紅外動目標識別跟蹤系統(tǒng)硬件設計與實現

　　引言

　　視頻目標識別與跟蹤技術是當今世界重要的研究課題，它涉及圖像處理、自動控制、計算機應用等學科，廣泛應用于軍事領域的各個方面：預警、火控、制導等；在民用領域的應用也隨著該技術的日益成熟，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，從而實現運動目標識別與跟蹤的智能信號處理系統(tǒng)。信號處理的本質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器所使用的形式?！?/p>

　　紅外動目標跟蹤與識別系統(tǒng)

　　系統(tǒng)要求

　　紅外動目標跟蹤與識別系統(tǒng)的輸入信號是紅外攝像機提供的模擬或數字視頻信號。該系統(tǒng)通過基于C6X系列高速DSP的數字視頻處理卡，實時的處理紅外數字視頻序列，完成對運動目標的搜索、捕獲、跟蹤、記憶。并且在PC機上實時顯示紅外視頻圖像，實時給出運動目標的空間坐標，產生運動目標區(qū)域的特征數據，完成運動目標區(qū)域圖像的實時存儲或遠程傳輸。硬件模塊需要為系統(tǒng)功能的實現提供硬件支持，即提供與系統(tǒng)功能相適應的底層物理支持，包括運算處理速度，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據，又能處理數字通道的視頻數據?！?/p>

　　模擬視頻數字化精度要求：A/D精度為8bit。

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

　　系統(tǒng)組成　

　　本系統(tǒng)的模塊構成見圖1(虛線框內)，分為四個模塊。

　　·硬件模塊

　　該模塊基于標準PCI總線，并配以超大規(guī)?？删幊绦酒?DSP、FPGA)，具有極強的運算、處理能力。

　　·DSP 程序模塊

　　其功能主要實現運動背景下的動目標檢測、跟蹤?？紤]到系統(tǒng)的實時性要求，運動背景下的動目標檢測采用基于攝像機運動補償的差分技術。首先對攝像機運動造成的全局運動進行補償，對補償后的序列圖像進行差分運算；然后在差分域搜索目標運動引起的運動擾動區(qū)域；最后在原視頻圖像上分割提取運動目標。同時，采用預測技術對目標的可能位置和存在區(qū)域進行估計，以實現實時、準確跟蹤(或記憶)目標。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)及其轉換運行，以實現運動目標的實時檢測與跟蹤。

　　·驅動程序模塊

　　其主要功能是實現硬件模塊與上層應用程序進行數據通信與信息交互。系統(tǒng)采用了PCI 9054 Target 方式的單周期讀/寫；在圖像數據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方式的數據傳輸。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—應答協(xié)議?！?/p>

　　·上層應用程序模塊

　　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，對運動目標序列進行實時存儲，對運動目標序列的基本特性進行實時分析和結果顯示。
　
　　在方案設計中，強調了主機控制程序的三個設計準則：界面的簡潔性、運行的穩(wěn)定性和功能的可擴展性。主機控制程序采用了模塊化設計，并參照了目前軟件設計的先進模型：COM(組件對象模型)，這既降低了主機控制程序設計的復雜度，又有利于主機控制程序各模塊的調試。

　　紅外動目標跟蹤與識別系統(tǒng)

　　硬件模塊

　　數字視頻處理卡的硬件結構示于圖2。

　　硬件模塊的電路結構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、數字圖像處理單元(DSP)、可編程控制器、與PC機的PCI接口電路等?！?/p>

　　視頻接口單元

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

　　由于模擬/數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換器。此外，從圖2可看出，模擬/數字通道在進FIFO前合二為一，故此處也需要一條數據總線，模擬/數字通道的數據信號均由此總線進入FIFO。根據這一情況，我們選擇IDT公司的QS32XL384電平轉換器，為實現通道選擇，我們采用兩片(每片可以轉換20路信號)，一片實現模擬信號的轉換，一片實現數字信號的轉換。通過FPGA對該芯片使能端的控制，實現通道選擇。　

　　輸入輸出緩沖 FIFO

　　設置輸入輸出緩沖 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據而使系統(tǒng)的效率降低。A/D芯片送出的數字信號其時鐘頻率約為12MHz(模擬通道時鐘12.5MHz，數字通道時鐘12MHz)，而處理卡上DSP的總線頻率高達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，最大存取速度可達到10ns。之所以選取大容量芯片，是為了減少數據傳送時總線申請的次數，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，并在其中設置狀態(tài)寄存器、命令字寄存器和專用寄存器，完成與主機的實時通信，接收主機傳送的命令信息和向主機傳送所需要的狀態(tài)信息?！?/p>

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

　　數字圖像存儲器

　　紅外動目標識別與跟蹤系統(tǒng)要完成對運動目標的識別與跟蹤。其實現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?？紤]到我們的視頻圖像每場的數據量為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，我們設置了4幀圖象存儲空間，其余空間用于存放目標小圖、DSP裝配數據等，數據空間具體地址分配如圖4。

　　數字圖像處理模塊

　　CCIR 視頻制式的視頻信號為50場/秒，由于系統(tǒng)要對數字化的圖像進行實時處理，經過權衡運算量和實時性要求，我們取25場／秒，因此每場圖像的處理時間不能超過40ms。故要求DSP應具有較高的處理速度。基于以上考慮，DSP采用TI公司的TMS320C6202芯片，芯片峰值性能可達到2000MIPS，本系統(tǒng)DSP時鐘為200MHz，芯片峰值運算速度1600 MIPS。

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

　　PCI 接口電路

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

　　PCI9054與DSP的數據交換或通信是通過DSP芯片內部的兩個寄存器實現的：XBISA(地址寄存器)，XBD(數據寄存器)。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，它們之間的數據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，完成規(guī)定功能的能力。可靠性工程是為了到達系統(tǒng)可靠性要求而進行的有關設計、試驗等一系列工作的總和，它與系統(tǒng)整個壽命周期內的全部可靠性活動有關。

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

　　“余度”就是指系統(tǒng)或設備具有一套以上能完成給定功能的單元，只有當規(guī)定的幾套單元都發(fā)生故障時系統(tǒng)或設備才會喪失功能，這就使系統(tǒng)或設備的任務可靠性得到提高。本硬件模塊只有一套功能單元和監(jiān)控/恢復單元。也就是說，只有在系統(tǒng)的相應功能單元發(fā)生非物理損壞故障時，本余度設計才能起到預設的作用。從這種意義上講，本系統(tǒng)采用的是準余度設計。當系統(tǒng)發(fā)生非物理損壞性故障時，本設計與典型的余度設計對可靠性的改善是等效的。在本系統(tǒng)的調試和測試過程中，我們發(fā)現，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，該設計是能夠起到我們預設的效果的?！?/p>

　　根據系統(tǒng)可靠性理論，該設計對系統(tǒng)可靠性的改善，理論計算結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)中的可靠性關鍵環(huán)節(jié)采用余度技術，對減少系統(tǒng)的復雜性較為有效?！?/p>

　　結語

　　我們研制的紅外動目標識別與跟蹤系統(tǒng)是一套復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、強大的數據存儲能力、較強適應能力、系統(tǒng)結構清晰簡單。所以該硬件平臺具備很強的升級能力及一定的通用性。