))。

由于運動目標檢測及跟蹤算法是針對壓縮后的圖像進行處理，故目標質心坐標和跟蹤矩形框四頂點坐標均需放大4倍處理，進而還原成實際圖像參數值。最后將得到的實際目標坐標及跟蹤矩形框四頂點坐標存放于共享內存L2中，使得B核可直接調用。

3.4 云臺控制

云臺運轉控制由BF561中的B核處理完成，B核調用共享內存L2中的目標質心坐標(X_CENT，Y_CENT)，實現對云臺的控制。為實現對運動目標的有效跟蹤，需在實際有效分辨率為720×576圖像進行三級虛擬線圈劃分，具體劃分參數如圖9所示。

系統通過判斷目標質心坐標是否超出虛擬線圈，決定云臺是否旋轉，并結合所選攝像機云臺性能特點，將云臺移動所需角度和角速度進行設定。采用多級線圈，較好地解決了一級線圈的不足，不僅使目標盡可能地處于中心附近，同時也可根據目標移動的速度調整攝像機的旋轉速度，從而使攝像機旋轉更加平穩，獲得更好的跟蹤效果。

3.5 視頻輸出

監控的視頻圖像存儲于外部存儲器SDRAM中，并由B核控制PPI1輸出至視頻編碼器，實現在監視器上的實時播放。在視頻數據輸出前，可在原圖像的基礎上增加目標跟蹤矩形框進行輔助顯示，其矩形框4頂點坐標存儲于共享內存L2中，B核可直接在原圖像數據中增加矩形框數據。

BF561視頻圖像輸出方法不同，系統采用在緩存中靜態建立一個整場模式的方法，即存儲器內已是標準ITU-656視頻格式，此時按地址順序直接通過PPI輸出即可。PPI以DMA的方式進行傳送，具體配置如下：

4 系統測試

運動目標自動跟蹤系統，主要通過控制云臺攝像機的姿態使運動目標保持在監控范圍內，并通過輔助矩形框鎖定目標加以提示。當監控范圍內出現運動目標時，監視器內便出現跟蹤矩形框鎖定運動目標。如果運動目標移動至距離監控畫面邊緣一定距離時，攝像機將轉動使目標回到監控畫面中心附近。跟蹤效果監控畫面如圖10所示，系統自動識別運動人員并用矩形框鎖定，如圖10(a);當運動目標移動至監控窗口內一定范圍時，云臺發生轉動如圖10(b)和圖10(c)。

5 結束語

文中基于ADSP-BF561為核心處理器設計一套自動視頻跟蹤系統，對智能監控系統中關鍵技術的實現進行研究，包括運動目標檢測、目標跟蹤算法、硬件平臺搭建及攝像機的運動控制等。實驗表明，系統可快速自動識別運動目標并進行跟蹤，且具有一定的實時性及穩定性。由于時間限制，系統在設計上仍然存在不足，在多個方面仍需進一步完善。