采用數字信號處理器TMS320C6201構成的視頻跟蹤警戒裝置

摘要：介紹了一種以高速數字信號處理器TMS320C6201為核心器件構成的視頻跟蹤警戒裝置。該視頻跟蹤警戒裝置，即可自成一個(gè)小系統，獨立進(jìn)行工作；也可作為一個(gè)子系統，裝在其它光電測量跟蹤系統中工作。

關(guān)鍵詞：電視跟蹤 匹配跟蹤 圖像處理 數字信號處理器

在光電測量跟蹤系統的實(shí)際應用中，對其視頻器量跟蹤部分，提出了越來(lái)越高的要求。例如，有越來(lái)越多的應用場(chǎng)合，要求光電測量跟蹤系統對更大區域的視頻圖像具有實(shí)時(shí)匹配跟蹤（相關(guān)跟蹤）的功能。在匹配跟蹤（相關(guān)跟蹤）過(guò)程中，如果需要匹配處理的圖像區域較大，則運算量非?？捎^(guān)。在視頻跟蹤當中，為了能夠在有限的時(shí)間（如20毫秒時(shí)間內）實(shí)現大量的運算處理，則需要采取一些提高運算速度的措施。采用更高性能的數字信號處理器，則是一條很重要的措施。
美國TI公司推出的新一代高速高性能的TMS320C6000系列的數字信號處理器，很適合于視頻跟蹤的運算處理性能的提升。我們以TMS320C6201數字信號處理器為核心器件，研制出了新一代的視頻跟蹤警戒裝置。

1 TMS320C6000系列的數字信號處理器簡(jiǎn)介

TMS320C6000系列的數字信號處理器，是TI公司于1997年推出的高端系列的DSP。雖然該系列的DSP在芯片設計上最初主要是針對多通道無(wú)線(xiàn)通信和有線(xiàn)通信的應用領(lǐng)域，但是由于其優(yōu)異的高速處理性能和出色的對外接口能力，這種器件也很適合用于雷達聲納圖像處理和視頻測量、跟蹤等領(lǐng)域。
C6000芯片具有超長(cháng)指令字處理能力。其內部有8個(gè)并行處理單元，8條指令組成一個(gè)指令包，一個(gè)指令包的總字長(cháng)為256位，它可在一個(gè)時(shí)鐘周期內并行執行8條指令。這種高速高性能的數字信號處理器，工作頻率可達200MHz，每秒可完成1.6G次操作。

C6000的8個(gè)獨立功能單元中有兩個(gè)16bit乘法器和六個(gè)算術(shù)邏輯單元；其存儲器尋址空間為32bit，芯片內部集成了1M-7Mbit的片內SRAM；其內部的四通道DMA協(xié)處理器，可用于數據的DMA傳輸。

TI公司針對TMS320C6000系列的數字信號處理器，還推出了一種CCS集成開(kāi)發(fā)軟件。在這種CCS集成開(kāi)發(fā)軟件的環(huán)境下，C編譯器的效率可達80%，若將新的線(xiàn)性匯編語(yǔ)言和C6000匯編優(yōu)化器配合使用，可使代效率高達95以上。

2 視頻跟蹤警戒裝置硬件構成

以TMS320C6201為核心器件構成的視頻跟蹤警戒裝置的硬件構成如圖1所示。

視頻信號經(jīng)A/D轉換為圖像數字量，數字圖像數據在波門(mén)的范圍內依照地址產(chǎn)生器的地址按照一定的順序存入雙端口存儲器RAM。

FLASH MEMORY用作存放開(kāi)機自舉程序的機器以及有關(guān)參數數據。

SDRAM是容量為4Mx32bit的高速動(dòng)態(tài)存儲器，該存儲器主要用作存儲以DMA方式從雙端口存儲器RAM傳輸過(guò)來(lái)的數字圖像數據。

