紅外動目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

　　引言

　　視頻目標(biāo)識別與跟蹤技術(shù)是當(dāng)今世界重要的研究課題，它涉及圖像處理、自動控制、計算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的各個方面：預(yù)警、火控、制導(dǎo)等；在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也隨著該技術(shù)的日益成熟，以及成本的大幅度下降而逐漸得到越來越廣泛的推廣。

　　所謂視頻動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)就是一個可以完成圖像的采集和處理，從而實現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)識別與跟蹤的智能信號處理系統(tǒng)。信號處理的本質(zhì)則是信息的變換和提取，是將信息從各種噪聲、干擾的環(huán)境中提取出來，并變換為一種便于為人或機(jī)器所使用的形式?！?/p>

　　紅外動目標(biāo)跟蹤與識別系統(tǒng)

　　系統(tǒng)要求

　　紅外動目標(biāo)跟蹤與識別系統(tǒng)的輸入信號是紅外攝像機(jī)提供的模擬或數(shù)字視頻信號。該系統(tǒng)通過基于C6X系列高速DSP的數(shù)字視頻處理卡，實時的處理紅外數(shù)字視頻序列，完成對運(yùn)動目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤、記憶。并且在PC機(jī)上實時顯示紅外視頻圖像，實時給出運(yùn)動目標(biāo)的空間坐標(biāo)，產(chǎn)生運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域的特征數(shù)據(jù)，完成運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域圖像的實時存儲或遠(yuǎn)程傳輸。硬件模塊需要為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供硬件支持，即提供與系統(tǒng)功能相適應(yīng)的底層物理支持，包括運(yùn)算處理速度，存儲容量等。

　　能夠自動切換輸入方式，就是說能按用戶的需求選擇視頻信號的輸入方式：這就要求系統(tǒng)既能處理模擬通道的視頻數(shù)據(jù)，又能處理數(shù)字通道的視頻數(shù)據(jù)?！?/p>

　　模擬視頻數(shù)字化精度要求：A/D精度為8bit。

　　數(shù)字視頻通道的要求：按 RS422傳輸協(xié)議接收數(shù)據(jù)，像素精度14bit。

　　系統(tǒng)組成　

　　本系統(tǒng)的模塊構(gòu)成見圖1(虛線框內(nèi))，分為四個模塊。

　　·硬件模塊

　　該模塊基于標(biāo)準(zhǔn)PCI總線，并配以超大規(guī)?？删幊绦酒?DSP、FPGA)，具有極強(qiáng)的運(yùn)算、處理能力。

　　·DSP 程序模塊

　　其功能主要實現(xiàn)運(yùn)動背景下的動目標(biāo)檢測、跟蹤。考慮到系統(tǒng)的實時性要求，運(yùn)動背景下的動目標(biāo)檢測采用基于攝像機(jī)運(yùn)動補(bǔ)償?shù)牟罘旨夹g(shù)。首先對攝像機(jī)運(yùn)動造成的全局運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償后的序列圖像進(jìn)行差分運(yùn)算；然后在差分域搜索目標(biāo)運(yùn)動引起的運(yùn)動擾動區(qū)域；最后在原視頻圖像上分割提取運(yùn)動目標(biāo)。同時，采用預(yù)測技術(shù)對目標(biāo)的可能位置和存在區(qū)域進(jìn)行估計，以實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確跟蹤(或記憶)目標(biāo)。系統(tǒng)軟件按照其工作狀態(tài)分為四個狀態(tài)模塊：搜索、捕獲、跟蹤、記憶跟蹤。系統(tǒng)按照搜索、捕獲、跟蹤、記憶跟蹤四個狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換運(yùn)行，以實現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的實時檢測與跟蹤。

　　·驅(qū)動程序模塊

　　其主要功能是實現(xiàn)硬件模塊與上層應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與信息交互。系統(tǒng)采用了PCI 9054 Target 方式的單周期讀/寫；在圖像數(shù)據(jù)傳送的時候為了滿足每秒２５幀圖像的實時傳送和處理的要求，采用了PCI 9054的Scatter/Gather DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸。在整個系統(tǒng)的信息交互中，采用了一次握手協(xié)議，也就是請求—應(yīng)答協(xié)議。　

　　·上層應(yīng)用程序模塊

　　該模塊主要功能是向硬件模塊下載DSP跟蹤程序，啟動/停止DSP，實時顯示場景視頻，對運(yùn)動目標(biāo)序列進(jìn)行實時存儲，對運(yùn)動目標(biāo)序列的基本特性進(jìn)行實時分析和結(jié)果顯示。
　
　　在方案設(shè)計中，強(qiáng)調(diào)了主機(jī)控制程序的三個設(shè)計準(zhǔn)則：界面的簡潔性、運(yùn)行的穩(wěn)定性和功能的可擴(kuò)展性。主機(jī)控制程序采用了模塊化設(shè)計，并參照了目前軟件設(shè)計的先進(jìn)模型：COM(組件對象模型)，這既降低了主機(jī)控制程序設(shè)計的復(fù)雜度，又有利于主機(jī)控制程序各模塊的調(diào)試。

