基于A(yíng)DSP-BF561的視頻跟蹤系統的研究與實(shí)現

智能化是現代視頻監控系統的重要發(fā)展方向，目標跟蹤成為發(fā)展過(guò)程中一項不可缺少的重要功能。智能監控技術(shù)是指在不依賴(lài)人為干預的情況下，采用計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)對攝像機拍攝的圖像數據進(jìn)行自動(dòng)分析，實(shí)現對圖像內容含義的理解以及對客觀(guān)場(chǎng)景的解釋。智能監控算法流程如圖1所示。

本文在研究視頻跟蹤系統相關(guān)算法和硬件結構的基礎上，設計一套基于A(yíng)DSP-BF561的視頻跟蹤系統，通過(guò)控制攝像機姿態(tài)實(shí)現對監控場(chǎng)景中的運動(dòng)目標進(jìn)行自動(dòng)識別和跟蹤，符合現代視頻監控系統向智能化發(fā)展的趨勢。

1 系統總體設計方案

嵌入式處理器中數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)具有強大的數字信號處理功能，適用于視頻圖像、語(yǔ)音等大量數據的實(shí)時(shí)處理。ADSP—BF561是一款集音頻、視頻圖像處理和控制于一身的雙核DSP，具有高速的內核時(shí)鐘、靈活的存儲器架構和專(zhuān)用的視頻接口，在視頻圖像處理方面具有較大優(yōu)勢。

采用ADSP—BF561作為處理器設計視頻跟蹤系統硬件平臺，系統平臺由DSP處理器、攝像機、監視器和云臺等部分組成，系統結構如圖2所示。硬件結構中攝像機和云臺兩部分固定為一體，云臺的運動(dòng)反映攝像機監控姿態(tài)的調整。DSP通過(guò)對攝像機采集的視頻圖像數據進(jìn)行跟蹤圖像處理，獲取運動(dòng)目標所在位置，并在監視器上實(shí)時(shí)顯示監控圖像。DSP根據目標位置信息發(fā)送云臺控制指令，控制云臺運動(dòng)，調整攝像機監控姿態(tài)，使運動(dòng)目標保持在監控中心附近，實(shí)現自動(dòng)跟蹤功能。

2 硬件設計

2.1 硬件系統總體設計

系統采用嵌入式ADSP—BF561為核心處理器構建視頻跟蹤系統硬件平臺。系統硬件平臺主要由BF561處理器、2自由度云臺攝像機、RS232轉換器、存儲器、視頻編碼器、視頻解碼器、監視器、復位電路、下載調試接口、電源和時(shí)鐘等部分組成，硬件系統結構組成如圖3所示。

圖像采集設備和跟蹤單元采用2自由度云臺攝像機，該模塊內部集成了攝像系統、云臺系統及通信系統3部分。由攝像機采集視頻信號并通過(guò)視頻解碼芯片送至DSP，經(jīng)視頻圖像分析確定跟蹤目標位置，由模擬彩色電視機作為監視器顯示監控視頻圖像。與此同時(shí)，DSP通過(guò)發(fā)送相應命令控制云臺運動(dòng)，實(shí)現了運動(dòng)目標始終處于監控范圍內，完成自動(dòng)跟蹤功能。

2.2 視頻編解碼器

視頻編解碼器是視頻跟蹤系統的重要組成部分，攝像機輸出的視頻信號和監視器直接播放的視頻信號均為模擬信號。視頻信號在進(jìn)入DSP處理前必須進(jìn)行A/D轉換成數字信號，DSP處理后的視頻信號也需要進(jìn)行D/A轉換。

視頻解碼器即完成A/D轉換功能的器件，系統采用ADI公司的ADV7183A。ADV7183A是一款集成式視頻解碼器，無(wú)需任何配置便能自動(dòng)檢測NTSC、PAL和SECAM制式的模擬基帶電視信號，并轉換成YUV4：2：2格式的數字視頻信號。BF561與ADV7183A接口原理如圖4所示。

2.3 視頻編碼器

視頻編碼器即完成D/A轉換功能的器件，系統采用ADI公司的ADV7179。ADV7179為集成式視頻編碼器，其可將ITU-656格式的YUV4：2：2數字視頻信號轉換成PAL、NTSC等標準制式模擬電視信號。因ADV7179需要用I2C總線(xiàn)對其進(jìn)行配置，但BF561內部并未集成I2C總線(xiàn)，因此利用軟件模擬I2C總線(xiàn)進(jìn)行通信。BF561與ADV7179接口原理如圖5所示。

