視頻動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤技術(shù)是當(dāng)今世界重要的研究課題，它涉及圖像處理、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的各個(gè)方面：預(yù)警、火控、制導(dǎo)等；在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也隨著該技術(shù)的日益成熟，以及成本的大幅度下降而逐漸得到越來越廣泛的推廣。

所謂視頻動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置是一個(gè)可以完成標(biāo)準(zhǔn)制式視頻圖像的采集和處理，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤的智能圖像處理系統(tǒng)，這類系統(tǒng)具有運(yùn)行復(fù)雜靈活的算法以及處理大數(shù)據(jù)量視頻圖像的能力，還要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，同時(shí)體積、功耗、穩(wěn)定性等也有較嚴(yán)格的要求。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，采用TI公司的TMS320C6455高速DSP芯片，以FPGA、SAA7113H等高集成度的外圍電路構(gòu)建了一種滿足實(shí)時(shí)性要求的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置，該裝置體積小、功耗低，在實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 TMS320C6455簡介

TMS3206455是TI公司推出的最新高速DSP，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上采用了Veloei(VLIW：Very Long Instruction Word)超長指令字內(nèi)核結(jié)構(gòu)，最高時(shí)鐘頻率為1.2GHz，每個(gè)周期可以同時(shí)執(zhí)行8條32bit的指令，16位定點(diǎn)處理能力可達(dá)到9600MIPS/MMACS(16-bits)。片內(nèi)采用2級(jí)高速緩存結(jié)構(gòu)，其中L2有2096K字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)空間可供使用，6455還具有強(qiáng)大的外部存儲(chǔ)器接口EMIF，可以連接DDR2等高速外部存儲(chǔ)器，同時(shí)集成了高速串行接口SRIO，方便多DSP以及DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸。這些都可以滿足圖像處理算法產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對(duì)高速交換空間的需求，非常適合作為這類算法的硬件處理平臺(tái)。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的硬件組成是基于TMS3206455構(gòu)成的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，輸入模擬視頻信號(hào)經(jīng)圖像解碼器SAA7113H將其解碼為422YUV(CCIR-656)格式碼流，并傳送至FPGA進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。TMS3206455通過EDMA方式從FPGA中實(shí)時(shí)采集數(shù)字圖像，可以緩存在DSP內(nèi)部或通過EDMA方式存入DDR2中，DSP程序根據(jù)算法提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤。另外系統(tǒng)還利用FPGA和SAA7121H視頻編碼芯片實(shí)現(xiàn)了字符的疊加顯示功能，可程控字符、十字絲和目標(biāo)提示框等一系列提示信息的直觀實(shí)時(shí)顯示。其硬件總體框圖如圖1所示。

1.3 視頻采集

視頻采集芯片選擇Philips公司的視頻解碼SAA7113H，該芯片的主要作用是把輸入的模擬視頻信號(hào)解碼成標(biāo)準(zhǔn)的VPO數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于視頻A/D器件，由DSP通過I2C總線接口對(duì)SAA7113H進(jìn)行初始化設(shè)置，輸出YUV422格式的數(shù)字圖像，每幀720x625個(gè)像素。

TMS3206455提供有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，可以直接控制本地的外圍器件(如A/D、D/A等)，兼容Philips公司的2.1版本I2C規(guī)范，快速模式的通訊速率可達(dá)400Kbps，并且支持7位和10位的設(shè)備地址模式。SAA7113H、SAA7121H的硬件配置如圖2所示。

標(biāo)準(zhǔn)的視頻制式有3種：PAL、NTSC和SE-CAM，都采用隔行掃描技術(shù)，一幀圖像傳送兩次，分別為奇場(chǎng)圖像和偶場(chǎng)圖像。SAA7113H的輸出也是隔行掃描圖像，一般在圖像檢測(cè)處理系統(tǒng)中，只需要采集圖像中間的512x256像素，邊緣像素?cái)?shù)據(jù)可以忽略。即在行有效時(shí)，取中間的512個(gè)像素的數(shù)據(jù)，在奇、偶場(chǎng)圖像分別取中間的256行像素?cái)?shù)據(jù)作為場(chǎng)圖像。為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置在處理過程中采用按場(chǎng)處理(50Hz)的方式，即在20ms時(shí)間內(nèi)完成對(duì)的一場(chǎng)隔行圖像的處理，提高輸出信息的實(shí)時(shí)性。

1.4 數(shù)字圖像序列導(dǎo)入

數(shù)字圖像的處理主要在DSP中進(jìn)行，為了提高圖像處理的速度，需要借助其強(qiáng)大的EDMA功能。TMS3206455提供由增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問EDMA(Enhanced Direct Memory Address)控制器，無需CPU的參與就能夠完成存儲(chǔ)器映射空間的數(shù)據(jù)傳輸，可以滿足多種海量數(shù)據(jù)交換的處理系統(tǒng)需求。

數(shù)字圖像序列的導(dǎo)入和DSP內(nèi)部存儲(chǔ)均采用了RAM乒乓結(jié)構(gòu)進(jìn)行。在FPGA中主要完成YUV422數(shù)字圖像的乒乓緩存，在DSP中主要完成數(shù)字圖像序列的乒乓處理和循環(huán)存儲(chǔ)，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

FPGA的圖像乒乓緩存以行(512像素)為單位，依據(jù)FPGA內(nèi)部的RAM資源來確定乒乓緩存空間的大小，利用行同步時(shí)鐘(或其分頻信號(hào))來同步實(shí)時(shí)寫入圖像數(shù)據(jù)。由于DSP的EDMA速度資源空間很大，即使內(nèi)部資源很小的FPGA，只要其內(nèi)部RAM空間超過1k(512x2像素，2行圖像數(shù)據(jù))，就能夠?qū)崿F(xiàn)該乒乓結(jié)構(gòu)。