　　紅外動目標(biāo)跟蹤與識別系統(tǒng)

　　硬件模塊

　　數(shù)字視頻處理卡的硬件結(jié)構(gòu)示于圖2。

　　硬件模塊的電路結(jié)構(gòu)劃分為以下幾個單元：視頻接口單元、輸入輸出FIFO、視頻圖像存儲器、數(shù)字圖像處理單元(DSP)、可編程控制器、與PC機(jī)的PCI接口電路等。　

　　視頻接口單元

　　紅外運(yùn)動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的視頻源是紅外攝像機(jī)提供的視頻信號。紅外攝像機(jī)有兩路視頻輸出，即模擬視頻輸出和數(shù)字視頻輸出。本系統(tǒng)要求硬件模塊對兩路視頻信號都能夠進(jìn)行處理。因此，必須對輸入視頻信號進(jìn)行預(yù)處理，為數(shù)字圖像處理單元提供必要的視頻數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù)。視頻接口單元框圖示于圖3。

　　由于模擬/數(shù)字通道過來的信號是5Ｖ，而后端器件的I/O口電壓為3.3Ｖ，所以有必要在此增加電平轉(zhuǎn)換器。此外，從圖2可看出，模擬/數(shù)字通道在進(jìn)FIFO前合二為一，故此處也需要一條數(shù)據(jù)總線，模擬/數(shù)字通道的數(shù)據(jù)信號均由此總線進(jìn)入FIFO。根據(jù)這一情況，我們選擇IDT公司的QS32XL384電平轉(zhuǎn)換器，為實現(xiàn)通道選擇，我們采用兩片(每片可以轉(zhuǎn)換20路信號)，一片實現(xiàn)模擬信號的轉(zhuǎn)換，一片實現(xiàn)數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。通過FPGA對該芯片使能端的控制，實現(xiàn)通道選擇。　

　　輸入輸出緩沖 FIFO

　　設(shè)置輸入輸出緩沖 FIFO的目的在于：在高速器件和低速器件之間設(shè)置一個緩沖區(qū)，這樣就可以避免高速器件因等待低速器件的數(shù)據(jù)而使系統(tǒng)的效率降低。A/D芯片送出的數(shù)字信號其時鐘頻率約為12MHz(模擬通道時鐘12.5MHz，數(shù)字通道時鐘12MHz)，而處理卡上DSP的總線頻率高達(dá)50MHz，二者差異較大，所以采用輸入輸出緩沖FIFO是必要的?；谝陨峡紤]，最終選用的緩沖FIFO是Cypress公司的CY7C4275，它的容量為32K×18，最大存取速度可達(dá)到10ns。之所以選取大容量芯片，是為了減少數(shù)據(jù)傳送時總線申請的次數(shù)，從而使系統(tǒng)的處理效率提高。
　
　　可編程控制器

　　本系統(tǒng)的硬件邏輯控制電路是采用大容量的FPGA來實現(xiàn)的，采用的芯片是Xilinx公司的XCV50E。該芯片集成了約58000系統(tǒng)門，有16×24個 CLB Array，1700余個邏輯單元，可用I/O口 180個。在本系統(tǒng)中FPGA 控制了絕大部分單元，包括：通道選擇/電平轉(zhuǎn)換芯片、輸入輸出FIFO、SRAM、DSP、PCI接口電路等。利用FPGA芯片的系統(tǒng)內(nèi)可編程(ISP)性能，完成所有DSP外圍芯片的控制邏輯，并在其中設(shè)置狀態(tài)寄存器、命令字寄存器和專用寄存器，完成與主機(jī)的實時通信，接收主機(jī)傳送的命令信息和向主機(jī)傳送所需要的狀態(tài)信息?！?/p>

　　在本系統(tǒng)中，數(shù)字信道為14bit，模擬為8 bit，所以為了簡化DSP程序，使其對數(shù)字/模擬信號/數(shù)據(jù)的處理，大部分采用相同程序，所以需要由FPGA對信號進(jìn)行第一次裝配(區(qū)別于DSP為了顯示而對圖像按RGB格式進(jìn)行的第二次裝配)，即將數(shù)字/模擬信號/數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為16 bit的數(shù)據(jù)，然后將兩個16 bit數(shù)據(jù)裝配成一個32 bit的數(shù)據(jù)。　

　　數(shù)字圖像存儲器

　　紅外動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)要完成對運(yùn)動目標(biāo)的識別與跟蹤。其實現(xiàn)算法必然涉及到對多幀(差分處理，至少兩幀)視頻圖像的處理。為了給實現(xiàn)算法提供較為充裕的存儲空間，我們選用的存儲器能容納6場視頻圖像。因此，最后選用的存儲器是Giga Semiconductor公司的兩片GS74116，每片容量為256K×16bit。考慮到我們的視頻圖像每場的數(shù)據(jù)量為76800像素，兩片512K的SRAM可以存下至少6場視頻圖像。在本系統(tǒng)中，我們設(shè)置了4幀圖象存儲空間，其余空間用于存放目標(biāo)小圖、DSP裝配數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)空間具體地址分配如圖4。

