尹藝玲，李明璐

（西華大學機械工程學院，四川 成都610039）

0 引言

機器視覺中的一個重要研究方向是目標物體的跟蹤，目標物體的跟蹤技術(shù)廣泛應用于民用領域、軍工領域等，例如無人機飛行器的實時跟蹤、安防報警系統(tǒng)、海底探測、車輛跟蹤等等，可見目標跟蹤技術(shù)與我們的生活密不可分。

目標跟蹤對于系統(tǒng)的精度、實時性以及穩(wěn)定性要求很高，傳統(tǒng)的PC機、圖像處理器以及單片機等由于其串行處理方式、消耗大、成本高等方面的限制而無法滿足對目標的快速實時跟蹤。因此，為了提高目標跟蹤的精度、實時性以及其穩(wěn)定性，人們開始利用FPGA的并行處理、低功耗、成本低等特點來實現(xiàn)高速的目標跟蹤，并且越來越多的復雜圖像處理算法在FPGA上得以實現(xiàn)。比如COngyi Lyu等人所提出的High-speed Target Tracking base on FPGA采用的是一個基于Xilinx Zynq（FPGA+ARM）系統(tǒng)的圖像處理設備，他們通過攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)輸入FPGA然后將數(shù)據(jù)復制分為三個通道，三個處理通道分別完成幀差法處理、顏色轉(zhuǎn)換（RGB轉(zhuǎn)HSV）處理和邊緣檢測處理，最終將計算得到的目標點坐標傳入到ARM中進行舵機PWM控制，來實現(xiàn)目標的跟蹤[1]，再比如張凡輝等人所提出來的多發(fā)光目標的高速跟蹤，通過對采集到的多發(fā)光點的圖像數(shù)據(jù)進行開窗迭代算法來完成對多個目標的高速實時跟蹤[2]。他們采用不同的圖像處理算法與系統(tǒng)構(gòu)架實現(xiàn)了高速多目標跟蹤。本文提出一種基于FPGA的高速單光源定位跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足穩(wěn)定性、實時性、精準性的前提下，采用一種簡單的圖像處理以及控制算法來實現(xiàn)實時目標跟蹤。

1 系統(tǒng)設計

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，目前全球的FPGA市場主要為Xilinx和Altera，國內(nèi)FPGA在軍工航天領域，主要企業(yè)有紫光同創(chuàng)、復旦微電子、華微電子、中電科58所、航天772所等；在民品領域，主要企業(yè)包括廣東高云、上海安路等。

本次提出的系統(tǒng)高速單光源定位跟蹤系統(tǒng)由本團隊制作的PCB板、ov7676 CMOS攝像頭、雙自由度舵機云臺以及一個液晶顯示屏組成，本團隊自主研制的PCB板采用的主要芯片有Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C5T144C8N、海力士公司的SDRAM芯片HY57V256GTR以及VGA顯示芯片ADV7123。通過CMOS攝像頭采集圖像信息，將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA，利用FPGA完成圖像預處理操作、目標點坐標計算操作、圖像數(shù)據(jù)緩存、VGA顯示操作、PWM控制舵機操作等，以實現(xiàn)高速目標跟蹤。圖1為單光源定位跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2為系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。

圖1 單光源定位跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

2 圖像算法設計

在攝像頭采集到數(shù)據(jù)后傳入到FPGA，此時所得到的圖像數(shù)據(jù)為RGB色系，進行圖像處理時數(shù)據(jù)量過大，因而進行RGB顏色模型轉(zhuǎn)YUV顏色模型的處理，為簡便后續(xù)的圖像處理運算，然后采用中值濾波算法對圖像數(shù)據(jù)進行濾波，在一定程度上削弱噪聲。經(jīng)過初始的處理后將數(shù)據(jù)分為兩個通道，一個通道進行圖像數(shù)據(jù)的緩存顯示，一個通道進行實時的目標跟蹤計算。采用流水線的處理方式完成圖像的預處理，以加快圖像處理的過程。流水線的處理方式流程如圖3所示。

圖3 流水線式處理流程圖

2.1 R G B轉(zhuǎn)Y UV處理

將得到的RGB565圖像模型轉(zhuǎn)化為RGB888形式然后再轉(zhuǎn)化為YUV565形式。此處采用量化補償?shù)姆绞綄GB565轉(zhuǎn)為RGB888，其量化補償?shù)霓D(zhuǎn)化思想如下。

