紅外動目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　與通用集成電路相比，ASIC芯片具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等幾個方面的優(yōu)勢，而且在大批量應(yīng)用時，可降低成本?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點(diǎn)。與其他中小規(guī)模集成電路相比，其優(yōu)點(diǎn)主要在于它有很強(qiáng)的靈活性，即其內(nèi)部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置，對電路的修改和維護(hù)很方便。DSP＋FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適合于實(shí)時數(shù)字信號處理。本文介紹的就是一種可以應(yīng)用于軍事偵察的紅外動目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計。

　　設(shè)計任務(wù)及要求

　　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(shí)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上實(shí)時顯示紅外視頻圖像，實(shí)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(shí)時存儲或遠(yuǎn)程傳輸。硬件模塊需要為系統(tǒng)功能的實(shí)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。

　　模擬視頻數(shù)字化精度要求：AD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；每場圖像處理時間＜40ms；搜索到捕獲時間：0.2～1s；捕獲到跟蹤時間＜120ms；25幀/s實(shí)時識別、跟蹤運(yùn)動目標(biāo)（即當(dāng)前場數(shù)據(jù)必須在下一場數(shù)據(jù)到來之前處理完畢，并由計算機(jī)輸出處理結(jié)果，顯示視頻圖像），并給出目標(biāo)位置及領(lǐng)域圖像；與計算機(jī)的接口為PCI接口。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計

　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)和系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)大致可分為四個模塊（見圖1）。

圖1系統(tǒng)模塊組成

　　UNIT 1模塊基于標(biāo)準(zhǔn)32位＋5V的PCI總線，并配以超大規(guī)?？删幊绦酒―SP，F(xiàn)PGA），具有極強(qiáng)的運(yùn)算、處理能力。

　　UNIT 2模塊的功能主要實(shí)現(xiàn)是運(yùn)動背景下的動目標(biāo)檢測、跟蹤?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的實(shí)時檢測與跟蹤。

　　UNIT 3模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)硬件模塊與上層應(yīng)用程序的數(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?yàn)榱藵M足每秒25幀圖像的實(shí)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，也就是請求一一應(yīng)答協(xié)議。

　　UNIT 4模塊的主要功能是向硬件模塊下載DSP跟蹤程序，啟動/停止DSP，實(shí)時顯示場景視頻，對運(yùn)動目標(biāo)序列進(jìn)行實(shí)時存儲，對運(yùn)動目標(biāo)序列的基本特性進(jìn)行實(shí)時分析和結(jié)果的顯示。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示，為了設(shè)計和描述的方便，我們把硬件模塊的電路結(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的PCI接口電路等。

圖2系統(tǒng)硬件原理框圖

　　1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（DSP）提供必要的視頻數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù)。視頻接口單元框圖如圖3所示。