圖1  嵌入式運動目標智能跟蹤系統(tǒng)功能圖

摘    要：本文針對視頻監(jiān)控領(lǐng)域中對運動目標的檢測與跟蹤，設(shè)計了一種以雙DSP為核心處理器的嵌入式實時控制方案，并闡述了系統(tǒng)的硬、軟件結(jié)構(gòu)，以低成本成功實現(xiàn)了集實時視頻處理、云臺運動控制、攝像機自動調(diào)節(jié)于一體的智能視頻跟蹤系統(tǒng)。實踐證明，系統(tǒng)工作性能良好。
關(guān)鍵詞：雙DSP；嵌入式實時系統(tǒng)；檢測與跟蹤；差分圖像

引言
隨著DSP芯片集成度、運算速度、數(shù)據(jù)吞吐率等性能的不斷提高，DSP不再局限于傳統(tǒng)視頻處理、離線信號處理等方面的應(yīng)用,它已被廣泛地應(yīng)用于許多實時視頻處理和傳輸領(lǐng)域。本文設(shè)計了一種以ADSP-BF533為核心處理器，集視頻處理、云臺運動控制、攝像機自動調(diào)節(jié)于一體的嵌入式實時控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小，靈活性高，易于升級，可應(yīng)用于無人值守的智能監(jiān)控系統(tǒng)，如銀行，金庫，倉庫等重地。當發(fā)現(xiàn)異常情況出現(xiàn)時，該系統(tǒng)能夠自動報警或采取其它相應(yīng)的措施，從而更有效、可靠地實現(xiàn)了安全防范，同時也在很大程度上減少了監(jiān)視人員的工作量和疲勞度，大大提高了工作效率。

圖2  嵌入式運動目標智能跟蹤硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3  嵌入式運動目標智能跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)
如圖1所示，嵌入式運動目標智能跟蹤系統(tǒng)的基本功能為：系統(tǒng)采用高速DSP實現(xiàn)圖像信號的實時采集，經(jīng)過圖像預處理模塊實現(xiàn)對數(shù)字圖像的復原、增強，然后分別發(fā)送給自動控制模塊、運動目標檢測模塊、運動估計模塊等。各功能模塊對圖像進行處理后，通過現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)自動向解碼器發(fā)出控制指令，驅(qū)動對應(yīng)云臺、攝像機作相應(yīng)動作。當然系統(tǒng)也可以通過手動控制模塊接收從監(jiān)控中心發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，直接控制攝像機、云臺動作。
如圖2所示，嵌入式運動目標智能跟蹤硬件系統(tǒng)主要由 CCD 攝像機、高速數(shù)字云臺、視頻 ADC、圖像幀存儲器、DSP處理控制器、視頻合成及DAC、報警模塊等部分構(gòu)成。視頻 ADC的作用是通過視頻解碼芯片將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成標準的數(shù)字視頻信號；幀存儲器可以按照一定的時間周期存儲圖像數(shù)據(jù)；視頻合成及DAC的作用是將視頻信號與工作狀態(tài)字符、報警標記、報警次數(shù)等字符疊加起來，同時轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號，供監(jiān)視器顯示；報警電路的作用是當有活動目標進入視場或進入設(shè)定的警戒區(qū)域時，通知DSP處理器啟動報警裝置。其核心DSP處理控制部分由兩塊DSP芯片組成，一塊負責圖像的實時采集,運動目標跟蹤算法的處理，實現(xiàn)對高速數(shù)字云臺的驅(qū)動控制以及報警發(fā)生電路的控制等；另一塊負責視頻合成和編碼輸出。

