基于多DSP和FPGA的實(shí)時(shí)雙模視頻跟蹤裝置

　　1、引言

　　隨著(zhù)現代高速處理器的迅猛發(fā)展，圖像處理技術(shù)也日益成熟。其中，移動(dòng)目標的視頻檢測與跟蹤是圖像處理、分析應用的一個(gè)重要領(lǐng)域，是當前相關(guān)領(lǐng)域的研究前沿。移動(dòng)目標視頻檢測與跟蹤技術(shù)，在機器人視覺(jué)、交通監測、可視預警、機器導航等民用領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，同時(shí)在火力攔截、導彈電視和紅外視頻制導等軍用方面也發(fā)揮著(zhù)重要作用?；诙S轉臺以DSP和FPGA為核心器件構成的視頻識別和跟蹤裝置，可工作于電視圖像或紅外兩個(gè)波段，實(shí)現圖像跟蹤各項功能。本文提出的跟蹤算法與設計的跟蹤裝置可在一定程度上解決視頻跟蹤精度低、處理速度慢的問(wèn)題，同時(shí)本視頻跟蹤裝置也可作為進(jìn)一步研究圖像處理與跟蹤控制的平臺。

　　2、視頻跟蹤裝置的硬件設計

　　圖像處理最主要的是實(shí)時(shí)性、可靠性和精確度。針對圖像處理速度慢的問(wèn)題，考慮從硬件和和軟件兩方面解決：一是選擇高速的DSP和FPGA為核心器件；二是從平衡圖像處理的實(shí)時(shí)性和效果中選擇最優(yōu)的圖像處理算法。針對圖像跟蹤可靠性問(wèn)題，采用雙模式復合制導，由處理器根據信號的置信度來(lái)選擇跟蹤模式。針對圖像形心跟蹤算法的精度問(wèn)題，采取基于去圖像陰影的圖像跟蹤算法。

　　2.1 視頻跟蹤裝置的圖像信號處理模塊硬件組成

　　為達到實(shí)時(shí)處理圖像信號信息，我們選擇3片高速DSP作為核心處理器。其中用作信息融合的是TMS320C6416，在跟蹤模塊中，使用了兩片相對價(jià)格低廉一些的TMS320C6201實(shí)現并行圖像跟蹤算法。配合DSP工作的外圍邏輯電路，我們采用xlinix公司的XCV400E型FPGA，同時(shí)實(shí)現部分的圖像預處理功能。

　　2.2視頻跟蹤裝置運動(dòng)控制模塊的硬件組成

　　運動(dòng)控制模塊硬件由GPT轉臺構成。GPT系列轉臺為模擬火炮或雷達跟蹤系統的旋轉運動(dòng)系統，它包含電控箱、兩維數控轉臺本體及運動(dòng)控制器三大部分。轉臺本體主要由機械結構件（含PAN和TILT）、驅動(dòng)用交流伺服電機（兩套）、諧波減速器、斜齒輪、限位開(kāi)關(guān)等部分組成。電控箱內安裝有交流伺服驅動(dòng)器、I/O接口板、開(kāi)關(guān)電源、開(kāi)關(guān)、指示燈和電氣元件等主要部件。運動(dòng)控制器主要由GT-400-SV運動(dòng)控制卡、GM-400-SV運動(dòng)控制卡用戶(hù)接口軟件等部分組成。作為機電控制系統的核心組成部分，GPT轉臺可用作監控設備的基礎運動(dòng)平臺，又可作為研制火箭、導彈、魚(yú)雷和衛星等高科技尖端武器的仿真和試驗平臺。該系統可實(shí)現：定位精度：±0.0069°；重復精度：±0.00056°；速度：0.01～90°/sec；加速度：90°/sec2；行程：Pan方向為±176°；Tilt方向為-15°～+50°；負載：30kg。

　　3、視頻跟蹤裝置算法的分析

　　按照處理順序，我們將整個(gè)過(guò)程分解為圖2所示。圖像采集模塊：對視頻圖像進(jìn)行A/D轉換，形成原始的256級灰度圖像，作為待處理的圖像信息。背景差分模塊：重建背景，并完成與當前幀的差分。在背景重建時(shí)采用基于最小二乘法的時(shí)域遞推公式來(lái)完成，這個(gè)方法只需要一幀圖像的存儲，而且可以用遞推實(shí)現。去噪聲模塊:做應用鄰域平均法實(shí)現圖像平滑濾波，以及采用顏色濾波法去除陰影等工作。以上算法都是針對FPGA的特點(diǎn)提出的，將FPGA設計成專(zhuān)用運算器并實(shí)現算法。

　　形心跟蹤模塊和相關(guān)跟蹤模塊分別使用的形心投影方法和二維最小絕對差累加和算法計算目標的位置，融合決策模塊實(shí)現置信度選擇，同時(shí)對目標信號進(jìn)行擬合和軌跡外推，實(shí)現目標在偶然丟失下的預測跟蹤，以及深度丟失下的跟蹤狀態(tài)轉換和搜索狀態(tài)下控制二維轉臺對視場(chǎng)的慢速掃搜。這部分針對DSP的特點(diǎn)，采用C語(yǔ)言編程實(shí)現。