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基于DSP的运动目标自动跟踪系统的设计与实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于DSP的运动目标自动跟踪系统的设计与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含光电子技术与信息OptoelectronicTechnologyInformationFeb()基于DSP的运动目标自动跟踪系统的设计与实现罗志强王符等。

光电子技术与信息OptoelectronicTechnologyInformationFeb()基于DSP的运动目标自动跟踪系统的设计与实现罗志强王耀南(湖南大学电气与信息工程学院湖南长沙)摘要:为了使视觉监控系统具有自主能力设计了一种基于嵌入式高速DSP处理器Blackfin的运动目标自动跟踪系统。文中分别介绍了系统的硬件和软件设计。该系统运用差分图像法通过阈值图像分割来检测运动目标并采用形心跟踪算法来自动跟踪目标。实验结果表明该系统取得了较好的跟踪效果。关键词:目标检测Blackfin形心跟踪差分图像图像分割中图分类号:TNl.文献标识码:A文献编号:()gnandImplementatIoTanrgetofanBaSeAutdom。natDicstPrackingsystem。fngTargetBasedonDSPLUOZhiqiangWANGYaonan(CollegeofElectricalandInformationEngineeringHunanUniversity,ChangshaChina)Abstract:InordertomakethevisionsurveillancesystemtohaveautonomousfunotionanautomatictrackingsystemofmotiontargetbasedonembeddedhighspeedDSPprocessorBlackfinWaSdesigned.Thesystem’ShardwareandsoftwaredesignWaSintroducedseparately.Thissystemdetectedmotiontargetusingdifferenceimagemethodthroughthresholdimagesegmentationthenautomaticallytrackedtargetbyusingcentroidtrackingalgorithm.Theexperimentalresultshowsthatthesystemhasbetterperformance.Keywords:targetdetectionBlackfincentroidtrackingdifferenceimageimagesegmentation引言利用图像传感器获得目标图像信息来实现对目标自动跟踪的研究越来越受到重视。电视摄像机的主要用途之一就是保安监视。由于目前的监控系统使用的方法是事后查看录像带或硬盘研究当时发生的情况是一种被动的监控方式所以人们迫切需要研究开发具有一定自主能力(如变化检测、报警、目标跟踪等)的高级保安系统引辅助人们完成日益复杂的保安检测工作。在各种自动跟踪算法【。】中差分图像算法具有算法简单、准确度高的优点易于实时处理。在视频跟踪中为了能够在有限的时间(如ms时间)内实现大量的运算处理则需要采取一些提高运算速度的措施。采用更高性能的数字信号处理器则是一条很重要的措施。高速DSP器件Blackfin的引入不仅会极大收稿日期:修改日期:地提高视频图像处理的速度也将使算法的选择更为灵活和多样化。加之该系列器件功能强大的外存接口以及可以实现背景操作的DMA通道等将使整个系统的结构更简单体积和功耗更小实用化水平也必然随之提高。BlackfinDSP的特点【bJ作为一种尖端的信号处理技术BlackfinDSP体系结构不仅特别适合于完成视频、图像、音频、语音和数据通信的数字信号处理同时还提供综合的控制能力。BF是AD公司的最新产品。