圖4 PAL制式下ITU-656 YUV 4 : 2 : 2數(shù)據(jù)流格式描述

圖5 嵌入式運動目標智能跟蹤軟件設(shè)計框圖

圖6   對單目標運動物體的跟蹤

系統(tǒng)的硬件設(shè)計和實現(xiàn)
整個系統(tǒng)的設(shè)計如圖3所示,下面將從DSP核心處理器、視頻處理通道、幀存儲器、一體化球型攝像機控制等幾個方面進行闡述。
DSP核心處理器
系統(tǒng)采用了ADI公司最新推出的BLACKFIN DSP，主頻可以達到750MHz，它是基于ADI公司與Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號結(jié)構(gòu)(MSA)，外部存儲器接口可以和SDRAM、FLASH、異步RAM實現(xiàn)無縫連接。PPI接口可以和視頻解碼器、編碼器實現(xiàn)無縫連接，加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 除通用I/O、實時時鐘和定時器外，所有其他的外設(shè)都有獨立的DMA通道，片內(nèi)還有一個獨立的存儲器DMA通道，專用于在DSP的不同存儲空間進行數(shù)據(jù)傳輸，包括外部的SDRAM和異步存儲器。片內(nèi)總線能以133MHz的速度運行，提供了足夠的帶寬以保證處理器內(nèi)核的速度能夠與片內(nèi)和片外外設(shè)匹配，特別適合于圖像處理。
系統(tǒng)使用ADSP-BF533 (DSP(1))和ADSP-BF531(DSP(2))組成核心處理部分。750MHz的DSP(1)通過PPI接口的DMA通道進行實時圖像采集，實現(xiàn)運動目標的跟蹤算法，然后通過UART接口對一體化球型攝像機進行控制。同時使用通用I/O口模擬I2C總線，對視頻解碼芯片SAA7113H和視頻編碼芯片SAA7185B進行初始化設(shè)置和控制。400MHz的DSP(2)通過PPI接口，將視頻合成后的圖像采用DMA的方式編碼輸出。
視頻處理通道
如圖3所示，模擬視頻信號(CVBS)通過SAA7113H芯片進行視頻解碼，輸出標準的ITU 656 YUV 4 : 2 : 2 視頻流(8-bit)，然后通過DSP(1)的PPI接口，由其DMA通道0，傳送到幀存儲器中。DSP(1)處理完的數(shù)據(jù)經(jīng)SPORT接口傳送到DSP(2)的幀存儲器中，由其DMA通道0，通過PPI接口送至SAA7185B，輸出標準的模擬視頻信號。因為PPI接口可以實現(xiàn)與視頻編、解碼器的無縫連接，所以簡化了視頻同步和鎖相控制電路的硬件設(shè)計，同時還大大加強了系統(tǒng)的可靠性。通過PPI _CONFIG控制寄存器還可以進行數(shù)據(jù)過濾，選擇感興趣的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中濾掉了同步控制字符，保留了有效視頻數(shù)據(jù)，節(jié)省了幀存儲器存儲空間。如圖4所示，每行中的前288個字節(jié)同步控制字符可以被過濾掉，只保留有效視頻數(shù)據(jù)。DSP(1)的PPI接口工作在ITU 656下的輸入模式，DSP(2)的PPI接口工作在ITU 656下的輸出模式。
幀存儲器及系統(tǒng)啟動
ADSP-BF53X支持的最高系統(tǒng)時鐘頻率SCLK為133MHz，所以系統(tǒng)采用MICRON的MT48LC16M16A2(SDRAM PC133 32MB)作為幀存儲器，其結(jié)構(gòu)為4Meg×16×4Banks，可以與DSP(1)，DSP(2)的EBIU實現(xiàn)無縫連接。
由于DSP(1)片內(nèi)沒有程序存儲器，系統(tǒng)必須從片外引導。本系統(tǒng)采用的是從SPI接口的EEPROM引導方式，所選用的EEPROM是ATMEL的AT25HP512(64KB)。
一體化球型攝像機控制
系統(tǒng)采用的是一體化智能球形攝像機，可實現(xiàn)水平自由度為 360°的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，垂直自由度為0~90°的旋轉(zhuǎn)，水平、垂直自由度運動速度0.5°~160°/s可控，攝像機的光圈和焦距可控，直接通過RS-485總線對其進行控制。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)采用了一種基于差分圖像的運動目標檢測算法，檢測結(jié)果是符號化的圖像，其中運動目標由其外接矩形表示，通過計算目標的形心坐標與圖像中心的偏差來控制云臺和攝像機轉(zhuǎn)動，使目標顯示在圖像的中央，進而達到對運動目標的跟蹤。
如圖5所示，DSP(1)對波門內(nèi)的數(shù)字圖像處理得到一閾值，根據(jù)該閾值再從波門內(nèi)的數(shù)字圖像中分割出目標象元。然后根據(jù)分割出的全部目標象元的位置數(shù)據(jù)和目標象元的總點數(shù)，計算出目標的形心。該形心數(shù)據(jù)作為下一場波門的跟蹤數(shù)據(jù)，目標的形心相對于視場中心的位置數(shù)據(jù)作為目標的偏差數(shù)據(jù)，對一體化球型攝像機進行控制。

實驗結(jié)果和結(jié)論
整個系統(tǒng)使用VISUAL DSP++ 3.5進行開發(fā)，用EZ_ICE 通過JTAG接口在開發(fā)目標板上進行仿真調(diào)試，現(xiàn)已脫機運行。當圖像分辨力設(shè)定為384×288時，跟蹤算法處理速度為10幀/s。當攝像機與跟蹤目標的距離>2.5m，目標運動速度不高于1m/s時，能對目標進行有效跟蹤。圖6是在背景較為簡單的情況下，實現(xiàn)對單目標運動物體跟蹤的實驗圖片。系統(tǒng)采用的是雙DSP結(jié)構(gòu)，DSP(2)只承擔了視頻的復合和編碼工作，在運算負荷和端口資源還有很大的裕量，下一步工作將在DSP(2)上進行MPEG-4壓縮編碼和傳輸。