TMS320C6201執行芯片內程序存儲區的程序，對數字圖像數據進(jìn)行處理，這種處理包括目標與背景的分、隨機獨立噪聲信號的剔除、目標的形心計算及跟蹤、圖像的匹配計算及跟蹤和動(dòng)目標檢測、警戒等。它還完成操控狀態(tài)的循環(huán)檢測、與主機進(jìn)行數據通信等工作。

接口部分的電路用雙端口存儲器構成，其作用是實(shí)現與主機的數據中轉傳輸，包括測偏數據、控制數據等的中轉傳輸。

波門(mén)電路的作用是根據波汴數據形成空心波門(mén)和實(shí)心波門(mén)?？招牟ㄩT(mén)送至視頻復合電路供顯示用；實(shí)心波門(mén)分為場(chǎng)實(shí)心波門(mén)和行實(shí)門(mén)波門(mén)，可用作選通或作形成圖像數據的存儲地址。

視頻復合電路的作用是將空心波門(mén)、電十字線(xiàn)、視頻信號復合起來(lái)，供監視器顯示。

操控鍵有各種工作方式的選擇按鍵和上下左右操控按鍵。

通過(guò)云臺控制部分，可對載有攝像機的普通云臺進(jìn)行上下左右的自動(dòng)控制，從而將運行的目標自動(dòng)拉到視場(chǎng)中心位置上。

報警驅動(dòng)部分可在自動(dòng)檢測出目標之后，向報警聲發(fā)生器或數字錄像機發(fā)出驅動(dòng)信號，使它們進(jìn)入報警或錄限現場(chǎng)視頻圖像的狀態(tài)。

3 工作方式介紹

3.1 主要作流程

工作流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。系統開(kāi)機后，FLASH MEMORY內的程序機器碼自舉到TMS320C6201內部的程序存儲區，然后TMS320C6201執行程序進(jìn)行一些初始化，接著(zhù)判斷操作控鍵的狀態(tài)以確定進(jìn)入哪種跟蹤處理方式。本裝置的工作方式或跟蹤方式主要有三種：形心跟蹤、匹配跟蹤和動(dòng)目標檢測警戒跟蹤。TMS320C6201在進(jìn)行了當場(chǎng)波門(mén)內圖像數據的DMA傳輸和圖像數據處理之后，形成下一場(chǎng)的波門(mén)位置數據和波門(mén)大小數據，并向與主機接口的雙端口存儲器送去波門(mén)或目標相對于視頻中心的位置數據和其它有關(guān)的狀態(tài)字（還可向云臺控制部分送去目標相對于視場(chǎng)中心的上下左右的狀態(tài)字），然后返回進(jìn)入下一場(chǎng)的判斷和處理。如此循環(huán)往復，即可實(shí)現對目標的搜索、捕獲、測量、跟蹤、警戒、報警等。

3.2 形心跟蹤

數字信號處理器TMS320C6201對波門(mén)內的數字圖像處理得到一閾值，根據該閾值再從波門(mén)內的數字圖像中分出目標象元。然后根據分出的全球目標象元位置數據和目標象元的總點(diǎn)數，計算出目標的形心。該形心數據作為下一場(chǎng)波門(mén)的跟蹤數據；而目標的形心相對于視場(chǎng) 中心的位置數據，則作為目標的偏差數據。

3.3 匹配跟蹤

在匹配跟蹤的過(guò)程中，DSP將新一場(chǎng)波門(mén)內的圖像與原始模板圖像進(jìn)行逐點(diǎn)比對，計算出新一場(chǎng)波門(mén)內圖像與原始模板圖像的最佳匹配位置數據，然后根據最佳匹配位置數據，形成一場(chǎng)的跟蹤波門(mén)數據和測偏數據。

