采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6201構(gòu)成的視頻跟蹤警戒裝置

摘要：介紹了一種以高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6201為核心器件構(gòu)成的視頻跟蹤警戒裝置。該視頻跟蹤警戒裝置，即可自成一個(gè)小系統(tǒng)，獨(dú)立進(jìn)行工作；也可作為一個(gè)子系統(tǒng)，裝在其它光電測(cè)量跟蹤系統(tǒng)中工作。

關(guān)鍵詞：電視跟蹤 匹配跟蹤 圖像處理 數(shù)字信號(hào)處理器

在光電測(cè)量跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其視頻器量跟蹤部分，提出了越來越高的要求。例如，有越來越多的應(yīng)用場合，要求光電測(cè)量跟蹤系統(tǒng)對(duì)更大區(qū)域的視頻圖像具有實(shí)時(shí)匹配跟蹤（相關(guān)跟蹤）的功能。在匹配跟蹤（相關(guān)跟蹤）過程中，如果需要匹配處理的圖像區(qū)域較大，則運(yùn)算量非?？捎^。在視頻跟蹤當(dāng)中，為了能夠在有限的時(shí)間（如20毫秒時(shí)間內(nèi)）實(shí)現(xiàn)大量的運(yùn)算處理，則需要采取一些提高運(yùn)算速度的措施。采用更高性能的數(shù)字信號(hào)處理器，則是一條很重要的措施。
美國TI公司推出的新一代高速高性能的TMS320C6000系列的數(shù)字信號(hào)處理器，很適合于視頻跟蹤的運(yùn)算處理性能的提升。我們以TMS320C6201數(shù)字信號(hào)處理器為核心器件，研制出了新一代的視頻跟蹤警戒裝置。

1 TMS320C6000系列的數(shù)字信號(hào)處理器簡介

TMS320C6000系列的數(shù)字信號(hào)處理器，是TI公司于1997年推出的高端系列的DSP。雖然該系列的DSP在芯片設(shè)計(jì)上最初主要是針對(duì)多通道無線通信和有線通信的應(yīng)用領(lǐng)域，但是由于其優(yōu)異的高速處理性能和出色的對(duì)外接口能力，這種器件也很適合用于雷達(dá)聲納圖像處理和視頻測(cè)量、跟蹤等領(lǐng)域。
C6000芯片具有超長指令字處理能力。其內(nèi)部有8個(gè)并行處理單元，8條指令組成一個(gè)指令包，一個(gè)指令包的總字長為256位，它可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行8條指令。這種高速高性能的數(shù)字信號(hào)處理器，工作頻率可達(dá)200MHz，每秒可完成1.6G次操作。

C6000的8個(gè)獨(dú)立功能單元中有兩個(gè)16bit乘法器和六個(gè)算術(shù)邏輯單元；其存儲(chǔ)器尋址空間為32bit，芯片內(nèi)部集成了1M-7Mbit的片內(nèi)SRAM；其內(nèi)部的四通道DMA協(xié)處理器，可用于數(shù)據(jù)的DMA傳輸。

TI公司針對(duì)TMS320C6000系列的數(shù)字信號(hào)處理器，還推出了一種CCS集成開發(fā)軟件。在這種CCS集成開發(fā)軟件的環(huán)境下，C編譯器的效率可達(dá)80%，若將新的線性匯編語言和C6000匯編優(yōu)化器配合使用，可使代效率高達(dá)95以上。

2 視頻跟蹤警戒裝置硬件構(gòu)成

以TMS320C6201為核心器件構(gòu)成的視頻跟蹤警戒裝置的硬件構(gòu)成如圖1所示。

視頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)字量，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)在波門的范圍內(nèi)依照地址產(chǎn)生器的地址按照一定的順序存入雙端口存儲(chǔ)器RAM。

FLASH MEMORY用作存放開機(jī)自舉程序的機(jī)器以及有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。

SDRAM是容量為4Mx32bit的高速動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器主要用作存儲(chǔ)以DMA方式從雙端口存儲(chǔ)器RAM傳輸過來的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

TMS320C6201執(zhí)行芯片內(nèi)程序存儲(chǔ)區(qū)的程序，對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種處理包括目標(biāo)與背景的分、隨機(jī)獨(dú)立噪聲信號(hào)的剔除、目標(biāo)的形心計(jì)算及跟蹤、圖像的匹配計(jì)算及跟蹤和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、警戒等。它還完成操控狀態(tài)的循環(huán)檢測(cè)、與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等工作。