量化補償?shù)姆椒ǎ?/p>

將原數(shù)據(jù)填充至高位

對于低位，用原始數(shù)據(jù)的低位進行補償

如果仍然有未填充的位，繼續(xù)使用原始數(shù)據(jù)的低位進行循環(huán)補償

實際的補償實現(xiàn)操作如圖4 RGB565轉(zhuǎn)RGB888所示。

圖4 R G B565轉(zhuǎn)R G B888

2.2 質(zhì)心計算

要完成目標的跟蹤需要計算出目標物的質(zhì)心坐標，然后依據(jù)計算出來的坐標點，驅(qū)動云臺完成實時的快速跟蹤。

FPGA的除法計算需要花費較多時間，因此本系統(tǒng)采用了移位算法來替代除法，加快質(zhì)心坐標點計算的速度，以實現(xiàn)快速的目標跟蹤[3]。

3 圖像緩存

通過讀、寫異步FIFO，以及SDRAM的兩個BANK共同配合以實現(xiàn)乒乓操作，使讀寫操作分開，使數(shù)據(jù)傳輸更加流暢，完成目標跟蹤速度進一步提高，不會出現(xiàn)圖像幀卡頓的情況。圖像緩存處理的框圖如圖5所示。

圖5 圖像緩存處理框圖

4 實驗驗證

4.1 系統(tǒng)模型

根據(jù)上述的系統(tǒng)設計方案搭建系統(tǒng)模型，模型包括CMOSOV7670攝像頭，自主制作的FPGA電路板，雙自由度的舵機云臺，以及顯示屏，所搭建的系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)模型圖

4.2 實驗測試

首先完成實驗模型的搭建，利用手機的閃光燈作為目標單光源點，在較暗的環(huán)境下進行實驗測試。

打開手機的閃光燈開始進行系統(tǒng)測試，在已知屏幕寬度的情況下，根據(jù)記錄的目標光源從屏幕的最左邊移動到屏幕最右邊的時間，可在確定的跟蹤范圍內(nèi)計算出光源的移動速度。根據(jù)在相同的移動范圍內(nèi)，改變目標的移動速度，觀察系統(tǒng)的跟蹤情況以及效果，效果如圖7所示。

圖7 不同速度下系統(tǒng)的跟蹤情況

根據(jù)多次測試及計算，當以0～0.54 m/s移動目標，在移動過程中，包圍框?qū)崟r緊密包圍目標，圖像顯示流暢無卡頓的情況，同時云臺實時跟隨目標的移動，當以0.54 m/s～0.82 m/s移動目標，在移動過程中，包圍框依舊包圍目標，圖像流暢，云臺緊跟目標的移動，當以大于1.08 m/s移動目標，在移動過程中，部分包圍框能夠包圍住目標，云臺依然緊跟目標的移動。

根據(jù)實驗測試結(jié)果顯示，在目標光源點快速移動時，系統(tǒng)能完成快速的復雜圖像處理計算，達到快速、實時跟蹤目標的目的，同時系統(tǒng)模型能夠快速、簡單的在使用工作環(huán)境下搭建起來，也方便攜帶和轉(zhuǎn)移。本系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)的PC機完成實時目標跟蹤，解決了復雜圖形處理算法在傳統(tǒng)PC機上無法進行快速并行計算的問題以及其構(gòu)成的跟蹤系統(tǒng)體積龐大、不便攜帶和搭建的問題，為安防系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種簡單的實現(xiàn)方法，使過去龐大且復雜的安防設備變得簡單化，同時節(jié)約了其實現(xiàn)成本。

5 結(jié)語

本文研究了基于FPGA的高速實時單光源定位跟蹤系統(tǒng)，在滿足穩(wěn)定性、快速性、精準性的要求下，以較為簡單的方式完成了該系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用移位處理來等效除法運算，提高了系統(tǒng)運算的快速性，同時采用異步FIFO與SDRAM的兩個BANK來實現(xiàn)乒乓操作，讓數(shù)據(jù)傳輸更加流暢，使得系統(tǒng)能夠完成快速的目標定位追蹤與顯示。上述的測試結(jié)果，很好地顯示了本系統(tǒng)快速、穩(wěn)定、準確的目標跟蹤性能以及便于攜帶和搭建的特點。