耿 磊

（中國船舶重工集團有限公司第七一七研究所華之洋科技有限公司 湖北·武漢 430073）

0 引言

高速目標(biāo)跟蹤技術(shù)要應(yīng)用于智能視頻監(jiān)控、軍事研究、人機交互、機器人視覺導(dǎo)航、智能交通等應(yīng)用場景。為了更好的適應(yīng)如今實際場景對高效、長時間、快速反應(yīng)等的要求，機器視覺對目標(biāo)物體的高速追蹤監(jiān)控能力被提了出來。本文主要對單一移動物體的快速跟蹤并對其同步圖像進行顯示做出研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)通過CMOS傳感器收集圖像信息，經(jīng)過FPGA實時處理，同步跟蹤并傳輸顯示攝像視頻畫面。其中主要有攝像模塊、存儲BRAM模塊、色彩格式轉(zhuǎn)換模塊、色彩檢測模塊、坐標(biāo)計算、VGA顯示和舵機控制模塊等。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 FPGA模塊

Artix 7平臺屬于 28nm 工藝，搭載的是XC7A35TCPG236，擁有5200個slice資源，相當(dāng)于33280個邏輯單元，容量為1800Kbits的RAM塊，5個時鐘管理單元，每個單元帶有一個鎖相環(huán)（PLL），90個DSPSlices，內(nèi)部時鐘速率超過450MHz，一個片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(XADC)。

1.2 攝像模塊

攝像部分應(yīng)用的是OV7725模塊，OV7725芯片內(nèi)置圖像處理單元，速度60fps，外部通過SCCB接口控制芯片的曝光調(diào)整、白平衡、色彩飽和度調(diào)節(jié)以及gamma調(diào)整等，OV7725的紅、綠、藍三基色通道用同一個十位AD，工作頻率12MHz。廣泛應(yīng)用于數(shù)字視頻系統(tǒng)、高分辨率的彩色圖片圖像處理、視頻信號再現(xiàn)等,因此,能夠滿足我們的應(yīng)用需求。

1.3 云臺舵機模塊

云臺舵機共分為水平方向和豎直方向各一個，共同組成一個二自由度平臺。平臺兩個舵機分別對應(yīng)屏幕的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的修正控制，用以接收應(yīng)對坐標(biāo)的調(diào)整，以達到對攝像模塊水平和豎直方向的運動動作需求。

本平臺舵機采用的是四線舵機，型號為FB5317M，每個舵機包含電源線、地線、PWM控制信號線和一根舵機位置角度反饋線。舵機采取6V電源供電，靜態(tài)電流為5mA，空載電流達到150mA，堵轉(zhuǎn)電流最高為1500mA，空載速度可達0.2sec/60o,完全能夠達到攝像跟蹤目標(biāo)物的需求。

2 FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計

2.1 攝像頭驅(qū)動模塊

首先實現(xiàn)SCCB協(xié)議驅(qū)動OV7725的攝像芯片，圖像采集后，由于QVGA時序與VGA時序存在差距，所以對于實時VGA顯示功能不能直接把攝像模塊的數(shù)據(jù)直接接入VGA，需要通過將采集數(shù)據(jù)存儲后，再讀取，于是我們把每幀畫面像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存于BRAM中。

圖2：系統(tǒng)測試圖

2.2 色彩轉(zhuǎn)化及處理模塊

BRAM中圖像的格式為RGB，由于本次研究中使用的目標(biāo)物體為單一色塊，色彩比較穩(wěn)定，因此檢測方案以色彩為主，故HSV格式更加契合。HSV格式把圖像的飽和度、色調(diào)和亮度屬性分離。我們采取了調(diào)用低延遲的除法器實現(xiàn)顏色飽和度分量和色調(diào)色彩分量之間的快速計算，從而能夠在現(xiàn)有的硬件和算法優(yōu)化下達到預(yù)期的RGB和HSV的高速轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)在識別之前，需要通過學(xué)習(xí)，記住目標(biāo)色彩特征，然后再在攝像區(qū)域?qū)ふ遗c目標(biāo)物體的HSV分量相似高的像素，最終通過過濾和標(biāo)注，獲取相近像素點的坐標(biāo)進行求平均計算，計算結(jié)果作為最終舵機模塊對于攝像區(qū)域修正的依據(jù)，以及控制舵機運動的參數(shù)值。

2.3 舵機控制模塊

舵機控制模塊主要分舵機反饋信號處理與舵機控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)PWM波組成。舵機的實時位置通過電壓形式反饋接入xadc模塊，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將舵機反饋的位置坐標(biāo)與來自色彩轉(zhuǎn)換得來的目標(biāo)物體中心坐標(biāo)對比，計算出差值，分解為x和y坐標(biāo)值控制信號輸出，輸入到后續(xù)的PWM發(fā)生模塊，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)PWM波輸出，以驅(qū)動云臺跟蹤目標(biāo)。

2.4 VGA驅(qū)動模塊

要把存儲器里的圖像在VGA顯示器中顯示,掃描時序是需要VGA驅(qū)動模塊產(chǎn)生的。將存儲在BRAM中的圖像像素數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換器生成R、G、B三原色信號和行、場同步信號，然后通過VGA接口傳輸給顯示設(shè)備所需的模擬信號。本系統(tǒng)從緩存中讀出的圖像大小為640×480,掃描頻率60 Hz。

3 系統(tǒng)測試及分析

該系統(tǒng)依照如下步驟進行測試：

第一步：準(zhǔn)備工作，將系統(tǒng)各模塊連接并接上電源；

第二步：調(diào)整攝像焦距與連接檢查，通過VGA顯示畫面，查看狀態(tài)，畫面是否模糊，是否存在雪花等噪音。若畫面模糊，通過手動將攝像模塊的焦距調(diào)整到合適情況；

第三步：目標(biāo)學(xué)習(xí)，生成系統(tǒng)記憶，把目標(biāo)物放入屏幕畫面中心黃色框內(nèi)，按下學(xué)習(xí)按鈕，提取目標(biāo)物像素。然后將撥動撥碼開關(guān)，此時系統(tǒng)進入對目標(biāo)物跟蹤狀態(tài)；

第四步：進行目標(biāo)跟蹤實驗，記錄延時信息；

第五步：系統(tǒng)清除記憶像素，重復(fù)設(shè)定。

圖2為系統(tǒng)測試圖，目標(biāo)物體的特征像素采集后，屏幕中繪畫出紅色十字架，十字架中心焦點即為目標(biāo)物體像素中心坐標(biāo)點，同時把目標(biāo)物體像素標(biāo)綠顯示。測試結(jié)果良好，畫面清晰，跟蹤穩(wěn)定，達到了設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一個對單一目標(biāo)物體的快速跟蹤系統(tǒng)，并能夠同步把目標(biāo)圖像進行VGA顯示。在跟蹤狀態(tài)下，能適應(yīng)目標(biāo)物體速度的變化，實時性好、圖像顯示清晰，達到了預(yù)期要求，有很強的實用性和推廣性。