基于DSP的實(shí)時(shí)圖像目標搜索與跟蹤系統設計

摘 要：本文介紹了一種基于雙TMS320VC5416處理器的實(shí)時(shí)圖像搜索跟蹤處理系統，詳細闡述了該系統的硬件設計思想，并結合一種跟蹤算法實(shí)例敘述了基于DSP的圖像搜索與跟蹤處理系統軟件設計的一般流程。該系統是一種優(yōu)良的圖像處理平臺,具備良好的通用性，可以用來(lái)實(shí)現多種圖像處理算法。
關(guān)鍵詞：圖像處理 數字信號處理器 搜索 跟蹤

1．引言
電視圖像跟蹤器是一種具有簡(jiǎn)單智能的圖像跟蹤裝置，它能在比較復雜的背景中，按照標準的電視制式，逐場(chǎng)提取與分離視場(chǎng)內的運動(dòng)目標，提取目標亮度與結構特征，測定目標中心對轉臺視軸的方位與俯仰角誤差。該跟蹤角誤差信息經(jīng)變換后送到轉臺的伺服系統，驅動(dòng)轉臺運動(dòng)以保證被跟蹤的目標始終處于成像傳感器的視場(chǎng)中心，實(shí)現對目標的自動(dòng)跟蹤。

由于需要逐場(chǎng)（20ms）處理視場(chǎng)中的數據，因此處理的數據量大、算法復雜度高,傳統的處理器一般不能滿(mǎn)足速度要求，本系統選擇美國TI公司TMS320C5416信號處理器為核心，實(shí)現了實(shí)時(shí)采集視場(chǎng)中的圖像數據并完成相應的圖像處理算法運算的任務(wù)。TMS320C5416主頻可達160MHz，片內總存儲空間為128M16bit，是一款高性能低功耗通用數字信號處理芯片。該系統能處理50場(chǎng)/秒的，圖像分辨率可調的標準電視圖像信號。

2．系統硬件框圖

圖1 系統硬件整體結構框圖

如圖1所示系統采用雙DSP＋CPLD構架，系統有兩路輸入，一路接數字視頻信號輸入，另外一路從攝像機輸入PAL制式的視頻信號。雙DSP中一個(gè)為主DSP，負責處理跟蹤算法以及與上位機通信，另外一個(gè)從DSP負責實(shí)時(shí)產(chǎn)生模擬高斯噪聲用以檢測各種噪聲條件下跟蹤算法的效果。兩個(gè)DSP之間通過(guò)一個(gè)共享雙口RAM或HPI進(jìn)行通信。在場(chǎng)正程圖像數據存儲到圖像SRAM中， 主DSP在場(chǎng)逆程從圖像雙口RAM中讀取圖像數據到DSP內部，場(chǎng)正程開(kāi)始時(shí)主DSP開(kāi)始進(jìn)行圖像處理算法，在下一場(chǎng)逆程主DSP將處理的結果以及相關(guān)數據寫(xiě)入圖形顯示雙口RAM同時(shí)開(kāi)始從SRAM讀入下一場(chǎng)數據，DSP處理完成以后在時(shí)序電路和視頻復合電路配合下將處理結果顯示到監視器上，完成實(shí)時(shí)圖像處理任務(wù)。

2.1 圖像采集模塊
圖像采集模塊的主要功能是獲取輸入視頻信號中的灰度數據和同步時(shí)鐘，它是后續處理的基準。系統采用同步分離和鎖相技術(shù)設計，采用分立元件。具體實(shí)現是信號從CCD出來(lái)后分為兩路，一路經(jīng)同步分離同步分離器LM1881,輸出復合同步HS，場(chǎng)同步VS作為后面電路的控制信號，另一路經(jīng)G位和直流恢復，然后放大，將圖像信號調整到A/D轉換器的參考電壓范圍之內。對行同步信號進(jìn)行鎖相倍頻即可得到像素時(shí)鐘信號，鎖相環(huán)芯片采用74HC4046。輸入視頻信號經(jīng)鎖相環(huán)鎖相輸出系統象素時(shí)鐘提供給A/D變換器使用，得到數字圖像數據。

2.2時(shí)序電路模塊
時(shí)序模塊主要由一片CPLD（Xilinx公司的95288XL）實(shí)現，包括鎖相計數、標準視頻行場(chǎng)信號生成、DSP的外接存儲器接口片選讀寫(xiě)信號生成以及部分存儲器地址生成、實(shí)現圖形信號的并串轉換、用戶(hù)自定義I/O等。

