基于DSP+FPGA的紅外移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與通用集成電路相比，ASIC芯片具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，而且在大批量應(yīng)用時(shí)，可降低成本。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)是在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點(diǎn)。與其他中小規(guī)模集成電路相比，其優(yōu)點(diǎn)主要在于它有很強(qiáng)的靈活性，即其內(nèi)部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置，對(duì)電路的修改和維護(hù)很方便。DSP+FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率;同時(shí)其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適合于實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理。本文介紹的就是一種可以應(yīng)用于軍事偵察的紅外動(dòng)目標(biāo)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)任務(wù)及要求紅外動(dòng)目標(biāo)跟蹤與識(shí)別系統(tǒng)的輸入信號(hào)是紅外攝像機(jī)提供的模擬或數(shù)字視頻信號(hào)。該系統(tǒng)通過基于C6X系列高速DSP的數(shù)字視頻處理卡，實(shí)時(shí)的處理紅外數(shù)字視頻序列，完成對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤、記憶;并且在PC上實(shí)時(shí)顯示紅外視頻圖像，實(shí)時(shí)給出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空間坐標(biāo)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域的特征數(shù)據(jù)，完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域圖像的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)或遠(yuǎn)程傳輸。硬件模塊需要為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供硬件支持，即提供與系統(tǒng)功能相適應(yīng)的底層物理支持，包括運(yùn)算處理速度、存儲(chǔ)容量等。

模擬視頻數(shù)字化精度要求：AD精度為8bit;數(shù)字視頻通道的要求：按RS422傳輸協(xié)議接收數(shù)據(jù)，像素精度14bit;每場(chǎng)圖像處理時(shí)間40ms;搜索到捕獲時(shí)間：0.2～1s;捕獲到跟蹤時(shí)間120ms;25幀/s實(shí)時(shí)識(shí)別、跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(即當(dāng)前場(chǎng)數(shù)據(jù)必須在下一場(chǎng)數(shù)據(jù)到來之前處理完畢，并由計(jì)算機(jī)輸出處理結(jié)果，顯示視頻圖像)，并給出目標(biāo)位置及領(lǐng)域圖像;與計(jì)算機(jī)的接口為PCI接口。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)大致可分為四個(gè)模塊(見圖1)。

圖1系統(tǒng)模塊組成

UNIT 1模塊基于標(biāo)準(zhǔn)32位+5V的PCI總線，并配以超大規(guī)?？删幊绦酒?DSP，FPGA)，具有極強(qiáng)的運(yùn)算、處理能力。

UNIT 2模塊的功能主要實(shí)現(xiàn)是運(yùn)動(dòng)背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤。考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，運(yùn)動(dòng)背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)采用基于攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)牟罘旨夹g(shù)。首先對(duì)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)造成的全局運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償后的序列圖像進(jìn)行差分運(yùn)算;然后在差分域搜索目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)區(qū)域;最后在原視頻圖像上分割提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。同時(shí)，采用預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)目標(biāo)的可能位置和存在區(qū)域進(jìn)行估計(jì)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確跟蹤(或記憶)目標(biāo)。系統(tǒng)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(tǒng)按照搜索、捕獲、跟蹤、記憶跟蹤四個(gè)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與跟蹤。

UNIT 3模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)硬件模塊與上層應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通信與信息交互。系統(tǒng)采用了PCI 9054 Target方式的單周期讀/寫;在圖像數(shù)據(jù)傳送的時(shí)候?yàn)榱藵M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(shù)據(jù)傳輸。在整個(gè)系統(tǒng)的信息交互中，采用了一次握手協(xié)議，也就是請(qǐng)求一一應(yīng)答協(xié)議。

UNIT 4模塊的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(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)序列進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)序列的基本特性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和結(jié)果的顯示。