高清視頻圖像跟蹤器硬件設計

張金濤 張宏飛 裴文浩

關鍵詞：跟蹤器;圖像采集;DSP;FPGA

中圖分類號：TP391.41 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0042-03

Keywords：tracker;image acquisition;DSP;FPGA

0 ?引 ?言

隨著電子技術的發展，圖像處理技術在生活和工業中應用得越來越廣泛[1]。在圖像處理技術中，目標識別與跟蹤技術一直是眾多學者研究的熱點，目前跟蹤技術的實現主要采用圖像跟蹤器，其主要實現的功能是采集視頻圖像，通過跟蹤算法對目標進行跟蹤定位。早起的可見光攝像機輸出主要采用PAI制式模擬視頻為主，其分辨率可達到720×576（像素）。由于傳感器技術的不斷發展，以Camera Link為接口的攝像機得到了廣泛的應用，視頻分辨率大大提高。分辨率的提高有利于場景偵查，而且對于視頻圖像跟蹤器來說，更有利于目標跟蹤和定位。但隨著視頻圖像分辨率的提高，直接導致跟蹤算法運算量加大，無法滿足系統實時性的需要[2]。本文圖像跟蹤器設計結構由單片FPGA與兩片DSP組合而成，具有可靠性高、成本低的優勢。兩片DSP可以對數據進行并行處理，大大提高了計算效率，達到系統實時性的要求，更有利于系統完成目標跟蹤、透霧算法等技術的擴展。同時，每片芯片都包含多個高速串行串口，可以對數據進行快速輸入輸出操作，而且為日后系統升級提供便利，更好地適應未來高實時性跟蹤和多目標跟蹤算法的研究。

1 ?圖像跟蹤器硬件的總體設計

圖像跟蹤器接收的信號主要由前端可見光攝像機采集到的視頻信號，經過模數轉換后傳入FPGA中，對其進行信號處理。圖像跟蹤器電路采用雙DSP策略，圖像跟蹤器接收到上位機的指令后，一片DSP主要承擔相機曝光控制以及輔助字符控制等任務，另一片DSP主要負責目標識別、目標跟蹤和計算目標位置信息等算法，計算出跟蹤目標位置，并將跟蹤目標與視場中心的偏離差傳遞給伺服系統，由伺服系統完成對目標的實時跟蹤。最后由圖像跟蹤器將處理后的視頻圖像通過視頻編碼將信號傳輸至視頻監視器，完成最終成像。

2 ?跟蹤器模塊設置

本文設計的圖像跟蹤器采用FPGA與DSP共同實現跟蹤功能的設計路線，通過兩片TI公司生產的TMS320C6455（以下簡稱C6455）系列DSP和Altera公司生產的Cyclone系列FPGA芯片，由單板完成圖像跟蹤器的所有功能。C6455是TI公司目前研發的C6000系列中數據處理能力最強的一款芯片，芯片主頻為1.2GHz，計算峰值可以達到9600MIPS。C6455主要擁有數據儲存量大、計算能力強和可擴展性高等技術優勢，可以出色地完成該跟蹤器的目標跟蹤算法[3]。

本文設計的硬件結構圖如圖1所示，由一片FPGA和兩片DPS芯片組成。兩片DSP為對稱結構，每片分別包含2組DDR2存儲芯片，內存大小為256MB，同時帶有兩片Flash ROM。DSP與FPGA之間由EMIF口相連，完成數據輸入輸出，各DSP之間的通訊方式由高速串口完成。

3 ?跟蹤算法設計

4 ?實驗與分析

在頻域跟蹤算法的跟蹤結果中，白色矩形框表示目標處于穩定跟蹤狀態，如果白色矩形框的兩條對角線被連接起來，表示跟蹤算法判定目標受到遮擋或跟蹤目標丟失。

實驗采用含有車輛或者行人的視頻序列來進行仿真，算法在不同目標下的跟蹤仿真結果如圖3所示。

從結果圖中可以看出，圖像跟蹤處理器能夠對選定目標進行有效跟蹤，同時對目標旋轉與遮擋具有一定的魯棒性。

5 ?結 ?論

實驗表明，本文設計的采用FPGA與DSP為核心架構的圖像跟蹤器能夠解決處理高清圖像時數據量大的問題，同時可以實現對目標的實時跟蹤，在遇到目標遮擋和旋轉的情況下，具有一定魯棒性。

參考文獻：

[1] 鄒春勇，尚海林.基于CameraLink接口高清圖像跟蹤器設計 [J].科學技術與工程，2012，12（19）：4672-4675.

[2] 王洪迅，趙天云，畢篤彥，等.高速偵察圖像數據的獲取和緩沖 [J].微電子學與計算機，2004（10）：82-85.

[3] 李方慧.TMS320C6000系列DSPs原理與應用 [M].北京：電子工業出版社，2003.

作者簡介：張金濤（1980-），男，漢族，山東菏澤人，工程師，學士，研究方向：直升機航電。