2.4 RS232轉換器

系統選用Winyork公司MCC-INOS云臺攝像機，它支持工業(yè)標準RS232總線(xiàn)，標準UART可通過(guò)RS232電平轉換獲得，所采用的電平轉換芯片為ADM3202，其與BF561接口電路如圖6所示。將RS232總線(xiàn)經(jīng)電平轉換后與DSP通用異步收發(fā)器接口相連，進(jìn)而與攝像機的云臺進(jìn)行通信。

3 軟件設計

3.1 DSP雙核資源規劃

系統采用ADI公司的DSP芯片BF561作為主處理器，BF561內有雙核獨特結構，給系統設計帶來(lái)方便。BF561雙核獨特結構，既可相互獨立運行，也可協(xié)調處理并行運行，提高運算速度。根據視頻跟蹤處理算法，可對A核和B核工作進(jìn)行合理分配，使其既相互獨立互不干擾，同時(shí)共同完成自動(dòng)視頻跟蹤功能。其中，A核主要工作是完成運動(dòng)目標檢測與跟蹤，B核主要工作內容是完成云臺運動(dòng)控制算法的實(shí)現，共享存儲器L2作為雙核公共存儲器主要用于雙核間的信息交互。其具體工作內容如下：

(1)A核。完成視頻圖像采集存儲至外存儲器中;將外存儲器中的圖像數據傳輸至內核存儲器中;進(jìn)行運動(dòng)目標檢測及跟蹤運算，計算出目標質(zhì)心坐標并求出目標跟蹤矩形框。

(2)B核。根據A核計算得到的目標質(zhì)心坐標，實(shí)現云臺運動(dòng)控制算法;通過(guò)串口通信控制云臺攝像機跟蹤運動(dòng)目標;將原視頻圖像增加目標跟蹤矩形框，完成視頻數據實(shí)時(shí)輸出至監視器。

(3)共享存儲器L2。存儲A核與B核通信數據與共享數據，主要包括跟蹤目標質(zhì)心坐標、目標跟蹤矩形框參數信息和云臺靜止標志信息等。

根據系統規劃可知，BF561采用雙核協(xié)同工作方式，其雙核并行工作結構流程如圖7所示。

3.2 視頻采集

DSP采用PPI0進(jìn)行整場(chǎng)圖像模式采集，并將整場(chǎng)圖像數據存放于外部存儲器SDRAM中。攝像機輸出復合視頻信號經(jīng)視頻解碼器AD7183轉換成每秒25幀，每幀625行，每行864點(diǎn)像素，每點(diǎn)像素2 Byte視頻信號，由PPI0以DMA方式傳輸至SDRAM，并以PAL整場(chǎng)模式存儲，完成視頻采集。其PPI0 DMA具體配置如下：

*Pppi0_CONTROL=0x0183;//輸入模式，整場(chǎng)模式，32包裝模式

*Pppi0_FRAME=625;//接收總行數

*Pdmal_0_X_COUNT=864*2/32;//每行接收包次數，32 Byte包裝

*Pdmal_0_Y_COUNT=625;//接收總行數

*Pdmal_0_X_MODIFY=32;//傳輸間隔

*Pdmal_0_Y_MODIFY=32;//傳輸間隔

3.3 運動(dòng)目標檢測及跟蹤

運動(dòng)目標檢測及跟蹤算法為系統軟件的核心，現被處理視頻亮度信息(Frame_Compress)存儲于片上共享存儲器L2中，并在DSP的A核中實(shí)現運動(dòng)目標檢測和跟蹤算法，求出目標質(zhì)心坐標與跟蹤矩形框四頂點(diǎn)坐標參數。

