摘 要:為獲得實(shí)時(shí)跟蹤能力，提出一種新的基于Matrox Odyssey圖像采集處理板卡的電視跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成系統(tǒng)的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)圖像采集卡采集視頻，使用板卡開(kāi)發(fā)庫(kù)中提供的圖像處理算法函數(shù)進(jìn)行編程，完成對(duì)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理。系統(tǒng)實(shí)際使用中表現(xiàn)出了良好的性能。

關(guān)鍵詞:Matrox Odyssey;電視跟蹤;捕獲;跟蹤

中圖分類(lèi)號(hào):TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)04-032-03

Application of Image Card in TV-tracking System

MA Junfeng，LI Jie，YANG Xiaojun

(China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009，China)

Abstract:In order to obtain real-time tracking capability，a novel TV tracking system scheme based on Matrox Odyssey image card is put forward，the hardware and software are implemented.The system captures video by image card，uses the image processing functions provided by Matrox Odyssey Native Library(ONL)to program，it achieves real-time capturing and processing of the video signal.The system works well in use.

Keywords:Matrox Odyssey;TV-tracking;capture;tracking

0 引 言

電視跟蹤系統(tǒng)作為靶場(chǎng)一種新的對(duì)地跟蹤測(cè)量設(shè)備，可完成復(fù)雜背景下對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤測(cè)任務(wù)。加拿大Matrox公司的Odyssey XA視頻處理卡集成四路模擬輸入通道，采集速率高達(dá)640 MB/s;集成了Motorola公司的G4 PowerPC微處理器，與傳統(tǒng)的 ASIC 聯(lián)合，具有超過(guò) 130 BOPS的強(qiáng)大運(yùn)算能力;配以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)包Matrox Imaging Library(MIL)，Matrox OdysseyNative Library(ONL)和Matrox Odyssey Developer’s Tookit(DTK)，使得該型視頻處理器成為高性能的圖像處理卡[1]。本論文利用Matrox Odyssey XA實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜背景下機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。

1 電視跟蹤系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

該電視跟蹤系統(tǒng)采用先進(jìn)的Matrox Odyssey圖像處理卡，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)在硬件上分五個(gè)功能能模塊:電視跟蹤計(jì)算機(jī)、圖像采集處理板卡、雙口RAM通信卡、I/O卡以及視頻輸出接口組成，系統(tǒng)與外部設(shè)備接口關(guān)系[2]，如圖1所示。

圖像處理板卡采用Matrox Odessy XA。后者給開(kāi)發(fā)者提供了有關(guān)應(yīng)用程序接口(APIs)和編程模塊。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者能夠用MIL或Matrox Odyssey Native Library實(shí)現(xiàn)卡上編程。MIL是一個(gè)程序庫(kù)，運(yùn)行于上層計(jì)算機(jī)平臺(tái)。具有圖像采集，分析，顯示和存儲(chǔ)方面等豐富的功能。包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)、濾波、形態(tài)學(xué)、幾何變換、FFT、幾何和基于灰度相關(guān)模式的識(shí)別、粒子分析、測(cè)量、OCR、條形碼和矩陣碼的識(shí)別，校準(zhǔn)和JPEG/JPEG2000圖像壓縮。ONL則是適于在卡運(yùn)行的一個(gè)程序庫(kù)，包括形心及邊緣提取、基于灰度相關(guān)模式識(shí)別，粒子分析和JPEG壓縮等功能。Matrox Odyssey XA的硬件結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)與外設(shè)接口關(guān)系框圖

系統(tǒng)中通過(guò)雙口RAM卡交換脫靶量數(shù)據(jù)等目標(biāo)信息及角度、焦距等轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)。

I/O卡則用于采集主控面板設(shè)置的按鍵指令和50 Hz外同步信號(hào)。視頻輸出接口通過(guò)顯卡直接在用戶(hù)界面上顯示目標(biāo)及背景圖像、波門(mén)以及十字絲。