接口部分的電路用雙端口存儲(chǔ)器構(gòu)成，其作用是實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸，包括測(cè)偏數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等的中轉(zhuǎn)傳輸。

波門電路的作用是根據(jù)波汴數(shù)據(jù)形成空心波門和實(shí)心波門?？招牟ㄩT送至視頻復(fù)合電路供顯示用；實(shí)心波門分為場實(shí)心波門和行實(shí)門波門，可用作選通或作形成圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址。

視頻復(fù)合電路的作用是將空心波門、電十字線、視頻信號(hào)復(fù)合起來，供監(jiān)視器顯示。

操控鍵有各種工作方式的選擇按鍵和上下左右操控按鍵。

通過云臺(tái)控制部分，可對(duì)載有攝像機(jī)的普通云臺(tái)進(jìn)行上下左右的自動(dòng)控制，從而將運(yùn)行的目標(biāo)自動(dòng)拉到視場中心位置上。

報(bào)警驅(qū)動(dòng)部分可在自動(dòng)檢測(cè)出目標(biāo)之后，向報(bào)警聲發(fā)生器或數(shù)字錄像機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使它們進(jìn)入報(bào)警或錄限現(xiàn)場視頻圖像的狀態(tài)。

3 工作方式介紹

3.1 主要作流程

工作流程簡圖如圖2所示。系統(tǒng)開機(jī)后，F(xiàn)LASH MEMORY內(nèi)的程序機(jī)器碼自舉到TMS320C6201內(nèi)部的程序存儲(chǔ)區(qū)，然后TMS320C6201執(zhí)行程序進(jìn)行一些初始化，接著判斷操作控鍵的狀態(tài)以確定進(jìn)入哪種跟蹤處理方式。本裝置的工作方式或跟蹤方式主要有三種：形心跟蹤、匹配跟蹤和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)警戒跟蹤。TMS320C6201在進(jìn)行了當(dāng)場波門內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的DMA傳輸和圖像數(shù)據(jù)處理之后，形成下一場的波門位置數(shù)據(jù)和波門大小數(shù)據(jù)，并向與主機(jī)接口的雙端口存儲(chǔ)器送去波門或目標(biāo)相對(duì)于視頻中心的位置數(shù)據(jù)和其它有關(guān)的狀態(tài)字（還可向云臺(tái)控制部分送去目標(biāo)相對(duì)于視場中心的上下左右的狀態(tài)字），然后返回進(jìn)入下一場的判斷和處理。如此循環(huán)往復(fù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索、捕獲、測(cè)量、跟蹤、警戒、報(bào)警等。

3.2 形心跟蹤

數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6201對(duì)波門內(nèi)的數(shù)字圖像處理得到一閾值，根據(jù)該閾值再從波門內(nèi)的數(shù)字圖像中分出目標(biāo)象元。然后根據(jù)分出的全球目標(biāo)象元位置數(shù)據(jù)和目標(biāo)象元的總點(diǎn)數(shù)，計(jì)算出目標(biāo)的形心。該形心數(shù)據(jù)作為下一場波門的跟蹤數(shù)據(jù)；而目標(biāo)的形心相對(duì)于視場 中心的位置數(shù)據(jù)，則作為目標(biāo)的偏差數(shù)據(jù)。

3.3 匹配跟蹤

在匹配跟蹤的過程中，DSP將新一場波門內(nèi)的圖像與原始模板圖像進(jìn)行逐點(diǎn)比對(duì)，計(jì)算出新一場波門內(nèi)圖像與原始模板圖像的最佳匹配位置數(shù)據(jù)，然后根據(jù)最佳匹配位置數(shù)據(jù)，形成一場的跟蹤波門數(shù)據(jù)和測(cè)偏數(shù)據(jù)。