運動(dòng)目標檢測及跟蹤核心算法程序流程如圖8所示，首先將已壓縮的連續3幀圖像進(jìn)行三幀差分運算得到灰度圖像*Gray_Image，并經(jīng)二值化、形態(tài)學(xué)濾波處理獲得準確的運動(dòng)目標圖像* Binary_Image。目標圖像通過(guò)連通域標記處理得到一組與圖像大小一致的標記信息*Conneted_Image，并經(jīng)卡爾曼跟蹤模型確定面積最大目標在本幀圖像的位置參數，包括目標質(zhì)心坐標(X_CENT，Y_CENT)和跟蹤矩形框四頂點(diǎn)坐標((X_Left，Y_Up)，(X_Right，Y_Up)，(X_Left，Y_Down)，(X_Right，Y_Down))。

由于運動(dòng)目標檢測及跟蹤算法是針對壓縮后的圖像進(jìn)行處理，故目標質(zhì)心坐標和跟蹤矩形框四頂點(diǎn)坐標均需放大4倍處理，進(jìn)而還原成實(shí)際圖像參數值。最后將得到的實(shí)際目標坐標及跟蹤矩形框四頂點(diǎn)坐標存放于共享內存L2中，使得B核可直接調用。

3.4 云臺控制

云臺運轉控制由BF561中的B核處理完成，B核調用共享內存L2中的目標質(zhì)心坐標(X_CENT，Y_CENT)，實(shí)現對云臺的控制。為實(shí)現對運動(dòng)目標的有效跟蹤，需在實(shí)際有效分辨率為720×576圖像進(jìn)行三級虛擬線(xiàn)圈劃分，具體劃分參數如圖9所示。

系統通過(guò)判斷目標質(zhì)心坐標是否超出虛擬線(xiàn)圈，決定云臺是否旋轉，并結合所選攝像機云臺性能特點(diǎn)，將云臺移動(dòng)所需角度和角速度進(jìn)行設定。采用多級線(xiàn)圈，較好地解決了一級線(xiàn)圈的不足，不僅使目標盡可能地處于中心附近，同時(shí)也可根據目標移動(dòng)的速度調整攝像機的旋轉速度，從而使攝像機旋轉更加平穩，獲得更好的跟蹤效果。

3.5 視頻輸出

監控的視頻圖像存儲于外部存儲器SDRAM中，并由B核控制PPI1輸出至視頻編碼器，實(shí)現在監視器上的實(shí)時(shí)播放。在視頻數據輸出前，可在原圖像的基礎上增加目標跟蹤矩形框進(jìn)行輔助顯示，其矩形框4頂點(diǎn)坐標存儲于共享內存L2中，B核可直接在原圖像數據中增加矩形框數據。

BF561視頻圖像輸出方法不同，系統采用在緩存中靜態(tài)建立一個(gè)整場(chǎng)模式的方法，即存儲器內已是標準ITU-656視頻格式，此時(shí)按地址順序直接通過(guò)PPI輸出即可。PPI以DMA的方式進(jìn)行傳送，具體配置如下：

4 系統測試

運動(dòng)目標自動(dòng)跟蹤系統，主要通過(guò)控制云臺攝像機的姿態(tài)使運動(dòng)目標保持在監控范圍內，并通過(guò)輔助矩形框鎖定目標加以提示。當監控范圍內出現運動(dòng)目標時(shí)，監視器內便出現跟蹤矩形框鎖定運動(dòng)目標。如果運動(dòng)目標移動(dòng)至距離監控畫(huà)面邊緣一定距離時(shí)，攝像機將轉動(dòng)使目標回到監控畫(huà)面中心附近。跟蹤效果監控畫(huà)面如圖10所示，系統自動(dòng)識別運動(dòng)人員并用矩形框鎖定，如圖10(a);當運動(dòng)目標移動(dòng)至監控窗口內一定范圍時(shí)，云臺發(fā)生轉動(dòng)如圖10(b)和圖10(c)。

5 結束語(yǔ)

文中基于A(yíng)DSP-BF561為核心處理器設計一套自動(dòng)視頻跟蹤系統，對智能監控系統中關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現進(jìn)行研究，包括運動(dòng)目標檢測、目標跟蹤算法、硬件平臺搭建及攝像機的運動(dòng)控制等。實(shí)驗表明，系統可快速自動(dòng)識別運動(dòng)目標并進(jìn)行跟蹤，且具有一定的實(shí)時(shí)性及穩定性。由于時(shí)間限制，系統在設計上仍然存在不足，在多個(gè)方面仍需進(jìn)一步完善。