2.3通訊接口模塊
本系統用到一個(gè)異步串口接收PC發(fā)送的調試命令，并向PC返回運算結果。
5416提供的串口是一種同步串行接口，并不支持通用異步接收器/發(fā)送器(UART)標準，本系統使用MAXIM公司的MAX3100芯片實(shí)現同步串口到異步串口的轉換。5416使用FSR和FSX作為每次傳輸的同步信號， FSX作為MAX3100的選通信號。同步接收時(shí)鐘CLKR和同步發(fā)送時(shí)鐘CLKX在本系統中使用內部的時(shí)鐘源，并且把CLKX作為MAX3100的同步時(shí)鐘。系統中使用MAX3100的接收中斷作為DSP的外部中斷信號，通知DSP數據準備好，可以開(kāi)始接收。

2.4存儲器訪(fǎng)問(wèn)模塊
圖像緩存采用單口大容量SRAM，可以存儲整場(chǎng)圖像。在場(chǎng)正程接收從采集模塊采集進(jìn)來(lái)的數據。在場(chǎng)逆程DSP將待處理的數據由SRAM讀入片內數據區處理。
圖形數據雙口RAM用于存儲用于顯示的字符、圖形等。視場(chǎng)中的一個(gè)確定位置對應于存儲器中的一個(gè)單元（byte）中的一位（bit）。DSP將要顯示的字符或圖形以點(diǎn)陣形式寫(xiě)入存儲器規定的存儲單元內，存儲器在系統時(shí)序控制下讀出要顯示字符或圖形的點(diǎn)陣信號。8位圖形數據經(jīng)CPLD并－串轉換電路變成串行信號迭加在模擬視頻信號上提供顯示。

3．系統軟件設計
本系統可作為數字圖像處理的通用平臺，處理多種圖像處理程序，軟件設計靈活。

主DSP用以完成搜索跟蹤算法，搜索、跟蹤的算法有很多種，現以經(jīng)典的相關(guān)跟蹤算法為例來(lái)說(shuō)明圖像跟蹤處理軟件設計的一般流程。如果需要，可以增加不同的跟蹤算法。

相關(guān)跟蹤是利用圖像相似性度量方法，在圖像中尋找最佳匹配子區的工作，可選用算法包括歸一化互相關(guān)（NCC）和平均絕對差累加和（MAD）等。由于相關(guān)運算數據處理量大，為便于實(shí)時(shí)實(shí)現，本系統采用最小絕對差累加和的相關(guān)匹配算法。該方法在計算兩幅圖象f1、f2它們之間的相似性度量時(shí)按下式進(jìn)行：

其中f1、f2分別表示模板和搜索區圖象的子區圖象，在計算所有搜索區圖子區與模板圖象的絕對差累加和C后，確定最小C對應的子區位置即最佳匹配點(diǎn)。

對于3232的模板和6464的搜索區圖象，每一幀圖象僅僅確定最佳匹配位置的計算次數為 ，再加上模板修正和決策判斷等工作，每一幀的數據計算量很大。例如，當指令周期為6ns時(shí)，運算時(shí)間約為7ms。為了減少計算量，可采用圖象分辨率先粗后精的方法。圖象分辨率降低一倍，計算量降低接近15倍。實(shí)際系統中，模板粗采樣匹配跟蹤執行時(shí)間約為1ms，可以滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求。

實(shí)踐證明,在進(jìn)行序列圖象跟蹤過(guò)程中,如果單純地將當前圖象的最佳匹配位置處的圖象來(lái)作為模板進(jìn)行下一幀圖象的匹配,跟蹤結果很容易受某一幀發(fā)生突變圖象的影響而偏離正確位置。 因此,應當考慮根據舊模板和當前圖象的最佳匹配位置處的匹配度(合適度) 來(lái)制定合適的新模板,相當于對匹配跟蹤過(guò)程進(jìn)行一個(gè)指導,以達到比較好的跟蹤效果.本系統設計一種模板加權修正方案，即

