一種基于STM32的監控圖像跟蹤系統的設計

楊瑤　劉波　裴娟　陸毅　季美　賀乃寶

摘要：隨著城市化進程的發展，城市人口的不斷增加，對于把控社會治安環境，智能化的監控設備開發與應用，未來將逐步成為安防管理的有效手段。本文初步探索了一種監控圖像跟蹤系統，本系統采用ARM-Cortex M4架構的高性能處理器，配以數字化圖像傳感器，運用二自由度云臺，最終在TFT高色彩液晶顯示器上實時動態顯示和跟蹤監控物體。硬件設計上采用了意法半導體公司的高性能微處理器STM32F407作為處理控制核心，數字攝像頭采用基于Omni Vision圖像傳感的CMOS數字攝像頭OV7670。本系統以STM32微處理器為控制核心，將攝像頭采集的圖像送至LCD顯示，并分析獲取圖像的數據，計算出目標物體的坐標和大小，控制云臺轉動，使目標處于攝像頭視野中央，解決了單片機在圖像識別上內存不足，速度慢的問題，以較低的功耗和成本實現視頻目標的跟蹤。

關鍵詞：ARM；STM32；圖像跟蹤；圖像監控；數字攝像頭

中圖分類號：TP277.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）02-0049-06

進入21世紀，圖像傳感技術工藝得到了大幅的提升，使得圖像技術得到了空前的發展，將高分辨率的圖像傳感技術融入VLSI技術后，能夠大幅提升圖像處理的性能，在國民經濟、社會安防和軍事領域等應用廣泛。對于連續不斷的一幀幀圖像的識別和跟蹤，是動態圖像分析的一大難題。目前國內圖像識別、跟蹤系統的硬件平臺常常選用處理性能優越的DSP、FPGA等高性能的處理器平臺，有些甚至直接采用PC機仿真顯示，而實際應用中往往采用DSP和FPGA相結合的方法來實現動態圖像分析。這些方法運用在監控圖像跟蹤系統上，往往投入較大的硬件和開發成本，且存在開發周期長，量產應用后不便維修和固件升級不易等問題。近兩年來單片機技術的飛速崛起，由于其性能越來越強，而功耗大幅降低，加之其價格不斷下降，使得單片機應用越來越普遍。本設計采用32位單片機為控制處理核心，將單片機運用到圖像跟蹤系統是一種大膽的創新和嘗試。

1 系統方案設計

本設計采用基于Cortex M4架構的ARM處理器STM32F407，配合COMS數字攝像頭0v7670，實現實時動態的圖像采集。對采集的圖像信息由STM32F4單片機進行圖像識別算法處理后鎖定目標，并實時動態的送入高色彩的TFT顯示設備，進行監控視頻顯示。根據鎖定的目標位置，通過二自由度云臺，轉動攝像頭實時跟蹤鎖定的目標。系統設計框架如圖1所示，ARM作為核心處理控制單元，實時采集OV7670攝像頭的數字圖像信息，算法處理后控制二自由度云臺轉動，使得攝像頭跟蹤目標物體，該方式是一種實時動態有效的閉環控制模型。

2 單元電路分析與設計

2.1 STM32主控模塊設計

本設計采用了基于ARM?；CortexTM-M4為內核的STM32F407的高性能微處理器，其采用了90nm的NVM工藝和ART（自適應實時存儲器加速器，Adaptive Real-Time Memo～Accelerator^TM）。ART技術的應用，將Cortex-M4的性能發揮到了極致，通過ART技術使得指令的等待執行時間趨近于零，可謂大大提升了程序執行效率。STM32F407的處理能力可以達到210DMIPS@168MHz，也就是說在168MHz主頻下，可以每秒執行2100萬條指令，這種處理能力融入ART技術，大幅提升了STM32F4系列的處理性能，完全可以勝任對實時動態圖像的分析處理。再者，STM32F4的指令集采用了ARMv7-M體系的32位標準RISC（精簡指令集），具備了較高的代碼執行效率，易于IDE的開發、仿真和調試。不僅如此，其還具備低成本、低系統功耗、卓越的計算性能和先進的中斷響應系統等特點，所以綜合考慮，選用了32位ST microcontroller的F4系列中的STM32F407VG作為主控芯片。

基于該款處理芯片，搭建了STM32主控模塊，該模塊包括了STM32F407VG、復位電路、時鐘電路和JTAG電路組成。設計了穩定的按鍵復位電路，保障了上電復位和Reset Input Signal的事件的發生。時鐘電路采用了精度較高的8M無源晶振電路，內部高頻時鐘可以PLL倍頻器獲得。預留了JTAG接口，方便了在線仿真和Debug調試。

