基于FPGA的高速運動物體追蹤系統

耿 磊

（中國船舶重工集團有限公司第七一七研究所華之洋科技有限公司 湖北·武漢 430073）

0 引言

高速目標跟蹤技術要應用于智能視頻監控、軍事研究、人機交互、機器人視覺導航、智能交通等應用場景。為了更好的適應如今實際場景對高效、長時間、快速反應等的要求，機器視覺對目標物體的高速追蹤監控能力被提了出來。本文主要對單一移動物體的快速跟蹤并對其同步圖像進行顯示做出研究。

1 系統硬件設計

系統通過CMOS傳感器收集圖像信息，經過FPGA實時處理，同步跟蹤并傳輸顯示攝像視頻畫面。其中主要有攝像模塊、存儲BRAM模塊、色彩格式轉換模塊、色彩檢測模塊、坐標計算、VGA顯示和舵機控制模塊等。硬件結構如圖1所示。

1.1 FPGA模塊

Artix 7平臺屬于 28nm 工藝，搭載的是XC7A35TCPG236，擁有5200個slice資源，相當于33280個邏輯單元，容量為1800Kbits的RAM塊，5個時鐘管理單元，每個單元帶有一個鎖相環（PLL），90個DSPSlices，內部時鐘速率超過450MHz，一個片內模數轉換器(XADC)。

1.2 攝像模塊

攝像部分應用的是OV7725模塊，OV7725芯片內置圖像處理單元，速度60fps，外部通過SCCB接口控制芯片的曝光調整、白平衡、色彩飽和度調節以及gamma調整等，OV7725的紅、綠、藍三基色通道用同一個十位AD，工作頻率12MHz。廣泛應用于數字視頻系統、高分辨率的彩色圖片圖像處理、視頻信號再現等,因此,能夠滿足我們的應用需求。

1.3 云臺舵機模塊

云臺舵機共分為水平方向和豎直方向各一個，共同組成一個二自由度平臺。平臺兩個舵機分別對應屏幕的橫坐標和縱坐標的修正控制，用以接收應對坐標的調整，以達到對攝像模塊水平和豎直方向的運動動作需求。

本平臺舵機采用的是四線舵機，型號為FB5317M，每個舵機包含電源線、地線、PWM控制信號線和一根舵機位置角度反饋線。舵機采取6V電源供電，靜態電流為5mA，空載電流達到150mA，堵轉電流最高為1500mA，空載速度可達0.2sec/60o,完全能夠達到攝像跟蹤目標物的需求。

2 FPGA內部模塊設計

2.1 攝像頭驅動模塊

首先實現SCCB協議驅動OV7725的攝像芯片，圖像采集后，由于QVGA時序與VGA時序存在差距，所以對于實時VGA顯示功能不能直接把攝像模塊的數據直接接入VGA，需要通過將采集數據存儲后，再讀取，于是我們把每幀畫面像素數據轉存于BRAM中。

圖2：系統測試圖

2.2 色彩轉化及處理模塊

BRAM中圖像的格式為RGB，由于本次研究中使用的目標物體為單一色塊，色彩比較穩定，因此檢測方案以色彩為主，故HSV格式更加契合。HSV格式把圖像的飽和度、色調和亮度屬性分離。我們采取了調用低延遲的除法器實現顏色飽和度分量和色調色彩分量之間的快速計算，從而能夠在現有的硬件和算法優化下達到預期的RGB和HSV的高速轉換。

系統在識別之前，需要通過學習，記住目標色彩特征，然后再在攝像區域尋找與目標物體的HSV分量相似高的像素，最終通過過濾和標注，獲取相近像素點的坐標進行求平均計算，計算結果作為最終舵機模塊對于攝像區域修正的依據，以及控制舵機運動的參數值。

2.3 舵機控制模塊

舵機控制模塊主要分舵機反饋信號處理與舵機控制數據轉PWM波組成。舵機的實時位置通過電壓形式反饋接入xadc模塊，通過模數轉換，將舵機反饋的位置坐標與來自色彩轉換得來的目標物體中心坐標對比，計算出差值，分解為x和y坐標值控制信號輸出，輸入到后續的PWM發生模塊，進行數據轉PWM波輸出，以驅動云臺跟蹤目標。

2.4 VGA驅動模塊

要把存儲器里的圖像在VGA顯示器中顯示,掃描時序是需要VGA驅動模塊產生的。將存儲在BRAM中的圖像像素數據通過AD轉換器生成R、G、B三原色信號和行、場同步信號，然后通過VGA接口傳輸給顯示設備所需的模擬信號。本系統從緩存中讀出的圖像大小為640×480,掃描頻率60 Hz。

3 系統測試及分析

該系統依照如下步驟進行測試：

第一步：準備工作，將系統各模塊連接并接上電源；

第二步：調整攝像焦距與連接檢查，通過VGA顯示畫面，查看狀態，畫面是否模糊，是否存在雪花等噪音。若畫面模糊，通過手動將攝像模塊的焦距調整到合適情況；

第三步：目標學習，生成系統記憶，把目標物放入屏幕畫面中心黃色框內，按下學習按鈕，提取目標物像素。然后將撥動撥碼開關，此時系統進入對目標物跟蹤狀態；

第四步：進行目標跟蹤實驗，記錄延時信息；

第五步：系統清除記憶像素，重復設定。

圖2為系統測試圖，目標物體的特征像素采集后，屏幕中繪畫出紅色十字架，十字架中心焦點即為目標物體像素中心坐標點，同時把目標物體像素標綠顯示。測試結果良好，畫面清晰，跟蹤穩定，達到了設計目標。

4 結論

本文實現了一個對單一目標物體的快速跟蹤系統，并能夠同步把目標圖像進行VGA顯示。在跟蹤狀態下，能適應目標物體速度的變化，實時性好、圖像顯示清晰，達到了預期要求，有很強的實用性和推廣性。