在有多個(gè)實(shí)時(shí)程序同步運(yùn)行并且與用戶(hù)進(jìn)行交互的情況下，系統(tǒng)同步極為重要。因此，配置統(tǒng)一的同步時(shí)鐘，對(duì)于系統(tǒng)調(diào)試來(lái)可以起到事半功倍的效果。為了分析具體到某幀圖像處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，設(shè)置場(chǎng)標(biāo)記信息并實(shí)時(shí)傳遞，根據(jù)對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證可以很方

便地判斷伺服系統(tǒng)和視頻處理系統(tǒng)之間同步故障位置。

圖2 Matrox Odyssey XA的硬件結(jié)構(gòu)圖

2 電視跟蹤系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

電視捕獲跟蹤系統(tǒng)軟件部分主要包括預(yù)處理、全視場(chǎng)捕獲、形心跟蹤、邊緣跟蹤、相關(guān)跟蹤五大模塊。預(yù)處理模塊用來(lái)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪，處于各個(gè)功能模塊的最前端。之后轉(zhuǎn)入全視場(chǎng)捕獲模塊，讀入視頻數(shù)據(jù)，完成在全視場(chǎng)中搜索目標(biāo);確定符合預(yù)設(shè)條件的目標(biāo)后終止尋找，給出脫靶量和波門(mén)尺寸及位置等信息[3]。

形心跟蹤根據(jù)上述波門(mén)尺寸及位置對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算目標(biāo)形心位置并作為脫靶量輸出，完成形心跟蹤功能;邊緣跟蹤用于目標(biāo)的邊緣點(diǎn)識(shí)別，相關(guān)跟蹤模塊則用于計(jì)算目標(biāo)的相關(guān)匹配最大點(diǎn)并輸出相應(yīng)的脫靶量。

對(duì)于Matrox Odyssey XA視頻處理卡的開(kāi)發(fā)環(huán)境而言，上述五個(gè)視頻處理部分可以充分利用板卡提供的函數(shù)庫(kù)(這里所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主要采用ONL庫(kù))中的函數(shù)進(jìn)行編程。該系統(tǒng)主要使用的開(kāi)發(fā)模塊包括:應(yīng)用、系統(tǒng)、線程控制模塊，用于程序的系統(tǒng)管理;Blob分析模塊，主要用于預(yù)處理; 模式匹配模塊，完成主要的跟蹤計(jì)算;同步模塊，用于跟蹤計(jì)算與圖像采集的同步。

自動(dòng)跟蹤時(shí)，系統(tǒng)首先啟用全視場(chǎng)捕獲算法，當(dāng)視場(chǎng)中的目標(biāo)一旦被捕獲，就轉(zhuǎn)入波門(mén)跟蹤，波門(mén)跟蹤可以采取形心跟蹤、質(zhì)心跟蹤、邊緣跟蹤或相關(guān)跟蹤算法。波門(mén)跟蹤過(guò)程中，系統(tǒng)針對(duì)需求只讀取需要部分的數(shù)據(jù)(波門(mén)內(nèi)數(shù)據(jù))進(jìn)行局域自適應(yīng)閾值分割、提取目標(biāo)和計(jì)算脫靶量，這樣可以抑制圖像背景的干擾減少計(jì)算量。系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際所要捕獲跟蹤的目標(biāo)和背景的特性，對(duì)捕獲和跟蹤算法進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)[4]。

由于該系統(tǒng)主要針對(duì)復(fù)雜背景運(yùn)動(dòng)較慢的目標(biāo)，而相關(guān)跟蹤方式更適合于對(duì)這種目標(biāo)的跟蹤，因此在對(duì)各種跟蹤方式的改進(jìn)中，突出對(duì)相關(guān)跟蹤方式進(jìn)行改進(jìn)，并采用了實(shí)時(shí)更新模版、增加模板的尺寸和樣本密度、預(yù)測(cè)波門(mén)位置以及序貫相似性檢測(cè)算法等方法用于提高相關(guān)跟蹤的性能，在跟蹤過(guò)程中，用戶(hù)可隨時(shí)通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊目標(biāo)修改當(dāng)前模版，提高了人工的可干預(yù)性。自動(dòng)跟蹤軟件流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)跟蹤軟件流程圖