3.4 復(fù)雜背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)警戒跟蹤

本裝置具有針對(duì)復(fù)雜背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、警戒、跟蹤功能。動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的主要方式是將具有一定時(shí)間差的兩場圖像進(jìn)行減處理。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM當(dāng)中，劃分了兩個(gè)圖像存儲(chǔ)區(qū)塊A和ZB。圖像存儲(chǔ)區(qū)A中的圖像數(shù)據(jù)在每一場都進(jìn)行刷新，而圖像存儲(chǔ)區(qū)B中的圖像數(shù)據(jù)則以數(shù)百場為一周期進(jìn)行刷新。當(dāng)沒有動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入視場時(shí)，圖像存儲(chǔ)區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)大體相同，當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入視場時(shí)，圖像存儲(chǔ)區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)會(huì)在出現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)的相應(yīng)位置上出現(xiàn)差異。這種差異的差值可以通過對(duì)圖像存儲(chǔ)區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相減運(yùn)算得到。

復(fù)雜背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)警戒跟蹤的總工作過程如下：TMS320C6201對(duì)圖像存儲(chǔ)區(qū)A和B中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相減處理以檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)。如果DSP對(duì)圖像存儲(chǔ)區(qū)A和B做完一場的圖像數(shù)據(jù)的處理檢測(cè)后，沒有提取出連續(xù)三行相鄰出現(xiàn)的信號(hào)，則判為沒有動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入視場。如果檢測(cè)出動(dòng)目標(biāo)信號(hào)連續(xù)壓行數(shù)等于大于三行，則判為有動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入視場，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)該場中的有效動(dòng)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，計(jì)算得到波門的位置數(shù)據(jù)和目標(biāo)相對(duì)于視場中心的位置數(shù)據(jù)等，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)復(fù)雜背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、警戒、跟蹤。

圖像存儲(chǔ)區(qū)B中的圖像數(shù)據(jù)的刷新周期，可以通過軟件設(shè)置。圖像存儲(chǔ)區(qū)B中的圖解數(shù)據(jù)的刷新周期不宜太秤，也不宜太長。該刷新周期，可根據(jù)應(yīng)用場合的實(shí)際情況來確定。

3.5 波門引導(dǎo)方式

該視頻測(cè)量跟蹤裝置的波門引導(dǎo)方式分為手控引導(dǎo)、主機(jī)引導(dǎo)、程控引導(dǎo)三種方式。手控引導(dǎo)是按動(dòng)上下左右操控鍵將波門移到所需的位置；主機(jī)引導(dǎo)是根據(jù)主機(jī)發(fā)過來的波門引導(dǎo)數(shù)據(jù)使波門跳到對(duì)應(yīng)的位置；程控引導(dǎo)是在沒有手控引導(dǎo)和主機(jī)引導(dǎo)的操作并且波門內(nèi)沒有目標(biāo)時(shí)，波門按照程序規(guī)定的順序路徑自動(dòng)移動(dòng)位置，搜索目標(biāo)。

4 主要功能

該視頻跟蹤裝置具有如下幾個(gè)主要功能：

（1）具有目標(biāo)形心跟蹤功能；

（2）具有目標(biāo)相關(guān)跟蹤功能；

（3）具有可針對(duì)復(fù)雜背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、警戒、報(bào)警、跟蹤功能；

（4）具有針對(duì)簡單形狀目標(biāo)的記憶判別功能；

（5）波門具有自適應(yīng)功能，即在跟蹤目標(biāo)的過程中，波門的大小可自自動(dòng)隨波門內(nèi)的目標(biāo)大小變化而變化；

（6）具有自動(dòng)控制普通云臺(tái)和閉環(huán)自動(dòng)跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的功能。

5 主要性能指標(biāo)

（1）運(yùn)算處理能力：1600MIPS；

（2）可供存儲(chǔ)數(shù)字圖像的存儲(chǔ)器容量：4Mx32bit；

（3）處理每場圖像的分辨率為512x256象元；

（4）測(cè)量精度±1個(gè)象元。

（5）測(cè)量跟蹤的目標(biāo)與背景的最低對(duì)比度：5%；

（6）觸發(fā)報(bào)警的動(dòng)目標(biāo)壓行數(shù)≥3電視行；

（7）形心測(cè)量跟蹤和匹配測(cè)量跟蹤目標(biāo)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間20毫秒；

（8）在全視場內(nèi)，大波門自動(dòng)捕獲目標(biāo)時(shí)間≤60毫秒；

（9）自動(dòng)控制普通云臺(tái)跟蹤目標(biāo)的速度和轉(zhuǎn)角技術(shù)參數(shù)，一般取決于普通云臺(tái)自身的參數(shù)。