　　數(shù)字圖像處理模塊

　　CCIR 視頻制式的視頻信號為50場/秒，由于系統(tǒng)要對數(shù)字化的圖像進(jìn)行實時處理，經(jīng)過權(quán)衡運(yùn)算量和實時性要求，我們?nèi)?5場／秒，因此每場圖像的處理時間不能超過40ms。故要求DSP應(yīng)具有較高的處理速度?；谝陨峡紤]，DSP采用TI公司的TMS320C6202芯片，芯片峰值性能可達(dá)到2000MIPS，本系統(tǒng)DSP時鐘為200MHz，芯片峰值運(yùn)算速度1600 MIPS。

　　DSP在進(jìn)行圖像的差分運(yùn)算時，并沒有載入完整的各幀圖像，因為數(shù)據(jù)空間有限，若用完整的圖像幀進(jìn)行差分，則由76.8K×3230KByte，加上其它常、變量、寄存器等，至少需要256KByte或以上的數(shù)據(jù)空間。大大超過芯片設(shè)定的數(shù)據(jù)空間。因此，我們采用隔點(diǎn)、隔行的亞抽樣。抽樣后，每幀圖像大小約為20KByte，總計約需80 KByte數(shù)據(jù)空間，C6202的片內(nèi)數(shù)據(jù)空間足夠所需。我們對DSP芯片的內(nèi)部空間分配如圖5。

　　PCI 接口電路

　　由于本系統(tǒng)與PC機(jī)的接口是PCI接口。為了避免受困于PCI接口繁雜的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，充分發(fā)揮PCI總線的數(shù)據(jù)傳送能力，PCI接口電路采用PCI9054芯片來實現(xiàn)的。在33 MHz的PCI總線工作頻率下，它的最大數(shù)據(jù)吞吐能力為132Mbyte/s。

　　PCI9054與DSP的數(shù)據(jù)交換或通信是通過DSP芯片內(nèi)部的兩個寄存器實現(xiàn)的：XBISA(地址寄存器)，XBD(數(shù)據(jù)寄存器)。即對PCI9054及DSP芯片而言，它們互相并不能直接訪問對方的資源，它們之間的數(shù)據(jù)交換必須由這兩個寄存器中繼，如圖6所示。

　　系統(tǒng)可靠性研究

　　可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠性工程是為了到達(dá)系統(tǒng)可靠性要求而進(jìn)行的有關(guān)設(shè)計、試驗等一系列工作的總和，它與系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)的全部可靠性活動有關(guān)。

　　提高系統(tǒng)可靠性的方法有降額設(shè)計、簡化設(shè)計、余度設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計和熱設(shè)計等。結(jié)合本系統(tǒng)硬件模塊的現(xiàn)實，本文主要討論余度設(shè)計。

　　“余度”就是指系統(tǒng)或設(shè)備具有一套以上能完成給定功能的單元，只有當(dāng)規(guī)定的幾套單元都發(fā)生故障時系統(tǒng)或設(shè)備才會喪失功能，這就使系統(tǒng)或設(shè)備的任務(wù)可靠性得到提高。本硬件模塊只有一套功能單元和監(jiān)控/恢復(fù)單元。也就是說，只有在系統(tǒng)的相應(yīng)功能單元發(fā)生非物理損壞故障時，本余度設(shè)計才能起到預(yù)設(shè)的作用。從這種意義上講，本系統(tǒng)采用的是準(zhǔn)余度設(shè)計。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生非物理損壞性故障時，本設(shè)計與典型的余度設(shè)計對可靠性的改善是等效的。在本系統(tǒng)的調(diào)試和測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)，真正發(fā)生物理損壞性故障，并不多見。超過 95％的故障都是非物理損壞性故障。所以，從實際效果看，該設(shè)計是能夠起到我們預(yù)設(shè)的效果的?！?/p>

　　根據(jù)系統(tǒng)可靠性理論，該設(shè)計對系統(tǒng)可靠性的改善，理論計算結(jié)果與實際工程效果有著極大的一致性，如圖7所示。
從圖7我們不難看出，余度設(shè)計對本系統(tǒng)可靠度的改善是很明顯的。這種針對系統(tǒng)中的可靠性關(guān)鍵環(huán)節(jié)采用余度技術(shù)，對減少系統(tǒng)的復(fù)雜性較為有效?！?/p>

　　結(jié)語

　　我們研制的紅外動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)是一套復(fù)雜的高度智能化系統(tǒng)，本系統(tǒng)硬件平臺具有超高速的處理能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲能力、較強(qiáng)適應(yīng)能力、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡單。所以該硬件平臺具備很強(qiáng)的升級能力及一定的通用性。