嵌入式多目標跟蹤(下)

接上篇
     差分后直接得到的圖像包含噪點(diǎn)，會(huì )影響真實(shí)目標的 判斷，在本設計中對差分圖像經(jīng)過(guò)了腐蝕和膨脹兩個(gè)形態(tài)學(xué) 處理。腐蝕和膨脹均為3x3大小的檢測窗口，按順序掃描差 分圖像，示意圖如圖6。腐蝕的目的是去除孤立的運動(dòng)像素 點(diǎn)或塊，在3x3畫(huà)面中，檢測到任何一個(gè)沒(méi)有被標記的像素 點(diǎn)，則全部去掉標記。膨脹是為了增強運動(dòng)目標的連通性， 與腐蝕相反，檢測到任意一個(gè)標記點(diǎn)，則全部標記。
在圖像周邊檢測區域內，設置等間隔的掃描線(xiàn)，只有 運動(dòng)的物體會(huì )被掃描到，并根據掃描線(xiàn)的數量和掃描到的運 動(dòng)像素點(diǎn)位置，確定目標進(jìn)入畫(huà)面的位置和輪廓大小，同時(shí) 給出發(fā)現目標的標志信號，啟動(dòng)下一級粒子濾波算法對已有 目標的跟蹤。

5.2 目標選擇
紅外遙控信號如圖7所示。 按下紅外遙控器按鍵后， 紅外遙控器向DE2-115板上的IR接收器發(fā)送紅外遙控信號。 FPGA對IR接收器收到的信號進(jìn)行解碼處理。默認狀態(tài)為空 閑狀態(tài)，當IR DATA在空閑狀態(tài)，出現230000個(gè)低電平，進(jìn) 入Guidance狀態(tài)。Guidance狀態(tài)下，出現210000個(gè)低電平， 進(jìn)入數據解碼狀態(tài)。當檢測到低電平時(shí)，計數清零；檢測到 高電平時(shí)開(kāi)始計數，一旦計數到20000，則將比特位數加1。 高電平數若超過(guò)41500，則判斷該比特位是1。反之，比特位 為0。比特位數共32位，高八位是次八位的反碼，用于檢驗

圖7  紅外遙控  

圖8  基于粒子濾波的多目標跟蹤硬件結構設計

數據的正確性。
5.3 基于粒子濾波的多目標跟蹤算法
基于粒子濾波的多目標跟蹤硬件結構設計如圖8所示。 首先，介紹對于單一運動(dòng)目標通過(guò)粒子濾波算法，實(shí)現運動(dòng) 目標跟蹤的流程。
初始化，將計算目標與各粒子的顏色直方圖的RAM清 零。進(jìn)入自動(dòng)檢測模塊，一旦檢測到運動(dòng)物體，將物體的中心位置與目標框的長(cháng)寬輸入到目標顏色直方圖統計模塊。
將RGB信號轉化為HSV顏色空間中的H分量，以H分量 為目標的特征，統計目標H分量出現的次數，生成目標顏色 直方圖統計模塊。H分量在0-360間變化，將H分量的值作為 RAM地址，每出現一個(gè)H分量，將其對應的RAM地址中的內 容讀出，然后加一，再寫(xiě)入該地址，完成第一幀目標H分量 直方圖統計。第 一 幀 統 計 完 目 標 直 方 圖 后 ， 在 目 標 周 圍 撒 隨 機 粒 子。第二幀統計隨機粒子直方圖，統計完成后，將每個(gè)粒子 與目標粒子的對應地址內的數據相乘后開(kāi)根號再相加，獲得 隨機粒子的權重。找到權重最大的粒子，輸出該粒子的中心 點(diǎn)，作為目標中心點(diǎn)。
設置權重閾值，將每一個(gè)粒子的權重與閾值比較，若 小于該閾值，說(shuō)明該粒子是目標的可能性非常小，下一幀的 隨機粒子預測中刪除該粒子，并將上述的最大權重粒子的中 心位置賦給該隨機粒子，這一過(guò)程稱(chēng)為粒子重采樣。同時(shí)， 統計需要重采樣的粒子個(gè)數，若需要重采樣的粒子大于所設 置的閾值，則說(shuō)明目標已丟失，跟蹤框消失，字幕提示Lost 字樣。反之，重采樣粒子小于閾值，系統判定目標仍在畫(huà)面 中，將權重最大的粒子中心作為跟蹤框中心，再根據自動(dòng) 檢測輸出的跟蹤框長(cháng)寬，畫(huà)出跟蹤框，字幕顯示Tracking字 樣。設置的重采樣粒子閾值越大，系統判斷目標丟失的可能 性越大。當目標處于跟蹤狀態(tài)時(shí)，在目標周?chē)鲭S機粒子； 當目標處于丟失狀態(tài)時(shí)，全屏撒隨機粒子，等待目標再次從 畫(huà)面中任意位置出現。
根據所設計的粒子濾波模塊導出QXP文件，生成對應 的IP核。在工程中添加QXP文件，通過(guò).v文件將QXP文件中 輸入輸出端與工程中的模塊連接起來(lái)，實(shí)現IP核的調用。編 譯后生成的網(wǎng)表里，該模塊只顯示輸入輸出管腳，而無(wú)具體 的數字時(shí)序邏輯電路實(shí)現，但其能完成原先設計的數字電路 功能。系統中的其它運動(dòng)目標可調用設計生成的粒子濾波 模塊，實(shí)現基于粒子濾波的多目標跟蹤硬件結構設計。在 FPGA片內資源允許的情況下，可復用多個(gè)粒子濾波模塊， 實(shí)現任意數量的目標跟蹤。

