基于DSP+FPGA的紅外移動目標識別跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

與通用集成電路相比，ASIC芯片具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等幾個方面的優(yōu)勢，而且在大批量應(yīng)用時，可降低成本?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點。與其他中小規(guī)模集成電路相比，其優(yōu)點主要在于它有很強的靈活性，即其內(nèi)部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置，對電路的修改和維護很方便。DSP+FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點是結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，適于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率;同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護和擴展，適合于實時數(shù)字信號處理。本文介紹的就是一種可以應(yīng)用于軍事偵察的紅外動目標識別跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計。

設(shè)計任務(wù)及要求紅外動目標跟蹤與識別系統(tǒng)的輸入信號是紅外攝像機提供的模擬或數(shù)字視頻信號。該系統(tǒng)通過基于C6X系列高速DSP的數(shù)字視頻處理卡，實時的處理紅外數(shù)字視頻序列，完成對運動目標的搜索、捕獲、跟蹤、記憶;并且在PC上實時顯示紅外視頻圖像，實時給出運動目標的空間坐標，產(chǎn)生運動目標區(qū)域的特征數(shù)據(jù)，完成運動目標區(qū)域圖像的實時存儲或遠程傳輸。硬件模塊需要為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供硬件支持，即提供與系統(tǒng)功能相適應(yīng)的底層物理支持，包括運算處理速度、存儲容量等。

模擬視頻數(shù)字化精度要求：AD精度為8bit;數(shù)字視頻通道的要求：按RS422傳輸協(xié)議接收數(shù)據(jù)，像素精度14bit;每場圖像處理時間40ms;搜索到捕獲時間：0.2～1s;捕獲到跟蹤時間120ms;25幀/s實時識別、跟蹤運動目標(即當(dāng)前場數(shù)據(jù)必須在下一場數(shù)據(jù)到來之前處理完畢，并由計算機輸出處理結(jié)果，顯示視頻圖像)，并給出目標位置及領(lǐng)域圖像;與計算機的接口為PCI接口。

系統(tǒng)總體設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)和系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)大致可分為四個模塊(見圖1)。

圖1系統(tǒng)模塊組成

UNIT 1模塊基于標準32位+5V的PCI總線，并配以超大規(guī)?？删幊绦酒?DSP，FPGA)，具有極強的運算、處理能力。

UNIT 2模塊的功能主要實現(xiàn)是運動背景下的動目標檢測、跟蹤?？紤]到系統(tǒng)的實時性要求，運動背景下的動目標檢測采用基于攝像機運動補償?shù)牟罘旨夹g(shù)。首先對攝像機運動造成的全局運動進行補償，對補償后的序列圖像進行差分運算;然后在差分域搜索目標運動引起的運動擾動區(qū)域;最后在原視頻圖像上分割提取運動目標。同時，采用預(yù)測技術(shù)對目標的可能位置和存在區(qū)域進行估計，以實現(xiàn)實時、準確跟蹤(或記憶)目標。系統(tǒng)軟件按照其工作狀態(tài)分為四個狀態(tài)模塊：搜索、捕獲、跟蹤、記憶跟蹤。系統(tǒng)按照搜索、捕獲、跟蹤、記憶跟蹤四個狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換運行，以實現(xiàn)運動目標的實時檢測與跟蹤。

UNIT 3模塊的主要功能是實現(xiàn)硬件模塊與上層應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通信與信息交互。系統(tǒng)采用了PCI 9054 Target方式的單周期讀/寫;在圖像數(shù)據(jù)傳送的時候為了滿足每秒25幀圖像的實時傳送和處理的要求，采用了PCI 9054的Scatter/Gather DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸。在整個系統(tǒng)的信息交互中，采用了一次握手協(xié)議，也就是請求一一應(yīng)答協(xié)議。

UNIT 4模塊的主要功能是向硬件模塊下載DSP跟蹤程序，啟動/停止DSP，實時顯示場景視頻，對運動目標序列進行實時存儲，對運動目標序列的基本特性進行實時分析和結(jié)果的顯示。