DSP則利用時(shí)間指針進(jìn)行圖像序列的乒乓循環(huán)存儲(chǔ)和處理，在EDMA實(shí)時(shí)導(dǎo)入當(dāng)前場(chǎng)的圖像的同時(shí)，完成對(duì)上場(chǎng)圖像的算法處理。這樣的乒乓結(jié)構(gòu)可以根據(jù)DSP的內(nèi)存空間的大小和算法的需求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，乒乓循環(huán)幀數(shù)n=2，3，4…。

TMS3206455內(nèi)部提供有2096K字節(jié)的L2 SRAM空間，除了預(yù)留程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、算法空間外，還可以提供至少8場(chǎng)(8x512x256=1024KB)圖像的存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)還可以備選DDR2作為擴(kuò)展內(nèi)存，為圖像序列的乒乓緩存提供了充足的高速存儲(chǔ)空間支持。

1.5 字符疊加

為了讓觀測(cè)者更清楚地了解目標(biāo)的信息，視頻處理裝置通在顯示圖像上實(shí)時(shí)疊加字符，采用的方法是在圖像上直接進(jìn)行模擬或數(shù)字信號(hào)疊加。本裝置的字符疊加采用Philips公司的視頻編碼芯片SAA7121H完成，顯示信息可以通過DSP進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，保證信息的實(shí)時(shí)、直觀。

TMS3206455通過I2C總線對(duì)SAA7121H進(jìn)行配置，在FPGA中對(duì)SAA7113H輸出的YUV視頻信號(hào)進(jìn)行處理并提取同步信息，作為后面字符疊加的同步控制信號(hào)。需要疊加的字符點(diǎn)陣庫存儲(chǔ)在FLASH中，由DSP控制的實(shí)時(shí)顯示字符內(nèi)容存儲(chǔ)在FPGA的RAM中；在視頻同步信息的控制下，字符疊加模塊在視頻信號(hào)的特定(顯示)位置讀取RAM中的數(shù)據(jù)，并將字符點(diǎn)陣與視頻信號(hào)進(jìn)行疊加，產(chǎn)生所需的帶字符的視頻。視頻字符疊加過程如圖4所示。

2 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是對(duì)EDMA導(dǎo)入DSP的內(nèi)部數(shù)字圖像序列進(jìn)行處理，從中將移動(dòng)的目標(biāo)從背景圖像中提取出來，然后進(jìn)行有效分割、狀態(tài)提取、特征匹配、分類排序、置信度決策等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，提取出動(dòng)目標(biāo)信息。動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)方法有很多，如幀間差分法、背景差分法和光流法等，這里主要采用基于背景更新的背景差分法來實(shí)現(xiàn)，算法過程如圖5所示。

2.1 背景圖像的提取與更新

常用的背景更新方法有多幀平均法、選擇更新法、隨機(jī)更新法等，本裝置的背景圖像是基于多幀平均法取得的。在系統(tǒng)開始工作后，首先根據(jù)連續(xù)采集的n幀圖像求平均值獲取原始背景圖像B0(x，y)。

其后的運(yùn)算過程中，使用一階遞歸濾波器對(duì)背景圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新處理。

其中，Ik(x，y)表示當(dāng)前幀圖像，Bk(x，y)表示當(dāng)前背景圖像，BK-1(x，y)表示上一幀背景圖像，更新率α取值范圍為0～1。一般地，當(dāng)α較大時(shí)，背景差分的結(jié)果更接近于幀間差分法，對(duì)背景的變化適應(yīng)較快；而當(dāng)α較小時(shí)，背景差分的結(jié)果更接近于傳統(tǒng)的背景差分法，更適合于探測(cè)運(yùn)動(dòng)速度較慢的物體。

2.2 背景圖像差分

動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是檢測(cè)當(dāng)前圖像與背景圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的差值，如差值大于設(shè)定閾值，則可判定該像素點(diǎn)屬于動(dòng)目標(biāo)，否則為背景。檢測(cè)量取灰度值，計(jì)算公式如下。

其中，M(x，y)為動(dòng)目標(biāo)像素點(diǎn)的集合，I(x，y)表示當(dāng)前圖像中像素點(diǎn)的灰度值，B(x，y)表示背景圖像中對(duì)應(yīng)位置像素點(diǎn)的灰度值，T為閾值，要由實(shí)驗(yàn)獲得可行數(shù)據(jù)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)是以SAA7113H提供的視頻場(chǎng)信號(hào)作為時(shí)統(tǒng)參考進(jìn)行處理，按照上述的背景更新和圖像差分的算法基礎(chǔ)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，基本步驟如下：首先建立背景模型，使用背景差分法獲得動(dòng)目標(biāo)二值像，進(jìn)行目標(biāo)像的形態(tài)學(xué)處理，然后提取出動(dòng)目標(biāo)的各項(xiàng)特征參數(shù)進(jìn)行排序、匹配，利用多場(chǎng)信息的置信度決策，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤和信息獲取。

動(dòng)目標(biāo)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示。

3 結(jié)束語

本文采用了TMS320C6455高速DSP和FPGA、SA7113H等器件實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)裝置，測(cè)試結(jié)果證明該裝置能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行有效檢測(cè)，實(shí)時(shí)性好，集成度高，處理平臺(tái)更新?lián)Q代能力強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于各種成像監(jiān)控、跟蹤和預(yù)警領(lǐng)域。

作者：魯冬 河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院   來源：《電子設(shè)計(jì)工程》2011年第6期