基于 DSP+FPGA 的高清图像跟踪系统研制_fpga+dsp图像跟踪

作者：盐析白兔 | 2024-06-20 08:26:44

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fpga+dsp图像跟踪

目标识别与跟踪技术是目前图像处理研究的重点方向，在军事和民用领域中具有广泛的应用价值，如精确制导武器、导弹飞机预警等军事领域，如交通管理、刑事侦查等民用领域。其中，如何在复杂的背景中，提取、识别与跟踪特定目标更是急需解决的问题。本文介绍了国内外图像跟踪系统的研究现状与发展趋势、图像跟踪系统的基本组成与工作原理、详细功能和性能要求，设计了基于 DSP+FPGA的图像跟踪系统并进行了实验验证，主要工作包括：

1）本文设计的图像跟踪系统主要由图像跟踪电路、通讯控制电路和视频接口电路组成，以高速DSP+FPGA为处理核心，建立高性能视频跟踪和通信处理平台，完成视频图像数据的采集、处理、字符叠加和输出功能，实现对感兴趣目标的实时跟踪，以及与其它组件的通讯控制等功能。文中给出了硬件电路的原理图与详细设计方法。

2）图像跟踪系统的软件设计采用双DSP工作模式，DSP-1主要承担图像跟踪算法、可疑目标检测以及跟踪目标位置信息输出任务，实时性要求较高；DSP-2主要承担通讯控制以及辅助字符控制等实时性要求不高的任务。

3）实现了海面可疑弱小目标报警功能，采用Top-Hat检测算法和历史运动轨迹信息，提高检测率，降低虚警率；实现地面目标跟踪功能，采用频域跟踪算法，能够有效的解决遮挡、背景干扰等问题。在实际飞行中多次进行可疑目标检测、地面目标跟踪实验。

实验结果表明，本文设计的图像跟踪系统工作稳定，目标跟踪能力和抗干扰能力强，满足系统功

能和性能要求。

2.1 引言

图像跟踪系统是一个专用的图像信息处理平台，根据任务要求，我们在进行

系统设计时，基于以下原则：

a) 在保证系统性能指标的条件下，力求高集成度、低功耗、小型化；

b) 系统硬件、软件结构面向算法，实现高性能价格比；

c) 合理分配软硬件资源，采用优化的体系结构，实时实现跟踪和系统通讯

任务；

d) 所设计系统应具备可编程、可扩充、易调试和易维护性；

e) 应有良好的开发界面和调试环境，可在模拟环境中完成跟踪系统的所有

工作。

2.2 原理与构成

图像跟踪系统主要由图像跟踪电路、通讯控制电路和视频接口电路组成，本系统设计以高速 DSP+FPGA 为处理核心建立高性能视频跟踪和通信处理平台，完成视频数据的采集、处理、字符叠加和输出，实现对感兴趣目标的实时跟踪，以及与其它组件的通讯控制等功能。图像跟踪系统接收来自可见光摄像机、红外热像仪等成像传感器的视频信号，经相应视频解码芯片电路分离出视频中的同步信号和图像信息，如图 2-1 所示，经过 FPGA 中的视频数据采集模块处理后，图像信息存放在外部空间存储器中。同时 DSP 芯片根据上位机指令，在搜索状态下，采用 EDMA 读取方式从 SRAM 中读取图像信息用于跟踪运算。图像跟踪功能在 DSP 运算下，自动完成图像识别跟踪运算，并进行智能化决策处理，最终实现目标定位，反馈目标偏离视场中心的误差信号到 FPGA 和 DSP 之间的通讯 RAM 中，经过 FPGA 的通讯控制模块输送到伺服控制器，从而驱动稳定平台跟踪目标。最后，数字视频和字符叠加信息一起送给视频生成芯片生成视频输出给终端显示。

系统在设计通讯功能时，在 FPGA 中开发一软核 CPU，生成通讯控制模块，完成平台系统中所有通讯功能。该模块主要完成与外部上位机的通讯任务，接收上位机送来的控制命令和参数，同时将跟踪系统的工作状态和参数传送给伺服控制系统。同时可完成与可见光传感器、红外传感器、激光测距仪、记录仪等组件的通讯控制和信息交换功能。

由于本系统属于“人在回路中”系统，人机交互非常频繁，为了减轻目标跟踪 DSP 的负担，系统中设置一个微处理器（MPU），它完成与上位机的通讯控制任务，接收上位机送来的控制命令和参数，并将跟踪系统的工作状态和参数通过总线接口电路传送给系统控制器。同时将稳定平台中的红外热像仪和可见光摄像机的焦距、目标距离等数据也经由微处理器发到总线接口电路。图像跟踪系统是采集来自可见光或红外图像传感器的视频信号，采用图像处理算法计算目标相对图像中的位置，将位置信息传递给伺服控制组件，实现光电侦察设备的跟踪功能。图像成像传感器图像输出一般采用模拟或数字信号接口，模拟图像传感器和数字图像传感器的工作原理基本相同，图像传感器通过光电转换和 A/D 转换作用，将传感器获取的图像数据转换为电平信号，通过模拟或数字接口输出。

目标在可见光或红外图像传感器探测器靶面上的位置，相对于视频图像中心的偏差就是图像跟踪系统给出的误差信号，传递给伺服控制系统，来实现光电侦察设备的目标跟踪功能。如图 2-2 所示，（Δx,Δy）就是目标偏离中心的误差，图像跟踪系统实时获取每一帧中目标误差信息，传递给伺服系统，伺服系统控制光电侦察设备按照误差信息向一定方向运动，对目标进行自动跟踪。

2.3 主要功能及技术要求

机载光电侦察设备主要用于在白天和夜晚对陆地及海（水）上目标进行搜索、

识别、下视救援监视，以及军事目标侦察、辅助武器系统瞄准等，并具备一定的

辅助导航功能。针对实际工作任务需求，系统总体对图像跟踪系统提出了如下功

能和技术要求：

a) 具备两路视频目标跟踪功能，可跟踪典型目标：

陆地车辆、行人及地面静止目标等；

b) 字符叠加功能：

能够在输出图像上叠加跟踪框及十字；

a) 通信控制功能

能通过RS422接口实现与可见光、红外、伺服控制等组件的通信控制、

参数传递，通过CAN 2.0接口实现与上位机的通信控制；

b) 自检功能

图像跟踪器具备自检功能,能够按照系统要求完成跟踪器自检，将自检状

态返回给上位机；

c) 可见光视频输入：分辨率1920×1080，30fps，HD-SDI接口；

d) 红外视频输入：分辨率640×512，50fps，LVDS接口；

e) 可见光照片输入：分辨率5000×4000，1fps，Camera Link接口；

f) 视频输出：

2路SDI接口（分辨率1920×1080 30fps，分辨率720×576 50fps）；

g) 照片输出：1路RapidIO光纤接口，3.125 Gbps；

h) 通讯接口：1路CAN 2.0，4路RS422；

i) 跟踪精度：≤1像素；

j) 最大跟踪速度：200像素/帧；

k) 跟踪处理延迟时间：1图像帧；

l) 供电及功耗：5V DC，≤18W。

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