双路视频图像跟踪器硬件设计

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　　摘要：本文阐述了双路视频图像跟踪器的硬件设计，以FPGA和DSP为核心，采用双路DSP交互通讯设计，实现了双路视频同时输入、同时跟踪的硬件平台，有利于跟踪算法和图像融合算法的实现及扩展。
　　关键词：跟踪器 图像采集 DSP FPGA
　　
　　
　　引言
　　 随着电子技术及图像处理技术的飞速发展，图像跟踪器的研究取得了丰硕的成果，并在武器装备及民用领域得到越来越广泛的应用。图像跟踪器的主要功能是采集视频图像，通过跟踪运算，计算出场景中被跟踪目标的位置信息。本图像跟踪器设计实现了双路视频信号的同时输入、同时跟踪、同时输出以及与上位机、传感器、伺服控制组件的通讯功能和输出图像的信息叠加功能。
　　图像跟踪器硬件总体设计
　　 图像跟踪器接收来自可见光摄像机和红外摄像机的标准模拟视频信号，经视频信
　　号采集，将两路模拟视频信号同时转换为数
　　
　　字视频信号，由FPGA完成双路数字图像采集及图像预处理，存入相应的存储器。图像跟踪器电路采用双DSP策略，图像跟踪器接收到上位机跟踪指令后，一片DSP负责可见光视频的跟踪运算，另一片DSP负责红外视频的跟踪运算，计算出被跟踪目标位置，输出目标区偏离视场中心的误差信号到伺服控制组件，驱动伺服机构跟踪目标，最终实现目标实时跟踪。同时，图像跟踪器将含有系统信息的数字视频图像传输给视频图像输出电路，经视频编码器，转换为模拟信号输出给监视器显示。图1给出了图像跟踪器的工作原理图。
　　
　　
　　图像跟踪器模块设计
　　 图像跟踪器硬件电路采用了DSP+FPGA的设计思路，使用两片TI公司生产的TMS320C64系列高性能DSP和Altera公司生产的Cyclone系列FPGA芯片，实现了单板结构的图像跟踪器设计，满足了双路视频同时跟踪同时输出的设计要求。图像跟踪器硬件设计主要分为视频信号采集模块、视频信号字符叠加及输出模块、通讯模块、跟踪算法实现模块四大部分。
　　视频信号采集模块硬件设计
　　 视频信号采集模块实现两路全电视视频信号的解码及数字视频信号的采集功能。视频解码芯片采用两片SAA7113芯片，实现对两路输入视频信号的解码，解码后的数字视频数据经FPGA控制，存入SRAM中，等待DSP读取进行跟踪运算。
　　 SAA7113芯片是由PHILIPS公司生产的高性能视频解码芯片， +3.3V供电，数字I/O接口可兼容+5V，外接24.576MHz晶体，内部具有锁相环（LLC），可输出27MHz的系统时钟，芯片具有上电自动复位功能，该芯片兼容PAL、NTSC、SECAM多种制式，可以自动检测场频适用的50或60Hz，可以在PAL、NTSC之间自动切换。可以通过I2C总线配置内部寄存器，对色度、亮度等的控制都是通过对相应寄存器改写不同的值。I2C总线由FPGA模拟实现， FPGA完成对SAA7113芯片的初始化，设置相应的寄存器参数，该芯片就可以正常工作。工作流程图见图2。
　　
　　
　　
　　 图2 视频信号采集模块
　　
　　视频信号字符叠加及输出模块硬件设计
　　 视频输出芯片采用PHILIPS公司生产的SAA7121视频编码芯片，该芯片采用+3.3V供电，数字I/O接口可兼容+5V，外接27MHz晶体，芯片具有上电自动复位功能。该芯片可以实现PAL或NTSC制式视频信号的编码功能。可以通过I2C总线配置内部寄存器，对色度、亮度等的控制都是通过对相应寄存器参数的修改得以实现。I2C总线由FPGA模拟实现， FPGA完成对SAA7121芯片的初始化，设置相应的寄存器参数，该芯片就可以正常工作。
　　 视频信号字符叠加及输出模块实现两路视频信号同时输出，并叠加系统工作状态、跟踪坐标等图形信息，工作流程见图3。
　　
　　
　　 图3 视频信号字符叠加及输出模块
　　
　　
　　通讯模块硬件设计
　　
　　
　　 通讯模块主要实现与上位机、可见光摄像机、红外摄像机、伺服控制组件的通讯功能，完成与这些组件的信息交互。接收上位机的指令，经过指令译码，将相应的命令转发给可见光摄像机、红外摄像机及伺服控制组件，同时接收这些组件的信息，转发给上位机或者DSP。通讯模块是整个跟踪器的通讯核心，采用FPGA为核心的NIOSII嵌入式开发，实现UART串口通讯，经通讯专用芯片转换为RS422格式，完成与各组件的通讯，工作流程见图4。完成对目标的稳定实时跟踪。同时两片DSP可以实时交换数据，为完成图像融合建立了硬件基础，硬件电路设计见图5。
　　
　　
　　 图4 通讯模块设计
　　跟踪算法实现模块硬件设计
　　 跟踪算法的实现由DSP完成，DSP采用TI公司生产的TMS320C64系列芯片，该芯片最高主频可达600MHz，处理能力可达4800MIPS，采用先进的超长指令核、L1/L2
　　片内存储器结构、两路外部存储器EMIF接口等多种先进技术。该设计采用两片DSP芯片并行处理两路视频信号，接收到上位机跟踪指令后，开始从SRAM图像缓存中读取图像数据，经过跟踪算法运算，计算出被跟踪目标的位置，然后将跟踪结果发送给FPGA，通过通讯模块转发给伺服控制组件，完成对目标的稳定实时跟踪。同时两片DSP可以实时交换数据，为完成图像融合建立了硬件基础，硬件电路设计见图5。
　　图5 跟踪算法实现模块硬件设计
　　结束语
　　 本文设计了以DSP+FPGA为核心的双路视频图像跟踪器，能同时处理两路视频图像，具有较强的硬件处理能力，为跟踪算法和图像融合算法的实现及扩展搭建了理想的硬件平台，能很好的应用于目标跟踪系统。
　　参考文献：
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　　[2] 赵雅兴.FPGA原理、设计与应用，天津.天津大学出版社.1999.
　　[3] 袁祁刚.基于FPGA+DSP的新型电视跟踪器.电视技术. 2008（12）.
　　[4] 严胜刚.基于DSP和FPGA水下目标主动跟踪系统硬件设计. 鱼雷技术.2009（01）.
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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