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

　　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用于軍事偵察的紅外動目標識別跟蹤系統(tǒng)的設計。

　　設計任務及要求

　　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域圖像；與計算機的接口為PCI接口。

　　系統(tǒng)總體設計

　　根據(jù)設計任務和系統(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―SP，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檢測、跟蹤。考慮到系統(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。

　　系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示，為了設計和描述的方便，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。

　　2 輸入輸出緩沖FIFO

　　設置輸入輸出緩沖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）

　　紅外動目標識別與跟蹤系統(tǒng)要完成對運動目標的識別與跟蹤。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，我們設置了4幀圖像存儲空間，其余空間用于存放目標小圖、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