3.4 復雜背景下的動(dòng)目標檢測警戒跟蹤

本裝置具有針對復雜背景下的動(dòng)目標檢測、警戒、跟蹤功能。動(dòng)目標檢測的主要方式是將具有一定時(shí)間差的兩場(chǎng)圖像進(jìn)行減處理。在數據存儲器SDRAM當中，劃分了兩個(gè)圖像存儲區塊A和ZB。圖像存儲區A中的圖像數據在每一場(chǎng)都進(jìn)行刷新，而圖像存儲區B中的圖像數據則以數百場(chǎng)為一周期進(jìn)行刷新。當沒(méi)有動(dòng)目標進(jìn)入視場(chǎng)時(shí)，圖像存儲區A和B中的圖像數據大體相同，當有目標進(jìn)入視場(chǎng)時(shí)，圖像存儲區A和B中的圖像數據會(huì )在出現動(dòng)目標的相應位置上出現差異。這種差異的差值可以通過(guò)對圖像存儲區A和B中的圖像數據進(jìn)行相減運算得到。

復雜背景下的動(dòng)目標檢測警戒跟蹤的總工作過(guò)程如下：TMS320C6201對圖像存儲區A和B中的圖像數據進(jìn)行相減處理以檢測動(dòng)目標信號。如果DSP對圖像存儲區A和B做完一場(chǎng)的圖像數據的處理檢測后，沒(méi)有提取出連續三行相鄰出現的信號，則判為沒(méi)有動(dòng)目標進(jìn)入視場(chǎng)。如果檢測出動(dòng)目標信號連續壓行數等于大于三行，則判為有動(dòng)目標進(jìn)入視場(chǎng)，發(fā)出報警信號，并根據該場(chǎng)中的有效動(dòng)目標位置數據，計算得到波門(mén)的位置數據和目標相對于視場(chǎng)中心的位置數據等，從而實(shí)現針對復雜背景下的動(dòng)目標檢測、警戒、跟蹤。

圖像存儲區B中的圖像數據的刷新周期，可以通過(guò)軟件設置。圖像存儲區B中的圖解數據的刷新周期不宜太秤，也不宜太長(cháng)。該刷新周期，可根據應用場(chǎng)合的實(shí)際情況來(lái)確定。

3.5 波門(mén)引導方式

該視頻測量跟蹤裝置的波門(mén)引導方式分為手控引導、主機引導、程控引導三種方式。手控引導是按動(dòng)上下左右操控鍵將波門(mén)移到所需的位置；主機引導是根據主機發(fā)過(guò)來(lái)的波門(mén)引導數據使波門(mén)跳到對應的位置；程控引導是在沒(méi)有手控引導和主機引導的操作并且波門(mén)內沒(méi)有目標時(shí)，波門(mén)按照程序規定的順序路徑自動(dòng)移動(dòng)位置，搜索目標。

4 主要功能

該視頻跟蹤裝置具有如下幾個(gè)主要功能：

（1）具有目標形心跟蹤功能；

（2）具有目標相關(guān)跟蹤功能；

（3）具有可針對復雜背景下的動(dòng)目標檢測、警戒、報警、跟蹤功能；

（4）具有針對簡(jiǎn)單形狀目標的記憶判別功能；

（5）波門(mén)具有自適應功能，即在跟蹤目標的過(guò)程中，波門(mén)的大小可自自動(dòng)隨波門(mén)內的目標大小變化而變化；

（6）具有自動(dòng)控制普通云臺和閉環(huán)自動(dòng)跟蹤運動(dòng)目標的功能。

5 主要性能指標

（1）運算處理能力：1600MIPS；

（2）可供存儲數字圖像的存儲器容量：4Mx32bit；

（3）處理每場(chǎng)圖像的分辨率為512x256象元；

（4）測量精度±1個(gè)象元。

（5）測量跟蹤的目標與背景的最低對比度：5%；

（6）觸發(fā)報警的動(dòng)目標壓行數≥3電視行；

（7）形心測量跟蹤和匹配測量跟蹤目標的數據處理時(shí)間20毫秒；

（8）在全視場(chǎng)內，大波門(mén)自動(dòng)捕獲目標時(shí)間≤60毫秒；

（9）自動(dòng)控制普通云臺跟蹤目標的速度和轉角技術(shù)參數，一般取決于普通云臺自身的參數。