紅外動目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)的DSP+FPGA實現(xiàn)

　　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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)的空間坐標(biāo)，產(chǎn)生運動目標(biāo)區(qū)域的特征數(shù)據(jù)，完成運動目標(biāo)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(biāo)(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(biāo)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(biāo)準32位+5V的PCI總線，并配以超大規(guī)模可編程芯片(DSP，F(xiàn)PGA)，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(biāo)檢測、跟蹤?？紤]到系統(tǒng)的實時性要求，運動背景下的動目標(biāo)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(biāo)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(biāo)。同時，采用預(yù)測技術(shù)對目標(biāo)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(biāo)。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(biāo)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(biāo)序列進行實時存儲，對運動目標(biāo)序列的基本特性進行實時分析和結(jié)果的顯示。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示，為了設(shè)計和描述的方便，我們把硬件模塊的電路結(jié)構(gòu)劃分為以下幾個單元：視頻接口單元、輸入輸出FIFO視頻圖像存儲器、數(shù)字圖像處理單元(DSP)、可編程控制器、與PC的PCI接口電路等。

　　圖2系統(tǒng)硬件原理框圖

　　1視頻接口單元

　　紅外運動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的視頻源是紅外攝像機提供的視頻信號。紅外攝像機有兩路視頻輸出，即模擬視頻輸出和數(shù)字視頻輸出。本系統(tǒng)要求硬件模塊對兩路視頻信號都能夠進行處理。因此，必須對輸入視頻信號進行預(yù)處理，為數(shù)字圖像處理單元(DSP)提供必要的視頻數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù)。視頻接口單元框圖如圖3所示。

　　圖3 視頻接口單元框圖

　　2 輸入輸出緩沖FIFO

　　設(shè)置輸入輸出緩沖FIFO的目的是在高速器件和低速器件之間設(shè)置一個緩沖區(qū)，可以避免高速器件因等待低速器件的數(shù)據(jù)而使系統(tǒng)的效率降低。A/D芯片送出的數(shù)字信號的時鐘頻率約為12MHz(模擬通道時鐘12.51MHz，數(shù)字通道時鐘12MHz)，而處理卡上DSP的總線頻率高達50MHz，兩者差異較大，所以采用輸入輸出緩沖FIFO是必要的?；谝陨峡紤]，最終選用Cypress公司的CY7C4275。它的容量為32K×18，最大存取速度可達到l0ns。

　　3 可編程控制器(FPGA)

　　在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制了絕大部分單元，包括通道選擇/電平轉(zhuǎn)換芯片、輸入輸出 FIFO、SRAM、DSP、PCI接口電路等。利用FPGA芯片的系統(tǒng)內(nèi)可編程(ISP)性能，完成所有DSP外圍芯片的控制邏輯;并在其中設(shè)置狀態(tài)寄存器、命令字寄存器和專用寄存器，完成與主機的實時通信，接收主機傳送的命令信息和向主機傳送所需要的狀態(tài)信息。

　　在本系統(tǒng)中，數(shù)字信道為14bit，模擬為8bit，需要由FPGA對信號進行第一次裝配(區(qū)別于DSP為了顯示而對圖像按FGB格式進行的第二次裝配)，即將數(shù)字/模擬信號/數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為16bit的數(shù)據(jù)，然后將兩個16bit數(shù)據(jù)裝配成一個32bit的數(shù)據(jù)。

　　4數(shù)字圖像存儲器(SRAM)

　　紅外動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)要完成對運動目標(biāo)的識別與跟蹤。其實現(xiàn)算法必然涉及到對多幀(差分處理，至少兩幀)視頻圖像的處理。為了給實現(xiàn)算法提供較為充裕的存儲空間，我們選用的存儲器能容納6場視頻圖像。因此，最后選用的存儲器是Giga SemIConductor公司的兩片GS74116，其每片容量為256K×16bit，存取速度為15ns?？紤]到我們視頻圖像每場的數(shù)據(jù)量為76800像素，兩片512K的SRAM可以存下至少6張視頻圖像。在本系統(tǒng)中，我們設(shè)置了4幀圖像存儲空間，其余空間用于存放目標(biāo)小圖、DSP裝配數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)空間具體地址分配如圖4所示。

　　圖4 SRAM數(shù)據(jù)空間分配

　　5 數(shù)字圖像處理模塊(DSP)

　　DSP采用TI公司的TMS320C6202芯片。我們采用隔點、隔行的亞抽樣。抽樣后，每幀圖像大小約為20KB，總計約需80KB的數(shù)據(jù)空間，TMS320C6202的片內(nèi)數(shù)據(jù)空間足夠所需。我們對DSP芯片的內(nèi)部空間分配如圖5所示。

　　圖5 DSP內(nèi)部空間分配

　　6 PCI接口電路

　　由于本系統(tǒng)與PC的接口是PCI接口。為了避免受困于PCI接口繁雜的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，充分發(fā)揮PCI總線的數(shù)據(jù)傳送能力，PCI接口電路采用PCI9054芯片。它是PCI總線專用接口芯片，具有數(shù)據(jù)傳送快、數(shù)據(jù)傳送簡單等優(yōu)點。在33MHz的PCI總線工作頻率下，它的最大數(shù)據(jù)吞吐能力為132MB/s。

　　PCI9054與DSP的數(shù)據(jù)交換或通信是通過DSP芯片內(nèi)部的兩個寄存器實現(xiàn)的，即地址寄存器XBISA;數(shù)據(jù)寄存器XBD。對PCI9054及DSP芯片而言，它們互相并不能直接訪問對方的資源，數(shù)據(jù)交換必須由這兩個寄存器中繼，如圖6所示。

　　圖6 PCI9054與DSP連接圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　首先進行系統(tǒng)上電自檢，查看系統(tǒng)各部分是否進入正常工作狀態(tài)，并將檢測結(jié)果送往主機。然后對整機系統(tǒng)進行初始化工作，檢測命令字寄存器確定圖像的輸入方式和系統(tǒng)的工作方式，若主機未指定，則進入等待狀態(tài)，直到操作員指定系統(tǒng)的工作方式為止，系統(tǒng)進入正常工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

　　圖7 系統(tǒng)軟件流程圖