2.2 圖像傳感模塊設計

圖像傳感器模塊采用了著名的OV（Omni Vi-sion）公司生產的COMS圖像傳感器OV7670，該傳感器是一顆1/6寸的VGA圖像傳感器，可實現影像處理器和單片式的VGA攝像功能。OV7670具備低工作電壓的電氣特性，結構上體積小適合各種結構件的安裝，單片機通過SCCB總線，進行相應的寄存器配置，可實現子采樣、窗口大小調整、整幀輸出的8位分辨率的影像數據包。該圖像傳感器實測最高可輸出30幀，秒的VGA圖像數據，使用者可以通過改變圖像傳感器內部的寄存器值，實現對輸出圖像質量、傳輸方式和數據格式的控制。對于圖像數據的白平衡度、色彩度和伽馬曲線等都可以通過SCCB接口編程控制，OmniVision公司的圖像傳感器具有自己的調校風格，通過對光學或者電子缺陷等因素的調校，使得固定圖案噪聲、拖尾和浮散得到有效的控制，提高了圖像采集的質量，從而使色彩圖像清晰而又穩定。

如圖2所示為OV7670的功能框架圖，主要包括了感光整列（Image Array）、模擬信號處理（Aha-log Processing）、數字處理器（DsP）、數字視頻接口（Digital Video Port）、SCCB接口（SCCB Interface）、LED和閃光燈的輸出控制（LED and Strobe FlashControl Output）等模塊組成。由于OV7670的像素采集時鐘具備高速的特點，最高振蕩時鐘可達24MHz，這么高的數據傳輸，若單片機直接I/O去讀取數據，十分困難，也非常的占用單片機的內部資源。所以，設計時并不使用I/O去直接讀取OV7670的圖像數據，而是通過加入一個FIFO（First Input First Output）的芯片，起到數據緩沖的作用，攝像頭高速采集的圖像信息暫存于FIFO芯片中，單片機可以很方便的讀取圖像數據。這樣的緩沖機制，使得單片機并不一定要具備高速的I/O口，也不一定要具備高速的CPU運算能力，就可以輕松的抓去圖像信息，進一步的提升了采集效率。圖像傳感器模塊原理圖如圖3所示：

從圖3中可以看出，攝像頭模塊自帶了有源晶振，用于產生12M時鐘作為OV7670的XCLK輸入。同時自帶了穩壓芯片，用于提供OV7670穩定的2.8V工作電壓，并帶有一個FIFO芯片（AIA22B），該FIFO芯片提供384K字節的FLASH空間，足夠存儲2幀QVGA的圖像數據。

2.3 云臺模塊設計

圖像跟蹤系統的執行機構，采用了二自由度舵機云臺，顧名思義，其可在水平和垂直兩個方向上做一定角度的自由運動，采用高性能的線圈驅動，可獲得較大的轉動扭矩。云臺結構上為方便安裝攝像頭等傳感器設備，在云臺頂層預留了兩個安裝孔位，安裝完成后能夠實現圖像監控、圖像識別和跟蹤功能。也可以在云臺上加裝其他的傳感器設備，如紅外傳感器或者超聲波傳感器，實現一個簡易的一體化探測儀器。加裝紅外傳感器或者超聲波傳感器后能夠感知周圍障礙物，從而為某一功能性提供了探測感知的功能；也可加裝數字攝像頭，實現水平和垂直兩個方向上定位和跟蹤鎖定的目標。

（1）舵機的工作原理

舵機具備一個控制信號接口，通過該接口獲得單片機的控制信號，將控制信號送人調制芯片中，轉換成相應的直流偏置電壓或偏置電流，而此時舵機內部具備一個基準信號發生器，實時產生一個周期為20ms，脈寬為1.5ms的基礎脈沖信號，將此前轉換的偏置電壓和該基準脈沖比較，輸出對應的電壓差信號。電壓差信號可驅動電機決定了電機的轉動角度，當到達轉動角度極限時，通過內部的減速齒輪可帶動內部的電位器滑動，使得電壓差為0，此時電機停止轉動。了解它的具體工作原理后，我們就可以通過單片機輸出相應的脈沖信號進行轉動角度的控制了。

（2）舵機的控制

舵機的控制需要一個20ms的時基脈沖，該信號由內部的時基電路產生，該時基脈沖的高電平部分是一個0.5-2.5ms范圍內部的脈寬，那可以看出，其對應的控制關系是這樣的：0.5ms對應0度、1.0ms對應45度、1.5ms對應90度、2.0ms對應135度和2.5ms對應180度，如圖4所示：

MG995舵機的工作電壓是4.8～6V，本設計供電電壓為5V，舵機在空載的時候電流幾乎為0，而在正常負載的情況下，電流在0.5A左右。設計中采用兩個MG995舵機，并運用支架和底座等結構件，組裝出了可水平和垂直角度轉動的二自由度云臺。設計中注意到如果電源功率不夠會影響舵機的性能，最常見的現象是，當一個舵機負載的時候，其他舵機會出現混亂，無規律的亂擺。所以設計了穩定而又高效的電源模塊，充分保障了舵機云臺運作中的穩定性。

