采用數(shù)字信號處理器TMS320C6201構(gòu)成的視頻跟蹤警戒裝置

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

關(guān)鍵詞：電視跟蹤 匹配跟蹤 圖像處理 數(shù)字信號處理器

在光電測量跟蹤系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，對其視頻器量跟蹤部分，提出了越來越高的要求。例如，有越來越多的應(yīng)用場合，要求光電測量跟蹤系統(tǒng)對更大區(qū)域的視頻圖像具有實時匹配跟蹤（相關(guān)跟蹤）的功能。在匹配跟蹤（相關(guān)跟蹤）過程中，如果需要匹配處理的圖像區(qū)域較大，則運算量非?？捎^。在視頻跟蹤當中，為了能夠在有限的時間（如20毫秒時間內(nèi)）實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)字信號處理器簡介

TMS320C6000系列的數(shù)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(shè)計上最初主要是針對多通道無線通信和有線通信的應(yīng)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芯片具有超長指令字處理能力。其內(nèi)部有8個并行處理單元，8條指令組成一個指令包，一個指令包的總字長為256位，它可在一個時鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行8條指令。這種高速高性能的數(shù)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個獨立功能單元中有兩個16bit乘法器和六個算術(shù)邏輯單元；其存儲器尋址空間為32bit，芯片內(nèi)部集成了1M-7Mbit的片內(nèi)SRAM；其內(nèi)部的四通道DMA協(xié)處理器，可用于數(shù)據(jù)的DMA傳輸。

TI公司針對TMS320C6000系列的數(shù)字信號處理器，還推出了一種CCS集成開發(fā)軟件。在這種CCS集成開發(fā)軟件的環(huán)境下，C編譯器的效率可達80%，若將新的線性匯編語言和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(gòu)成

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

視頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)字量，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)在波門的范圍內(nèi)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用作存放開機自舉程序的機器以及有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。

SDRAM是容量為4Mx32bit的高速動態(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傳輸過來的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

TMS320C6201執(zhí)行芯片內(nèi)程序存儲區(qū)的程序，對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行處理，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、與主機進行數(shù)據(jù)通信等工作。

接口部分的電路用雙端口存儲器構(gòu)成，其作用是實現(xiàn)與主機的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸，包括測偏數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等的中轉(zhuǎn)傳輸。

波門電路的作用是根據(jù)波汴數(shù)據(jù)形成空心波門和實心波門?？招牟ㄩT送至視頻復(fù)合電路供顯示用；實心波門分為場實心波門和行實門波門，可用作選通或作形成圖像數(shù)據(jù)的存儲地址。

視頻復(fù)合電路的作用是將空心波門、電十字線、視頻信號復(fù)合起來，供監(jiān)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。

通過云臺控制部分，可對載有攝像機的普通云臺進行上下左右的自動控制，從而將運行的目標自動拉到視場中心位置上。

報警驅(qū)動部分可在自動檢測出目標之后，向報警聲發(fā)生器或數(shù)字錄像機發(fā)出驅(qū)動信號，使它們進入報警或錄限現(xiàn)場視頻圖像的狀態(tài)。

3 工作方式介紹

3.1 主要作流程

工作流程簡圖如圖2所示。系統(tǒng)開機后，F(xiàn)LASH MEMORY內(nèi)的程序機器碼自舉到TMS320C6201內(nèi)部的程序存儲區(qū)，然后TMS320C6201執(zhí)行程序進行一些初始化，接著判斷操作控鍵的狀態(tài)以確定進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、匹配跟蹤和動目標檢測警戒跟蹤。TMS320C6201在進行了當場波門內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的DMA傳輸和圖像數(shù)據(jù)處理之后，形成下一場的波門位置數(shù)據(jù)和波門大小數(shù)據(jù)，并向與主機接口的雙端口存儲器送去波門或目標相對于視頻中心的位置數(shù)據(jù)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中心的上下左右的狀態(tài)字），然后返回進入下一場的判斷和處理。如此循環(huán)往復(fù)，即可實現(xiàn)對目標的搜索、捕獲、測量、跟蹤、警戒、報警等。

