基于DSP的目標跟蹤半實物仿真系統(tǒng)設計
陳婉秋， 陳雄， 高峰， 鄒晗霆
（南京理工大學，南京210094）
摘要：針對圖像類跟蹤系統(tǒng)準確性和實時性的要求，設計了一種以TMS320DM642高速數(shù)字信號處理器為控制核心的目標跟蹤半實物仿真系統(tǒng)，闡述了軟硬件兩部分功能的實現(xiàn)方案。將硬件電路劃分為視頻采集、視頻處理以及外圍電路3個模塊。首先由CMOS圖像傳感器MT9 V032提取視頻圖像，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元將數(shù)字化信號傳送至DM642：同時結(jié)合背景差分法與Mean Shift跟蹤算法確定目標位置，將偏移向量傳輸至伺服系統(tǒng)驅(qū)動云臺同步轉(zhuǎn)動，完成目標精確跟蹤。實驗結(jié)果表明，所提出的軟硬件設計方案可較好地實現(xiàn)運動目標的實時檢測與跟蹤，為視頻跟蹤技術提供性能仿真平臺。
關鍵詞：圖像處理；跟蹤算法；串口通信；TMS320DM642；數(shù)字信號處理器
中圖分類號：TP273 文章編號：1671 - 637X（2016）02 - 0061 - 04
0 引言
運動目標的成像跟蹤是指，當目標進入覆蓋區(qū)域時，視頻采集系統(tǒng)能夠檢測到物體的形態(tài)、位置、運動姿態(tài)并匯報給基站，根據(jù)圖像信息和導引指令，控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)對目標連續(xù)、實時的定位與跟蹤。目標檢測與跟蹤作為一項前沿技術，涉及圖像處理、運動學、力學、控制理論等學科，無論在軍事還是民用領域都受到了廣泛應用，特別是在要求具有全自動智能跟蹤能力、快速響應的可視化飛行器領域，如各類導彈的成像導引頭（地空導彈、反艦導彈、空一空導彈、反坦克導彈）、艦載近程反導武器火控系統(tǒng)、光電警戒搜尋系統(tǒng)、防空火炮火控系統(tǒng)等。國內(nèi)外目標跟蹤識別技術經(jīng)過多年發(fā)展取得了可喜成果，同時也遇到不少挑戰(zhàn)。當前制約其發(fā)展的主要瓶頸是實際應用中過于復雜且相互交融場景的變化，使其難以滿足所有因素影響，致使到目前為止目標跟蹤識別技術尚未形成自身普遍共識的理論體系，處于不斷發(fā)展完善的階段。
1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以自動匹配搜索目標為主，手動尋找目標為輔。在成功鎖定運動物體的前提下，獲取目標位置坐標，根據(jù)目標偏離視場中心的角度差和距離信息預先設定控制標識碼，經(jīng)RS232串口協(xié)議反饋給電機伺服系統(tǒng)；當接收到有效的標識碼后，伺服電機控制一維旋轉(zhuǎn)平臺調(diào)整攝像頭(水平轉(zhuǎn)動的角度范圍為- 600~+600)往指定方向轉(zhuǎn)動，使目標重新回歸視場中心；如出現(xiàn)短暫遮擋，跟蹤系統(tǒng)仍可通過預算法繼續(xù)移動跟蹤波門，直至目標再次鎖定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
整個目標跟蹤裝置可分為兩部分：1）DM642為實現(xiàn)視頻處理算法的高速數(shù)字信號處理器，SDRAM主要用于輔助CPU存儲待校正圖像，視頻采集模塊安裝在一個水平旋轉(zhuǎn)件上，整個采集系統(tǒng)包括一個CMOS圖像傳感器( 752H×480V)，視頻處理模塊(DM642，CPLD, Flash，SDRAM)，PC機以及通信模塊，通過CPLD模塊對視頻處理平臺進行時序和邏輯控制；2）F2812生成PWM信號，通過驅(qū)動電路驅(qū)動永磁同步電機( PMSM)帶動攝像頭在一維平面穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，QEP單元連接光學編碼器，對輸入的正交編碼脈沖信號進行解碼、計數(shù)，獲得機械轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向和角位移等信息。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)
目標跟蹤系統(tǒng)具有信息反饋循環(huán)控制結(jié)構(gòu)，為滿足實時成像的約束，視頻采集系統(tǒng)必須對視場中所提取的信息做出快速反應。設計建成的系統(tǒng)以高速并行架構(gòu)、較強信號處理能力和高度可編程的定點數(shù)字信號處理器( DSP)芯片DM642最小系統(tǒng)作為視頻圖像處理平臺，在一定程度上解決了跟蹤精度低、運行速度慢等問題，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2視頻編／解碼電路
