紅外動(dòng)目標識別跟蹤系統硬件設計與實(shí)現

　　引言

　　視頻目標識別與跟蹤技術(shù)是當今世界重要的研究課題，它涉及圖像處理、自動(dòng)控制、計算機應用等學(xué)科，廣泛應用于軍事領(lǐng)域的各個(gè)方面：預警、火控、制導等；在民用領(lǐng)域的應用也隨著(zhù)該技術(shù)的日益成熟，以及成本的大幅度下降而逐漸得到越來(lái)越廣泛的推廣。

　　所謂視頻動(dòng)目標識別與跟蹤系統就是一個(gè)可以完成圖像的采集和處理，從而實(shí)現運動(dòng)目標識別與跟蹤的智能信號處理系統。信號處理的本質(zhì)則是信息的變換和提取，是將信息從各種噪聲、干擾的環(huán)境中提取出來(lái)，并變換為一種便于為人或機器所使用的形式?！?/p>

　　紅外動(dòng)目標跟蹤與識別系統

　　系統要求

　　紅外動(dòng)目標跟蹤與識別系統的輸入信號是紅外攝像機提供的模擬或數字視頻信號。該系統通過(guò)基于C6X系列高速DSP的數字視頻處理卡，實(shí)時(shí)的處理紅外數字視頻序列，完成對運動(dòng)目標的搜索、捕獲、跟蹤、記憶。并且在PC機上實(shí)時(shí)顯示紅外視頻圖像，實(shí)時(shí)給出運動(dòng)目標的空間坐標，產(chǎn)生運動(dòng)目標區域的特征數據，完成運動(dòng)目標區域圖像的實(shí)時(shí)存儲或遠程傳輸。硬件模塊需要為系統功能的實(shí)現提供硬件支持，即提供與系統功能相適應的底層物理支持，包括運算處理速度，存儲容量等。

　　能夠自動(dòng)切換輸入方式，就是說(shuō)能按用戶(hù)的需求選擇視頻信號的輸入方式：這就要求系統既能處理模擬通道的視頻數據，又能處理數字通道的視頻數據?！?/p>

　　模擬視頻數字化精度要求：A/D精度為8bit。

　　數字視頻通道的要求：按 RS422傳輸協(xié)議接收數據，像素精度14bit。

　　系統組成　

　　本系統的模塊構成見(jiàn)圖1(虛線(xiàn)框內)，分為四個(gè)模塊。

　　·硬件模塊

　　該模塊基于標準PCI總線(xiàn)，并配以超大規?？删幊绦酒?DSP、FPGA)，具有極強的運算、處理能力。

　　·DSP 程序模塊

　　其功能主要實(shí)現運動(dòng)背景下的動(dòng)目標檢測、跟蹤?？紤]到系統的實(shí)時(shí)性要求，運動(dòng)背景下的動(dòng)目標檢測采用基于攝像機運動(dòng)補償的差分技術(shù)。首先對攝像機運動(dòng)造成的全局運動(dòng)進(jìn)行補償，對補償后的序列圖像進(jìn)行差分運算；然后在差分域搜索目標運動(dòng)引起的運動(dòng)擾動(dòng)區域；最后在原視頻圖像上分割提取運動(dòng)目標。同時(shí)，采用預測技術(shù)對目標的可能位置和存在區域進(jìn)行估計，以實(shí)現實(shí)時(shí)、準確跟蹤(或記憶)目標。系統軟件按照其工作狀態(tài)分為四個(gè)狀態(tài)模塊：搜索、捕獲、跟蹤、記憶跟蹤。系統按照搜索、捕獲、跟蹤、記憶跟蹤四個(gè)狀態(tài)及其轉換運行，以實(shí)現運動(dòng)目標的實(shí)時(shí)檢測與跟蹤。

　　·驅動(dòng)程序模塊

　　其主要功能是實(shí)現硬件模塊與上層應用程序進(jìn)行數據通信與信息交互。系統采用了PCI 9054 Target 方式的單周期讀/寫(xiě)；在圖像數據傳送的時(shí)候為了滿(mǎn)足每秒２５幀圖像的實(shí)時(shí)傳送和處理的要求，采用了PCI 9054的Scatter/Gather DMA方式的數據傳輸。在整個(gè)系統的信息交互中，采用了一次握手協(xié)議，也就是請求—應答協(xié)議?！?/p>