AD公司用三个新的处理器fADSPBF、ADSPBF、ADSPBF)扩充了Blackfin处理器系列。这些新产品在保留他们容易使用和代码兼容的好处时提供了比以前的Blackfin处理器更高的性能和更低的功耗。这三个处理器管脚完全兼容唯一的不同是他维普资讯http:wwwcqvipcom光电子技术与信息OptoelectronicTechnology&InformationFeb:()们的性能和片上存储器减少了用新产品开发的许多风险。ADSPBF是Blackfin处理器家族性能较高的芯片。它把MHz/MMACs的CPU性能与.Mbits的高速LSRAI、和专为多媒体应用而优化的一套外设结合起来。它的支持ITUR视频格式的集成PPI(parallelperipheralinterface)和支持IS格式的高速串行端口大大地简化了像宽带家庭网关、安全监控系统、具备视觉功能的汽车安全系统等多媒体设备的设计。系统的硬件设计系统主要由CCD摄像机、高速数字云台、视频A/D转换、图像帧存储器、DSP处理控制器、视频复合及D/A转换、报警模块等部分构成。硬件系统框图如图。视频A/D转换的作用是将模拟视频信号转换成数字量。SDRAM图像帧存储区可以按照一定的时间周期存储图像数据。DSP处理控制部分的作用是负责整个系统功能模块的总体规划和调度包括实时监控图像采集数据进行运算处理并实现对高速数字云台的驱动控制以及报警声发生电路的控制等。视频复合及D/A转换的作用是将视频信号与工作状态字符、报警标记、报警次数等字符叠加起来同时转换成模拟视频信号供监视器显示。报警电路的作用是当有活动目标进入视场或进入设定的警戒区域中时由DSP处理器控制发出报警的声响。图基于DSP的运动目标自动跟踪硬件系统框图Fig.HardwareblockdiagramofamotiontargetautomatictrackingsystembasedonDSP系统的软件算法设计运动目标的检测与跟踪在许多领域都有着广泛的应用它是应用视觉研究的焦点之一也是我们这个系统的核心所在。我们采用了一种基于差分图像的运动目标检测算法检测结果是符号化的图像其中运动目标由其外接矩形表示而后通过计算目标的形心坐标与图像中心的偏差来控制云台和摄像机动作使目标显示在中央进而达到运动目标的跟踪。系统的软件结构图如图所示。.目标的检测算法我们研究的对象是在实时监控系统中突然出现在特定背景下的运动人体。可预先假定:)摄像头与背景的位置相对固定背景在图像序列中静止不动)场景中照明保持不变。差图像法的思想是直接比较背景图像与有运动物体进入背景的图像之间对应像素点的灰度值当两幅图像对应点的灰度之差大于某个阈值时说明有变化存在否则说明没有变化存在。用数学公式表示为D')=jl(训)一/(xy)l>Tf】~【other一式中fl()()分别为背景图像和有物体进入背景时的图像D(x)为在点()的二值图像为阈值。产生变化的原因可能是场景中物体运动、物体进入或离开场景、场景中照明变化或有噪声。为了克服照明变化和噪声的影响我们采用相邻帧差维普资讯http:wwwcqvipcom光电子技术与信息OptoelectronicTechnology&InformationFeb()法。差图像法的思想和算法均很简单具有广泛的应用。其中阈值是在分割时作为区分物体与背景像素的门限大干或等于阈值的像素属于物体而其它属于背景。这种方法对于在物体与背景之间存在明显差别(对比)的景物分割十分有效。实际上在任何实际应用的图像处理系统中都要用到阈值化技术。为了有效地分割物体与背景人们发展了各种各样的阈值处理技术包括全局阈值、自适应阈值、最佳阈值等等。图系统的软件结构图Fig.Softwarestructurechartofthesystem图像的分割阈值可以根据灰度直方图采用峰值一谷值法获得也可以对图像邻域取平均获得。我们统计差分图像的灰度直方图把分别对应目标和背景的两个峰值的中点的灰度值作为阈值。其中将图像分割成矩形的算法如下:()初始化:left=监视区域的右边界right=监视区域的左边界()自上而下(Y)从左到右(z)逐行扫描图像点(z)若发现从它开始连续若干个点属于变化(目标)区域时记top=Y否则转()()从该目标点向左找到目标的左边界点若<left则left=再以同样方式向右找到右边界点若>right则right=()计算中点:下z=(eftright)/并下移一列Y:Y得点(Y)。