3.2 形心跟蹤

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

3.3 匹配跟蹤

在匹配跟蹤的過程中，DSP將新一場波門內(nèi)的圖像與原始模板圖像進行逐點比對，計算出新一場波門內(nèi)圖像與原始模板圖像的最佳匹配位置數(shù)據(jù)，然后根據(jù)最佳匹配位置數(shù)據(jù)，形成一場的跟蹤波門數(shù)據(jù)和測偏數(shù)據(jù)。

3.4 復(fù)雜背景下的動目標檢測警戒跟蹤

本裝置具有針對復(fù)雜背景下的動目標檢測、警戒、跟蹤功能。動目標檢測的主要方式是將具有一定時間差的兩場圖像進行減處理。在數(shù)據(jù)存儲器SDRAM當中，劃分了兩個圖像存儲區(qū)塊A和ZB。圖像存儲區(qū)A中的圖像數(shù)據(jù)在每一場都進行刷新，而圖像存儲區(qū)B中的圖像數(shù)據(jù)則以數(shù)百場為一周期進行刷新。當沒有動目標進入視場時，圖像存儲區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)大體相同，當有目標進入視場時，圖像存儲區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)會在出現(xiàn)動目標的相應(yīng)位置上出現(xiàn)差異。這種差異的差值可以通過對圖像存儲區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)進行相減運算得到。

復(fù)雜背景下的動目標檢測警戒跟蹤的總工作過程如下：TMS320C6201對圖像存儲區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)進行相減處理以檢測動目標信號。如果DSP對圖像存儲區(qū)A和B做完一場的圖像數(shù)據(jù)的處理檢測后，沒有提取出連續(xù)三行相鄰出現(xiàn)的信號，則判為沒有動目標進入視場。如果檢測出動目標信號連續(xù)壓行數(shù)等于大于三行，則判為有動目標進入視場，發(fā)出報警信號，并根據(jù)該場中的有效動目標位置數(shù)據(jù)，計算得到波門的位置數(shù)據(jù)和目標相對于視場中心的位置數(shù)據(jù)等，從而實現(xiàn)針對復(fù)雜背景下的動目標檢測、警戒、跟蹤。

圖像存儲區(qū)B中的圖像數(shù)據(jù)的刷新周期，可以通過軟件設(shè)置。圖像存儲區(qū)B中的圖解數(shù)據(jù)的刷新周期不宜太秤，也不宜太長。該刷新周期，可根據(jù)應(yīng)用場合的實際情況來確定。

3.5 波門引導(dǎo)方式

該視頻測量跟蹤裝置的波門引導(dǎo)方式分為手控引導(dǎo)、主機引導(dǎo)、程控引導(dǎo)三種方式。手控引導(dǎo)是按動上下左右操控鍵將波門移到所需的位置；主機引導(dǎo)是根據(jù)主機發(fā)過來的波門引導(dǎo)數(shù)據(jù)使波門跳到對應(yīng)的位置；程控引導(dǎo)是在沒有手控引導(dǎo)和主機引導(dǎo)的操作并且波門內(nèi)沒有目標時，波門按照程序規(guī)定的順序路徑自動移動位置，搜索目標。

4 主要功能

該視頻跟蹤裝置具有如下幾個主要功能：

（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(fù)雜背景下的動目標檢測、警戒、報警、跟蹤功能；

（4）具有針對簡單形狀目標的記憶判別功能；

（5）波門具有自適應(yīng)功能，即在跟蹤目標的過程中，波門的大小可自自動隨波門內(nèi)的目標大小變化而變化；

（6）具有自動控制普通云臺和閉環(huán)自動跟蹤運動目標的功能。

5 主要性能指標

（1）運算處理能力：1600MIPS；

（2）可供存儲數(shù)字圖像的存儲器容量：4Mx32bit；

（3）處理每場圖像的分辨率為512x256象元；

（4）測量精度±1個象元。

（5）測量跟蹤的目標與背景的最低對比度：5%；

（6）觸發(fā)報警的動目標壓行數(shù)≥3電視行；

（7）形心測量跟蹤和匹配測量跟蹤目標的數(shù)據(jù)處理時間20毫秒；

（8）在全視場內(nèi)，大波門自動捕獲目標時間≤60毫秒；

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