6  設計特點(diǎn)
6.1  基于邊緣檢測與幀間差分的運動(dòng)目標檢測
使用邊緣檢測保留物體輪廓，減少圖像原始信息，減 少光照和陰影的干擾，并通過(guò)腐蝕和膨脹形態(tài)學(xué)處理，進(jìn)一步提高幀間差分對運動(dòng)目標判斷的準確性。幀間差分法計算
簡(jiǎn)單，適合在FPGA上實(shí)現。由于本設計中只需要檢測剛進(jìn) 入畫(huà)面的目標，所以幀間差分區域限定在畫(huà)面周邊區域，節 約FPGA的片內資源。
6.2  基于粒子濾波的改進(jìn)目標跟蹤算法
在FPGA上實(shí)現粒子濾波算法，增加了粒子直方圖權重 閾值比較與重采樣粒子個(gè)數閾值比較。通過(guò)閾值比較，可以 判斷目標跟蹤與丟失狀態(tài)。當目標正在跟蹤時(shí)，只需在目標 周?chē)a(chǎn)生隨機粒子；當目標丟失時(shí)，在全屏范圍內產(chǎn)生隨機 粒子，若目標從屏幕中任意位置再次出現時(shí)，可以快速捕捉 到目標所在位置，繼續跟蹤目標。
6.3  目標跟蹤模塊的可復用性
生成基于粒子濾波的目標跟蹤算法的IP核，并對每一 個(gè)目標都調用該IP核，實(shí)現目標跟蹤模塊的復用。IP核的生 成與調用，不僅體現了目標跟蹤模塊的可復用性，而且體現 了目標數目的可擴展性。只要在FPGA片內資源允許的情況 下，可以增加需要跟蹤的目標的數目。借助FPGA的并行運 算機制，對多個(gè)目標同時(shí)進(jìn)行粒子濾波處理，實(shí)現多目標跟 蹤。
6.4  友好的人機交互界面
在VGA顯示器上顯示多目標檢測與跟蹤結果，使用不 同顏色的跟蹤框與字幕，區分不同目標。將字幕與各目標當 前的跟蹤狀態(tài)同步，實(shí)時(shí)顯示各目標的跟蹤狀態(tài)。

7 總結
友晶科技的DE2-115開(kāi)發(fā)板，提供了視頻輸入輸出接 口，板載的Altera公司Cyclone IV系列FPG A芯片與片外的 SDRAM為視頻處理提供了強大的處理能力和存儲空間，是 非常出色的FPGA多媒體教學(xué)與開(kāi)發(fā)平臺。
通過(guò)四個(gè)月的學(xué)習，不僅研究了運動(dòng)目標檢測與多目 標跟蹤的理論知識，而且將其應用到FPGA。加深了對FPGA 邏輯、時(shí)序、實(shí)時(shí)操作、并行機制等概念的理解，并通過(guò)實(shí) 踐掌握了狀態(tài)機、流水線(xiàn)操作、FPGA IP核使用、設計、調 用與Signal Tap II的使用。
在完成設計的過(guò)程中，通過(guò)查閱文獻、與組員以及指 導老師積極討論與溝通，解決了許多技術(shù)難題，培養了自學(xué) 精神、動(dòng)手能力與團隊合作意識。
最后，再次感謝Altera與友晶科技提供了這次FPGA學(xué)
習、展示與交流的機會(huì )。