若该点属于目标点转()否则记bottom=Y一得到一个新目标若目标面积小于允许的最小值舍弃之转()()将新目标与目标队列中其它目标区域比较如彼此距离在合并的范围(如个像素)内则将该目标并入相应目标否则加入目标队列转()()将目标队列中彼此距离在允许合并范围内的区域合并得到最后的目标队列。只有连续发生改变的误差数据才能反映是面状物体进入监视区域因此对非连续发生改变的误差数据应予以滤除以减低系统的误报率。由上面的算法来看它能有效地剔除干扰降低误报率.目标的跟踪定位目标跟踪定位就是确定目标在当前视场中的位置然后计算偏离中心的程度。用偏移量通过BF的UART来控制云台的动作以保证目标在视场的中央。一般图像处理系统对目标定位、跟踪时确定目标位置的方法可分为两类即波门和相关跟踪算法。波门跟踪是利用电子选通门(波门)选取视场中某部分图像为目标图像由于用硬件来设计波门电路增加了硬件的复杂度所以我们采用图像分割方法来确定跟踪窗口然后用边缘或形心跟踪等跟踪算法确定目标位置。相关跟踪则是将场景图像数字化后利用现场图像与前一时刻所选定的样板图像的相关函数来确定两个图像的最佳匹配位置从而确定目标的位置。相关跟踪比波门跟踪能利用更多的图像信息可用来跟踪相当小的目标和在复杂背景条件下实现跟踪是目前较先进的一种跟踪技术。由于相关跟踪的计算量很大、较复杂所以我们初步设计采用波门跟踪算法。波门跟踪算法可分为两种即边缘跟踪和形心跟踪。()边缘跟踪。可选目标边缘点(上、下、左、右之中的一个)作为跟踪点并使波门套住此点以抑制背景或目标的其余部分。边缘跟踪主要是利用目标与背景交界处亮度(即信号幅度)有明显变化用微分方法即可得到目标位置信息。边缘跟踪比较简单但它很容易受干扰所以精度较低。()形心跟踪。数字信号处理器对跟踪窗内的数字图像处理得到一阈值根据该阈值再从跟踪窗内的数字图像中分割出目标像元。然后根据分割出的全体目标像元位置数据和目标像元的总点数计算出目标的形心由该形心数据得到下一场波门的跟踪数据目标的形心相对于视场中心的位置数据则作为目标的偏差数据。形心计算公式为维普资讯http:wwwcqvipcom光电于技术与信息pt()lectr。IlicTeclmology&InforntationFei()fl(xg((g(删)值化后的图像南于边缘跟踪算法易受干扰、精度较低所以)我们采用形心跟踪实验结果式中"、是跟踪窗口的大小尺寸g(x”)是二图背景图像FigBa~:kgr(mndimage总结系统中我们只处理每帧图像的奇场图像图像大小为xxbit由于BF的主频高达MHz、每秒执行MMAC(乘加运算)所以每秒可处理帧图像。图给出差分图像法的实验结果图片大小都按比例缩小图前景图像Fig.Foregroundimage本文设计了一种以BF为核心处理器的运动目标自动跟踪系统采用了差分图像法来检测运动目标用形心跟踪算法来跟踪定位运动目标该系统具有体积小、速度快实时性好等优点.该系统能有效地检测目标并自动跟踪目标。具有很好的应用前景.参考文献】汤霞清.同启埠谢志宏.视频图像实时处理器的设计装甲兵工程学院学报t():~图差分图像FigDifferenceimage】艾海舟吕风军.面向视觉监视的变化检测与分割J】.计算机工程与应用():~】冯月霞.基于DSP的视频图像目标快速识别与跟踪系统设计【D西安中国科学院西安光学精密机械研究所部立.自动跟踪算法的研究fJ计算机技术与直用():~.王栓.艾海舟何克忠.基于差分图像的多运动目标的检测与跟踪J.中国图形图像学报..():~陈峰.Blackfin系列DSP原理与系统设计『M北京:电子工业出版社..I~AnalogDevicesPreliminaryTechnicalDataADSPBFl/BF/BF【z】..作者简介:罗志强(g).男.河南开封^研究生研究领域为图像信息处理.智能控制与模式识别DSP应用与开发等维普资讯http:ww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