红外动目标识别跟踪系统硬件设计与实现

引言

　　视频目标识别与跟踪技术是当今世界重要的研究课题，它涉及图像处理、自动控制、计算机应用等学科，广泛应用于军事领域的各个方面：预警、火控、制导等；在民用领域的应用也随着该技术的日益成熟，以及成本的大幅度下降而逐渐得到越来越广泛的推广。

　　所谓视频动目标识别与跟踪系统就是一个可以完成图像的采集和处理，从而实现运动目标识别与跟踪的智能信号处理系统。信号处理的本质则是信息的变换和提取，是将信息从各种噪声、干扰的环境中提取出来，并变换为一种便于为人或机器所使用的形式。　

　　红外动目标跟踪与识别系统

　　系统要求

　　红外动目标跟踪与识别系统的输入信号是红外摄像机提供的模拟或数字视频信号。该系统通过基于C6X系列高速DSP的数字视频处理卡，实时的处理红外数字视频序列，完成对运动目标的搜索、捕获、跟踪、记忆。并且在PC机上实时显示红外视频图像，实时给出运动目标的空间坐标，产生运动目标区域的特征数据，完成运动目标区域图像的实时存储或远程传输。硬件模块需要为系统功能的实现提供硬件支持，即提供与系统功能相适应的底层物理支持，包括运算处理速度，存储容量等。

　　能够自动切换输入方式，就是说能按用户的需求选择视频信号的输入方式：这就要求系统既能处理模拟通道的视频数据，又能处理数字通道的视频数据。　

　　模拟视频数字化精度要求：A/D精度为8bit。

　　数字视频通道的要求：按 RS422传输协议接收数据，像素精度14bit。

　　系统组成　

　　本系统的模块构成见图1(虚线框内)，分为四个模块。

　　·硬件模块

　　该模块基于标准PCI总线，并配以超大规模可编程芯片(DSP、FPGA)，具有极强的运算、处理能力。

　　·DSP 程序模块

　　其功能主要实现运动背景下的动目标检测、跟踪。考虑到系统的实时性要求，运动背景下的动目标检测采用基于摄像机运动补偿的差分技术。首先对摄像机运动造成的全局运动进行补偿，对补偿后的序列图像进行差分运算；然后在差分域搜索目标运动引起的运动扰动区域；最后在原视频图像上分割提取运动目标。同时，采用预测技术对目标的可能位置和存在区域进行估计，以实现实时、准确跟踪(或记忆)目标。系统软件按照其工作状态分为四个状态模块：搜索、捕获、跟踪、记忆跟踪。系统按照搜索、捕获、跟踪、记忆跟踪四个状态及其转换运行，以实现运动目标的实时检测与跟踪。

　　·驱动程序模块

　　其主要功能是实现硬件模块与上层应用程序进行数据通信与信息交互。系统采用了PCI 9054 Target 方式的单周期读/写；在图像数据传送的时候为了满足每秒２５帧图像的实时传送和处理的要求，采用了PCI 9054的Scatter/Gather DMA方式的数据传输。在整个系统的信息交互中，采用了一次握手协议，也就是请求-应答协议。　

　　·上层应用程序模块

　　该模块主要功能是向硬件模块下载DSP跟踪程序，启动/停止DSP，实时显示场景视频，对运动目标序列进行实时存储，对运动目标序列的基本特性进行实时分析和结果显示。

在方案设计中，强调了主机控制程序的三个设计准则：界面的简洁性、运行的稳定性和功能的可扩展性。主机控制程序采用了模块化设计，并参照了目前软件设计的先进模型：COM(组件对象模型)，这既降低了主机控制程序设计的复杂度，又有利于主机控制程序各模块的调试。

　　红外动目标跟踪与识别系统

　　硬件模块

　　数字视频处理卡的硬件结构示于图2。

　　硬件模块的电路结构划分为以下几个单元：视频接口单元、输入输出FIFO、视频图像存储器、数字图像处理单元(DSP)、可编程控制器、与PC机的PCI接口电路等。　

　　视频接口单元

　　红外运动目标识别与跟踪系统的视频源是红外摄像机提供的视频信号。红外摄像机有两路视频输出，即模拟视频输出和数字视频输出。本系统要求硬件模块对两路视频信号都能够进行处理。因此，必须对输入视频信号进行预处理，为数字图像处理单元提供必要的视频数据和视频同步数据。视频接口单元框图示于图3。

　　由于模拟/数字通道过来的信号是5Ｖ，而后端器件的I/O口电压为3.3Ｖ，所以有必要在此增加电平转换器。此外，从图2可看出，模拟/数字通道在进FIFO前合二为一，故此处也需要一条数据总线，模拟/数字通道的数据信号均由此总线进入FIFO。根据这一情况，我们选择IDT公司的QS32XL384电平转换器，为实现通道选择，我们采用两片(每片可以转换20路信号)，一片实现模拟信号的转换，一片实现数字信号的转换。通过FPGA对该芯片使能端的控制，实现通道选择。　

　　输入输出缓冲 FIFO

设置输入输出缓冲 FIFO的目的在于：在高速器件和低速器件之间设置一个缓冲区，这样就可以避免