在系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該款視頻處理板卡與顯卡存在兼容性問(wèn)題。Matrox Odc顯示監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)視頻處理板卡與顯卡間的直接數(shù)據(jù)傳輸，而這種情況在視頻處理板卡與顯卡間的兼容性不夠好的情況下，會(huì)影響圖像處理進(jìn)程，導(dǎo)致計(jì)算延遲增加而圖像仍然繼續(xù)進(jìn)行采集，從而使得在一幀圖像計(jì)算完成時(shí)下一幀圖像已經(jīng)采集完成，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一幀延遲而下一幀計(jì)算迅速完成的情況，導(dǎo)致與主控計(jì)算機(jī)之間失去同步。為了改變這一情況，不用Matrox Odc進(jìn)行圖像顯示，而是使用在沒(méi)幀計(jì)算完成后將圖像載入到內(nèi)存然后通過(guò)跟蹤軟件繪制圖像，從而避免了視頻處理卡與顯卡之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，較好地解決了這一問(wèn)題。

在調(diào)試過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)視頻處理板卡與顯卡間硬件沖突的現(xiàn)象，因此建議在以后采用這種方式開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)首先對(duì)硬件之間的兼容性進(jìn)行測(cè)試。

在調(diào)試中，由于通過(guò)I/O卡讀寫(xiě)雙口RAM的操作順序問(wèn)題導(dǎo)致了通信不正常的情況。由于程序要反復(fù)對(duì)雙口RAM進(jìn)行讀寫(xiě)，在一輪寫(xiě)操作結(jié)束后，I/O卡上的地址端口上保持最后一次寫(xiě)操作的地址，到下次寫(xiě)操作開(kāi)始時(shí)，如果先使能雙口RAM的寫(xiě)操作，后寫(xiě)地址，則在寫(xiě)操作使能后會(huì)導(dǎo)致在上一輪寫(xiě)操作的最后一個(gè)地址單元立即被寫(xiě)入當(dāng)前數(shù)據(jù)端口上的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀寫(xiě)錯(cuò)誤。如果先寫(xiě)地址，再進(jìn)行寫(xiě)使能，則可以避免這種現(xiàn)象，而規(guī)范的操作就應(yīng)當(dāng)如此。因此，嚴(yán)格遵守板卡的讀/寫(xiě)操作規(guī)范，即使對(duì)于自行研發(fā)的板卡，也應(yīng)根據(jù)其邏輯規(guī)則制定相應(yīng)的規(guī)范。

這里所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)每秒50場(chǎng)的跟蹤計(jì)算，可以完成地面背景下對(duì)較慢運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤測(cè)量任務(wù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

Matrox Odessy XA視頻處理卡功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，并且其配套軟件封裝了大量經(jīng)過(guò)優(yōu)化的算法供開(kāi)發(fā)人員使用，因此研發(fā)效率高，研發(fā)成本低。這無(wú)疑是選擇已有的視頻處理卡進(jìn)行開(kāi)發(fā)的主要原因。然而，由于板卡自身限制，計(jì)算必須以幀為單位，即計(jì)算必須等到一幀圖像采集完成才能夠進(jìn)行，從而系統(tǒng)始終存在兩場(chǎng)延遲;而此前自行開(kāi)發(fā)的電視跟蹤器，則可以以一行圖像為單位進(jìn)行計(jì)算，即每采集完一行圖像即進(jìn)行計(jì)算，而在場(chǎng)消隱區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算并輸出脫靶量，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)場(chǎng)輸出脫靶量，延遲僅有一場(chǎng)。當(dāng)然，以行為單位進(jìn)行計(jì)算僅限于比較簡(jiǎn)單的計(jì)算，對(duì)于較為復(fù)雜的相關(guān)計(jì)算則不適合，因此也存在其局限性。

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