2.4 液晶顯示模塊設計

液晶顯示模塊采用了TFT（Thin Film Transis-tor）液晶顯示器，TFT是薄膜晶體管，即每個液晶的像素點都由采用貼合工藝的薄膜晶體管來驅動，這種方式可以得到較高的屏幕亮度，并且屏幕的對比度和響應速度都很理想，所以該顯示液晶技術是目前主流LCD技術之一。相對應老式的CRT顯示器，具備了體積小，畫面色彩度高的特點，目前筆記本電腦都采用該顯示屏。由于采用了薄膜晶體管驅動的特點，所以必須有一定的主控邏輯單元，TFT是一種有源像素點的顯示方式，所以在屏幕的色彩飽和度和響應速度上都有了大幅的提高，并且分辨率也可以輕松比肩CRT等顯示器。

本設計采用了2.4寸320×240分辨率的18色真彩液晶顯示屏TFT-LCD作為顯示模塊，其主控芯片為ILI9341，并且液晶顯示器具備172.8k Byte的自帶顯存，可以完整的保存二幀RGB圖像數據，顯示的主控芯片預留了16位的并行接口與單片機進行數據傳輸，也可以通過串口方式進行數據通信。微處理器STM32將采集處理后的圖像信息，實時的送入該TFT液晶顯示模塊，實時動態的顯示攝像頭捕捉的畫面。

3 軟件設計及算法實現

3.1 圖像采集與顯示程序

由于采用了FIFO技術方式，所以OV7670采集的圖像數據會被暫時存放在FIFO芯片中，這樣做的好處是可以幫助STM32處理器省出更多的內存空間和時間去處理其他算法任務。單片機通過連續不斷的讀取FIFO中的一幀幀的圖像數據后，送入LCD的顯示內存中，圖像就會顯示在TFF屏幕上了。其流程圖如圖5所示：

3.2 圖像識別算法處理程序

圖像識別算法的程序流程圖如圖6所示，對于數字攝像頭采集的RGB格式的圖像信息，進行HSL處理，即得出圖像的H（色調）、S（飽和度）、L（亮度）數據，通過與設定的HSL閾值做比較，若實際的像素塊的HSL值介于某設定的物體基準值的范圍內，即可已鎖定目標，實現圖像的識別功能，如果想跟蹤識別其他物體，只需要改變設定的HSL的范圍值。

對于圖像識別的算法流程，首先開始搜素識別像素塊的中心點，即按照預先設定的識別規則尋找攝像頭采集圖像的各個區域，找都一個滿足識別規則的區域，以該區域的幾何中心點為目標圖像的中心，然后以此基點向周圍尋找滿足要求的像素點，在某一方向上搜素的像素點的不匹配率超過容錯率，即可認為此時為物體的邊緣。同理可得，目標物理的其他邊緣，最終得到目標物體的大小和中心坐標。

3.3 云臺跟蹤程序

云臺跟蹤的實現，通過單片機產生兩個毫秒級的PWM波，進行二自由度方向的舵機轉動，其轉動角度可以PWM的脈沖寬度控制，其PWM的脈沖周期為20ms，占空比的范圍為2.5%～12.5%，不同的占空比對應的轉動角度為0～180度。單片機通過定時器產生PWM，改變定時器的初值，即可改變輸出PWM波的占空比值，實現舵機目標角度的轉動。

對于320×240的屏幕而言，其中心顯示位置坐標為（120，160），根據上述的圖像識別程序得到的目標物體的中心坐標值，分析其和屏幕中心位置坐標的差值，驅動舵機進行相應的角度轉動。為了得到穩定的轉動控制，避免不必要的小范圍顫抖式的轉動，故設定了死區閾值，即目標物體的中心坐標值與屏幕中心坐標值差值不大時，舵機不動作。

云臺跟蹤程序流程圖如圖7所示：

4 實驗結果和分析

系統設計完善后，通過Debug程序后，優化后的圖像識別算法，能夠高效率的完成圖像識別操作，經過圖像識別算法得出目標物體的中心點和區域，通過對比顯示屏幕的中心值，輸出一定比例的控制信號，轉動舵機使得跟蹤的目標時鐘顯示在監控屏幕的中心位置。實驗表明運用STM32F407，并結合FIFO技術的VO7670圖像傳感器技術，能夠有效的跟蹤動態物體，達到了每秒15到20幀的圖像顯示。實驗中，采用紅色小球以1cm/s的速度運動，攝像頭能在二自由度云臺的轉動下，實現對紅色小球的跟蹤，使其顯示在屏幕的中心位置。

5 結語

采用STM 32單片機實現的圖像跟蹤系統，以較高的性價比實現監控物體的簡單跟蹤，本系統設計具備成本低廉、擴展性好的特點，非常適合監控跟蹤速度不高和監控環境良好的應用場合。采用FIFO技術圖像跟蹤系統，依托STM32的ARM處理性能能夠對低速且形狀邊界清晰的物體進行跟蹤，整個系統硬件設計明朗簡潔，軟件算法框架邏輯性強，效率高。不過由于單片機的處理速度，使得整機運行中出現偶爾跟丟的問題，特別是惡劣環境下，識別跟蹤的錯誤率變大，這些問題將進一步的通過優化軟件算法和結構來解決。

責任編輯 祁秀春