視頻編／解碼分別選用Philips SAA7105H和TITVP5150A芯片。視頻解碼電路將模擬視頻信號進行色度解碼及A/D轉(zhuǎn)換，分離行／場同步，進行奇／偶場檢測，輸出數(shù)字化的亮度、色度信號。TVP5150A視頻解碼器可將PAL，SECAM和NTSC彩色信號解碼成IYU-R BT．656兼容的彩色分量值YUV 8位數(shù)據(jù)輸出。視頻編碼器則與解碼器功能相反，設計中采用的SAA7105H是一個雙通道9位低噪聲視頻處理器，內(nèi)部集成了2個模擬抗混疊濾波器，可自行檢測視頻信號制式和場頻，通過I2C總線對其配置，將數(shù)字信號進行D/A變換并重新編碼為復合全視頻信號或RGB輸出。
2.3外圍接口
DSP通過外部存儲器接口EMIF訪問片外存儲設備，所用的片外存儲器分別為SDRAM，CPLD，F(xiàn)lash和通用異步接收／發(fā)送器( UART)；其中EMIF接口空間地址分配如表1所示。
2.4 F2812與DM642接口通信
在獲取到目標的位置信息以后，需將變量進行坐標變換并轉(zhuǎn)化為等效的電流量控制電機跟隨響應，所以處理器之間的協(xié)同工作就需要數(shù)據(jù)交換。DM642芯片并未集成UART接口，需要使用數(shù)據(jù)地址總線擴展RS422串口電路。將DM642處理器的EMIF配置為8位異步靜態(tài)存儲器接口與并串互換芯片TL16C752B相連接，每個異步串口占用8個8位存儲器單元。TL16C752B片內(nèi)帶有FIFO輸入和輸出緩沖區(qū)用來存放緩沖數(shù)據(jù)，輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD分配物理地址后送到DM642中，再由CPLD生成串行數(shù)據(jù)控制信號發(fā)送至TL16C752B，即可實現(xiàn)并口與串口間的兩路同時傳輸數(shù)據(jù)。
3跟蹤算法
3.1檢測算法
運動目標檢測是實現(xiàn)跟蹤的第一步，背景差分法的原理是將視頻序列中當前幀圖像和背景模型進行減運算，然后平滑去噪，再對差分結(jié)果中每個像素點二值化判斷，提取出非靜止場景信息和運動目標信息，原理如圖3所示。
如果當前幀圖像與當前背景模型圖像對應像素點的顏色值大于設定閾值，則判定該點是運動目標像素點，否則為視場背景像素點，計算式為
背景差分法能夠準確檢測到快速移動的目標，提供完整的特征數(shù)據(jù)且易于實現(xiàn)，但所采集到的背景圖像對光照和外部條件比較敏感，所以背景建模是否準確直接關系到檢測結(jié)果的好壞。系統(tǒng)以背景差分法為基礎，采用混合高斯模型的方法建立自適應背景模型。圖4b、圖4c分別為采樣圖4a變換的相應的差分圖和二值化圖形。
3.2跟蹤算法
目標跟蹤算法是視頻跟蹤系統(tǒng)的核心．其執(zhí)行質(zhì)量直接決定了系統(tǒng)達到的性能效果。為實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)中單目標的跟蹤檢測，本沒計比較分析，采用不斷迭代的Mean Shift算法使得向量不斷收斂于目標真實位置Y1，該算法可有效解決目標的遮擋問題，對系統(tǒng)資源要求不高，時間復雜度低，在復雜背景下能夠取得良好的跟蹤效果。
實現(xiàn)原理是利用顏色概率信息進行識別跟蹤，在初始目標及其區(qū)域中計算出目標在HSI空間中的色度( Hue)分量做2D直方圖，利用Mean Shift算法在反向投影圖中迭代，求出二維概率密度的局部最大值，直到其收斂。
目標像素出現(xiàn)在特征區(qū)域的直方圖分布為
由上式可以看出，當式(7)在p u（Y0）處泰勒展開時，限制了起始點Y0和Y之間的距離不能太大。所以，目標運動速度過快時效果就不理想，亦可引入卡爾曼濾波來預測下一幀中目標的運動軌跡，Mean Shift跟蹤算法的流程如圖5所示。
采用Mean Shift算法的目標跟蹤半實物仿真系統(tǒng)在簡單背景下，對快速運動物體的連續(xù)跟蹤效果如圖6所示。需要說明的是，在核函數(shù)的選取上考慮了目標的縮放與旋轉(zhuǎn)造成長寬比變化的影響，因此可以跟蹤有尺度和旋轉(zhuǎn)變化的運動目標。
4結(jié)論
本文以某制導武器系統(tǒng)的研制為背景，考慮到目標跟蹤平臺中硬件模塊性能和圖像處理的要求，針對特定的識別跟蹤算法，設計了以DM642為控制運算處理核心的智能視頻跟蹤系統(tǒng)，采用DSP分布式并行處理和流水線并行處理結(jié)構(gòu)，提高運算資源的利用率。實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)有較好的實時性和魯棒性，滿足特定領域要求，同時也可作為進一步研究圖像處理與優(yōu)化跟蹤算法的仿真平臺。
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