基于多DSP和FPGA的實(shí)時(shí)雙模視頻跟蹤裝置

　　1、引言

　　隨著現(xiàn)代高速處理器的迅猛發(fā)展，圖像處理技術(shù)也日益成熟。其中，移動(dòng)目標(biāo)的視頻檢測(cè)與跟蹤是圖像處理、分析應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，是當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究前沿。移動(dòng)目標(biāo)視頻檢測(cè)與跟蹤技術(shù)，在機(jī)器人視覺(jué)、交通監(jiān)測(cè)、可視預(yù)警、機(jī)器導(dǎo)航等民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在火力攔截、導(dǎo)彈電視和紅外視頻制導(dǎo)等軍用方面也發(fā)揮著重要作用?；诙S轉(zhuǎn)臺(tái)以DSP和FPGA為核心器件構(gòu)成的視頻識(shí)別和跟蹤裝置，可工作于電視圖像或紅外兩個(gè)波段，實(shí)現(xiàn)圖像跟蹤各項(xiàng)功能。本文提出的跟蹤算法與設(shè)計(jì)的跟蹤裝置可在一定程度上解決視頻跟蹤精度低、處理速度慢的問(wèn)題，同時(shí)本視頻跟蹤裝置也可作為進(jìn)一步研究圖像處理與跟蹤控制的平臺(tái)。

　　2、視頻跟蹤裝置的硬件設(shè)計(jì)

　　圖像處理最主要的是實(shí)時(shí)性、可靠性和精確度。針對(duì)圖像處理速度慢的問(wèn)題，考慮從硬件和和軟件兩方面解決：一是選擇高速的DSP和FPGA為核心器件；二是從平衡圖像處理的實(shí)時(shí)性和效果中選擇最優(yōu)的圖像處理算法。針對(duì)圖像跟蹤可靠性問(wèn)題，采用雙模式復(fù)合制導(dǎo)，由處理器根據(jù)信號(hào)的置信度來(lái)選擇跟蹤模式。針對(duì)圖像形心跟蹤算法的精度問(wèn)題，采取基于去圖像陰影的圖像跟蹤算法。

　　2.1 視頻跟蹤裝置的圖像信號(hào)處理模塊硬件組成

　　為達(dá)到實(shí)時(shí)處理圖像信號(hào)信息，我們選擇3片高速DSP作為核心處理器。其中用作信息融合的是TMS320C6416，在跟蹤模塊中，使用了兩片相對(duì)價(jià)格低廉一些的TMS320C6201實(shí)現(xiàn)并行圖像跟蹤算法。配合DSP工作的外圍邏輯電路，我們采用xlinix公司的XCV400E型FPGA，同時(shí)實(shí)現(xiàn)部分的圖像預(yù)處理功能。

　　2.2視頻跟蹤裝置運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件組成

　　運(yùn)動(dòng)控制模塊硬件由GPT轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成。GPT系列轉(zhuǎn)臺(tái)為模擬火炮或雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，它包含電控箱、兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)本體及運(yùn)動(dòng)控制器三大部分。轉(zhuǎn)臺(tái)本體主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)件（含PAN和TILT）、驅(qū)動(dòng)用交流伺服電機(jī)（兩套）、諧波減速器、斜齒輪、限位開(kāi)關(guān)等部分組成。電控箱內(nèi)安裝有交流伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O接口板、開(kāi)關(guān)電源、開(kāi)關(guān)、指示燈和電氣元件等主要部件。運(yùn)動(dòng)控制器主要由GT-400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡、GM-400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡用戶接口軟件等部分組成。作為機(jī)電控制系統(tǒng)的核心組成部分，GPT轉(zhuǎn)臺(tái)可用作監(jiān)控設(shè)備的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，又可作為研制火箭、導(dǎo)彈、魚(yú)雷和衛(wèi)星等高科技尖端武器的仿真和試驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：定位精度：±0.0069°；重復(fù)精度：±0.00056°；速度：0.01～90°/sec；加速度：90°/sec2；行程：Pan方向?yàn)椤?76°；Tilt方向?yàn)?15°～+50°；負(fù)載：30kg。

　　3、視頻跟蹤裝置算法的分析

　　按照處理順序，我們將整個(gè)過(guò)程分解為圖2所示。圖像采集模塊：對(duì)視頻圖像進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，形成原始的256級(jí)灰度圖像，作為待處理的圖像信息。背景差分模塊：重建背景，并完成與當(dāng)前幀的差分。在背景重建時(shí)采用基于最小二乘法的時(shí)域遞推公式來(lái)完成，這個(gè)方法只需要一幀圖像的存儲(chǔ)，而且可以用遞推實(shí)現(xiàn)。去噪聲模塊:做應(yīng)用鄰域平均法實(shí)現(xiàn)圖像平滑濾波，以及采用顏色濾波法去除陰影等工作。以上算法都是針對(duì)FPGA的特點(diǎn)提出的，將FPGA設(shè)計(jì)成專(zhuān)用運(yùn)算器并實(shí)現(xiàn)算法。

　　形心跟蹤模塊和相關(guān)跟蹤模塊分別使用的形心投影方法和二維最小絕對(duì)差累加和算法計(jì)算目標(biāo)的位置，融合決策模塊實(shí)現(xiàn)置信度選擇，同時(shí)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行擬合和軌跡外推，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在偶然丟失下的預(yù)測(cè)跟蹤，以及深度丟失下的跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)換和搜索狀態(tài)下控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)視場(chǎng)的慢速掃搜。這部分針對(duì)DSP的特點(diǎn)，采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。