　　·上層應用程序模塊

　　該模塊主要功能是向硬件模塊下載DSP跟蹤程序，啟動(dòng)/停止DSP，實(shí)時(shí)顯示場(chǎng)景視頻，對運動(dòng)目標序列進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，對運動(dòng)目標序列的基本特性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和結果顯示。
　
　　在方案設計中，強調了主機控制程序的三個(gè)設計準則：界面的簡(jiǎn)潔性、運行的穩定性和功能的可擴展性。主機控制程序采用了模塊化設計，并參照了目前軟件設計的先進(jìn)模型：COM(組件對象模型)，這既降低了主機控制程序設計的復雜度，又有利于主機控制程序各模塊的調試。

　　紅外動(dòng)目標跟蹤與識別系統

　　硬件模塊

　　數字視頻處理卡的硬件結構示于圖2。

　　硬件模塊的電路結構劃分為以下幾個(gè)單元：視頻接口單元、輸入輸出FIFO、視頻圖像存儲器、數字圖像處理單元(DSP)、可編程控制器、與PC機的PCI接口電路等?！?/p>

　　視頻接口單元

　　紅外運動(dòng)目標識別與跟蹤系統的視頻源是紅外攝像機提供的視頻信號。紅外攝像機有兩路視頻輸出，即模擬視頻輸出和數字視頻輸出。本系統要求硬件模塊對兩路視頻信號都能夠進(jìn)行處理。因此，必須對輸入視頻信號進(jìn)行預處理，為數字圖像處理單元提供必要的視頻數據和視頻同步數據。視頻接口單元框圖示于圖3。

　　由于模擬/數字通道過(guò)來(lái)的信號是5Ｖ，而后端器件的I/O口電壓為3.3Ｖ，所以有必要在此增加電平轉換器。此外，從圖2可看出，模擬/數字通道在進(jìn)FIFO前合二為一，故此處也需要一條數據總線(xiàn)，模擬/數字通道的數據信號均由此總線(xiàn)進(jìn)入FIFO。根據這一情況，我們選擇IDT公司的QS32XL384電平轉換器，為實(shí)現通道選擇，我們采用兩片(每片可以轉換20路信號)，一片實(shí)現模擬信號的轉換，一片實(shí)現數字信號的轉換。通過(guò)FPGA對該芯片使能端的控制，實(shí)現通道選擇?！?/p>

　　輸入輸出緩沖 FIFO

　　設置輸入輸出緩沖 FIFO的目的在于：在高速器件和低速器件之間設置一個(gè)緩沖區，這樣就可以避免高速器件因等待低速器件的數據而使系統的效率降低。A/D芯片送出的數字信號其時(shí)鐘頻率約為12MHz(模擬通道時(shí)鐘12.5MHz，數字通道時(shí)鐘12MHz)，而處理卡上DSP的總線(xiàn)頻率高達50MHz，二者差異較大，所以采用輸入輸出緩沖FIFO是必要的?；谝陨峡紤]，最終選用的緩沖FIFO是Cypress公司的CY7C4275，它的容量為32K×18，最大存取速度可達到10ns。之所以選取大容量芯片，是為了減少數據傳送時(shí)總線(xiàn)申請的次數，從而使系統的處理效率提高。
　
　　可編程控制器

　　本系統的硬件邏輯控制電路是采用大容量的FPGA來(lái)實(shí)現的，采用的芯片是Xilinx公司的XCV50E。該芯片集成了約58000系統門(mén)，有16×24個(gè) CLB Array，1700余個(gè)邏輯單元，可用I/O口 180個(gè)。在本系統中FPGA 控制了絕大部分單元，包括：通道選擇/電平轉換芯片、輸入輸出FIFO、SRAM、DSP、PCI接口電路等。利用FPGA芯片的系統內可編程(ISP)性能，完成所有DSP外圍芯片的控制邏輯，并在其中設置狀態(tài)寄存器、命令字寄存器和專(zhuān)用寄存器，完成與主機的實(shí)時(shí)通信，接收主機傳送的命令信息和向主機傳送所需要的狀態(tài)信息?！?/p>

　　在本系統中，數字信道為14bit，模擬為8 bit，所以為了簡(jiǎn)化DSP程序，使其對數字/模擬信號/數據的處理，大部分采用相同程序，所以需要由FPGA對信號進(jìn)行第一次裝配(區別于DSP為了顯示而對圖像按RGB格式進(jìn)行的第二次裝配)，即將數字/模擬信號/數據均轉換為16 bit的數據，然后將兩個(gè)16 bit數據裝配成一個(gè)32 bit的數據?！?/p>

　　數字圖像存儲器

　　紅外動(dòng)目標識別與跟蹤系統要完成對運動(dòng)目標的識別與跟蹤。其實(shí)現算法必然涉及到對多幀(差分處理，至少兩幀)視頻圖像的處理。為了給實(shí)現算法提供較為充裕的存儲空間，我們選用的存儲器能容納6場(chǎng)視頻圖像。因此，最后選用的存儲器是Giga Semiconductor公司的兩片GS74116，每片容量為256K×16bit?？紤]到我們的視頻圖像每場(chǎng)的數據量為76800像素，兩片512K的SRAM可以存下至少6場(chǎng)視頻圖像。在本系統中，我們設置了4幀圖象存儲空間，其余空間用于存放目標小圖、DSP裝配數據等，數據空間具體地址分配如圖4。