其中：A 為原模板圖像內容；B 為本次匹配最佳匹配位置子圖像內容；

M為修正后模板圖像內容；W 為加權系數（根據幀內和幀間相關(guān)置信度選?。?BR>在跟蹤過(guò)程中，由于背景復雜，還可能會(huì )出現局部遮擋等情況，本系統采取了抗遮擋措施在一定程度上消除了局部遮擋的影響。其根據是在發(fā)生遮擋的情況下，最佳匹配位置的絕對差累加和會(huì )比未發(fā)生遮擋的時(shí)候大得多，在匹配過(guò)程中對匹配結果進(jìn)行遮擋評估如下：

1、首先確定遮擋面積門(mén)限即遮擋部分占模板面積的百分比門(mén)限，超過(guò)門(mén)限就認為被遮擋；
2、然后根據最佳匹配位置的平均象素絕對差為參考確定遮擋象素的灰度門(mén)限，實(shí)時(shí)搜索區對應模板區域的象素灰度值大于灰度門(mén)限，則認為該象素被遮擋；
3、計算當前最佳匹配位置圖象與模板圖象絕對差超出遮擋象素灰度門(mén)限的個(gè)數 S，然后判斷S是否超過(guò)遮擋的面積門(mén)限，如果超過(guò)，則認為目標被遮擋，置目標遮擋標志位，調初始化匹配結果堆棧例程，模板校正周期計數器歸位停止校正模板，然后把當前的匹配結果用前面若干場(chǎng)匹配結果的統計平均值替換；否則認為沒(méi)有被遮擋，清目標遮擋標志位。

系統軟件具體實(shí)現過(guò)程為：首先對系統進(jìn)行初始化。初始化子程序中定義一個(gè)狀態(tài)字SysStatus來(lái)控制程序的流程，例如SysStatus=0時(shí)是搜索態(tài)，SysStatus=1時(shí)是相關(guān)跟蹤算法SysStatus=2時(shí)是對比度跟蹤態(tài)等。初始化結束后，系統進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，每場(chǎng)查詢(xún)SysStatus的狀態(tài)，等待狀態(tài)的改變。跟蹤目標模板的初始捕獲可以選擇在搜索態(tài)由目標搜索算法完成，也可由人工完成。以人工捕獲為例，用戶(hù)在上位PC機視場(chǎng)中選定目標區域，然后將目標位置坐標及搜索區域大小信息通過(guò)RS232串口傳送給DSP,DSP根據接收到的狀態(tài)賦值給全局變量SysStatus。然后根據SysStatus參數所指示的值進(jìn)入不同的跟蹤狀態(tài)。

具體相關(guān)跟蹤算法流程如下圖2所示：

圖2 相關(guān)匹配流程圖

一場(chǎng)數據處理完成后結果一路經(jīng)串口反饋到上位機上，一路經(jīng)圖形存儲器把在目標位置處畫(huà)出窗口并顯示到監視器上。然后開(kāi)始進(jìn)行下一場(chǎng)處理。

從DSP完成實(shí)時(shí)高斯噪聲的生產(chǎn)，噪聲疊加到采集的輸入圖像上可以用以用來(lái)檢驗不同的跟蹤算法在不同強度的高斯噪聲下的實(shí)際效果。

算法為由均勻噪聲通過(guò)映射表生成高斯隨機噪聲，具有高速、高精度的優(yōu)點(diǎn)。原理框圖如圖3所示：左半部分為均勻噪聲生成部分，采用模數取余法，依靠已有的k個(gè)在（-x,x）內均勻分布，互相獨立的隨機數種子x(1),…..x(k)，不斷的生成新的隨機數，并將之向外輸出。右半部分采用左部分的輸出值為偏移地址，加上右表的基地址生成映射表地址，將查表后得到的該地址結果輸出就得到了所要求的結果高斯噪聲值，然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖3 噪聲產(chǎn)生原理圖

從DSP主要完成噪聲的產(chǎn)生工作，如果系統不需要模擬高斯噪聲，此DSP也可根據實(shí)際需要用作別的用途，增加了系統的可擴展性。

4.結束語(yǔ)
本系統在硬件上采用了DSP、CPLD等集成度高、功耗低的先進(jìn)器件，使得系統電路具備體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),是一種優(yōu)良的圖像處理平臺。在本系統上成功實(shí)現了基于方向編碼的目標搜索算法以及相關(guān)、對比度等多種跟蹤算法，實(shí)驗證明本系統完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，能夠穩定、精確和快速的搜索、跟蹤目標。

參考文獻：
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