　　數字圖像處理模塊

　　CCIR 視頻制式的視頻信號為50場(chǎng)/秒，由于系統要對數字化的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，經(jīng)過(guò)權衡運算量和實(shí)時(shí)性要求，我們取25場(chǎng)／秒，因此每場(chǎng)圖像的處理時(shí)間不能超過(guò)40ms。故要求DSP應具有較高的處理速度?；谝陨峡紤]，DSP采用TI公司的TMS320C6202芯片，芯片峰值性能可達到2000MIPS，本系統DSP時(shí)鐘為200MHz，芯片峰值運算速度1600 MIPS。

　　DSP在進(jìn)行圖像的差分運算時(shí)，并沒(méi)有載入完整的各幀圖像，因為數據空間有限，若用完整的圖像幀進(jìn)行差分，則由76.8K×3230KByte，加上其它常、變量、寄存器等，至少需要256KByte或以上的數據空間。大大超過(guò)芯片設定的數據空間。因此，我們采用隔點(diǎn)、隔行的亞抽樣。抽樣后，每幀圖像大小約為20KByte，總計約需80 KByte數據空間，C6202的片內數據空間足夠所需。我們對DSP芯片的內部空間分配如圖5。

　　PCI 接口電路

　　由于本系統與PC機的接口是PCI接口。為了避免受困于PCI接口繁雜的數據傳送協(xié)議，充分發(fā)揮PCI總線(xiàn)的數據傳送能力，PCI接口電路采用PCI9054芯片來(lái)實(shí)現的。在33 MHz的PCI總線(xiàn)工作頻率下，它的最大數據吞吐能力為132Mbyte/s。

　　PCI9054與DSP的數據交換或通信是通過(guò)DSP芯片內部的兩個(gè)寄存器實(shí)現的：XBISA(地址寄存器)，XBD(數據寄存器)。即對PCI9054及DSP芯片而言，它們互相并不能直接訪(fǎng)問(wèn)對方的資源，它們之間的數據交換必須由這兩個(gè)寄存器中繼，如圖6所示。

　　系統可靠性研究

　　可靠性是指系統在規定條件下和規定的時(shí)間內，完成規定功能的能力。可靠性工程是為了到達系統可靠性要求而進(jìn)行的有關(guān)設計、試驗等一系列工作的總和，它與系統整個(gè)壽命周期內的全部可靠性活動(dòng)有關(guān)。

　　提高系統可靠性的方法有降額設計、簡(jiǎn)化設計、余度設計、耐環(huán)境設計和熱設計等。結合本系統硬件模塊的現實(shí)，本文主要討論余度設計。

　　“余度”就是指系統或設備具有一套以上能完成給定功能的單元，只有當規定的幾套單元都發(fā)生故障時(shí)系統或設備才會(huì )喪失功能，這就使系統或設備的任務(wù)可靠性得到提高。本硬件模塊只有一套功能單元和監控/恢復單元。也就是說(shuō)，只有在系統的相應功能單元發(fā)生非物理?yè)p壞故障時(shí)，本余度設計才能起到預設的作用。從這種意義上講，本系統采用的是準余度設計。當系統發(fā)生非物理?yè)p壞性故障時(shí)，本設計與典型的余度設計對可靠性的改善是等效的。在本系統的調試和測試過(guò)程中，我們發(fā)現，真正發(fā)生物理?yè)p壞性故障，并不多見(jiàn)。超過(guò) 95％的故障都是非物理?yè)p壞性故障。所以，從實(shí)際效果看，該設計是能夠起到我們預設的效果的?！?/p>

　　根據系統可靠性理論，該設計對系統可靠性的改善，理論計算結果與實(shí)際工程效果有著(zhù)極大的一致性，如圖7所示。
從圖7我們不難看出，余度設計對本系統可靠度的改善是很明顯的。這種針對系統中的可靠性關(guān)鍵環(huán)節采用余度技術(shù)，對減少系統的復雜性較為有效?！?/p>

　　結語(yǔ)

　　我們研制的紅外動(dòng)目標識別與跟蹤系統是一套復雜的高度智能化系統，本系統硬件平臺具有超高速的處理能力、強大的數據存儲能力、較強適應能力、系統結構清晰簡(jiǎn)單。所以該硬件平臺具備很強的升級能力及一定的通用性。