基于DM642的全景多目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉歆瀏+田瑞娟+蔣飛+周建平

摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控和智能預(yù)警，設(shè)計(jì)了一套以DM642為核心的全景多目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面分析了系統(tǒng)和算法的構(gòu)建、實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。針對(duì)該系統(tǒng)復(fù)雜的功能和架構(gòu)，詳細(xì)分析其工作流程，采用了基于DSP/BIOS的框架搭建，并且設(shè)計(jì)和采用基于能量累計(jì)的背景建模和基于SIFT的圖像匹配等關(guān)鍵圖像處理算法。并最終通過系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵字： DM642； DSP/BIOS； 多目標(biāo)檢測(cè)； 背景建模； SIFT

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）16?0123?04

Design and implementation of panorama multi?target detection system based on DM642

LIU Xin?liu1， TIAN Rui?juan1， JIANG Fei2， ZHOU Jian?ping1

（1. Department of Armament Products， No. 58 Research Institute of China Ordnance Industry， Mianyang 621000， China；

2. Equipment Research Institute of Chinese Peoples Armed Police Forces， Beijing 100000， China）

Abstract： To achieve omni directional monitoring and intelligent warning， a DM642?based panorama multi?target detection system was designed. The construction， achievement and optimization of the system and algorithm are analyzed in the aspects of hardware design and software design. A detail analysis of the systems operation flaw is done in allusion to complex functions and architecture. The framework is built by DSP/BIOS. The background modeling based on energy accumulation and critical image processing algorithm based on SIFT are applied. Finally， the feasibility was verified by the system debugging.

Keywords： DM642； DSP/BIOS； multi?target detection； background modeling； SIFT

基于視頻的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤在軍事武器、機(jī)器人導(dǎo)航、智能監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，它是一種融合了圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、自動(dòng)控制等多領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。全景視頻是對(duì)單攝像機(jī)視頻的擴(kuò)展，它綜合應(yīng)用圖像配準(zhǔn)、圖像融合技術(shù)，無縫拼接生成的更大的視場(chǎng)范圍。傳統(tǒng)的智能視頻分析系統(tǒng)[1?2]包括X86體系設(shè)計(jì)和嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)兩種架構(gòu)?；赬86體系的安防系統(tǒng)維護(hù)成本高、功耗體積大，并且實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，使用范圍限制大?；谇度胧狡脚_(tái)的設(shè)計(jì)是當(dāng)今智能監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。但現(xiàn)有的嵌入式視頻分析系統(tǒng)，單個(gè)設(shè)備大多數(shù)都只是針對(duì)單路視頻的分析處理[3]，同時(shí)只能完成某一個(gè)智能分析功能。這樣不僅使用成本高，而且功能非常單一，工程化的局限性非常大。本文以TI公司的TMS320DM642為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了全景多目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)三路視頻的采集，實(shí)時(shí)拼接輸出更大視場(chǎng)范圍的全景視頻；同時(shí)對(duì)全景視頻進(jìn)行了不間斷的多目標(biāo)智能檢測(cè)、識(shí)別和追蹤，以及虛擬警戒區(qū)域的預(yù)警。本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，對(duì)該智能視頻分析系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

1 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)是以TMS320DM642[4]為核心硬件構(gòu)成的，配合豐富的輔助硬件設(shè)備，完整地形成了一套具有實(shí)效性的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全景的覆蓋監(jiān)控，以及對(duì)多目標(biāo)的搜索捕獲以及鎖定跟蹤。主要由三路視頻輸入、DM642處理器、視頻編解碼模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、電源轉(zhuǎn)換電路等組成，如圖1所示。

三路標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)通過CVBS接口接入系統(tǒng)[5]，由三個(gè)獨(dú)立視頻解碼芯片分別進(jìn)行采集，編碼器選擇了Ti的TVP5150，分別由DM642的Video PortVP0A，VP1A，VP2A）進(jìn)行采集。完成處理的實(shí)時(shí)全景通過SAA7121芯片進(jìn)行D/A后輸出。

DM642作為系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)了整個(gè)智能視頻系統(tǒng)的三路的視頻捕獲，全景圖像的拼接和輸出，威脅目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤，預(yù)警規(guī)則的設(shè)置等核心功能。同時(shí)，它與串口芯片TL16C752相連，通過串口與外部進(jìn)行通信；與FLASH和SDRAM相連，用于外部存儲(chǔ)功能的擴(kuò)展及程序的保存和燒寫。

圖1 硬件組成圖

為實(shí)現(xiàn)全景拼接顯示，視頻輸入選擇為光軸近似相交于一點(diǎn)、環(huán)形均布的3個(gè)高清晰低照度攝像機(jī)組成，如圖2所示。每一個(gè)攝像機(jī)的視場(chǎng)角為60°，相鄰的攝像機(jī)有10%的視場(chǎng)交叉，這樣3個(gè)相機(jī)以55°的夾角進(jìn)行安裝，用于進(jìn)行拼接和融合的公共參考區(qū)域。3個(gè)相機(jī)將共同生成大于150°的超大視場(chǎng)。

圖2 安裝示意圖

2 系統(tǒng)軟件

2.1 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)的軟件內(nèi)嵌于DSP內(nèi)部的嵌入式軟件。系統(tǒng)在完成了對(duì)DSP內(nèi)部接口、EMIF模式、存儲(chǔ)空間以及串口、網(wǎng)口和VIDEO PORT等的初始化后。分成兩條流程運(yùn)行。一條流程用于串口數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)接收外部的通信數(shù)據(jù)，發(fā)送預(yù)警信息和目標(biāo)信息；另一條流程接收三路圖像信息，進(jìn)行視頻圖像采集、處理和輸出。根據(jù)視頻數(shù)據(jù)更新的速度，該線程40 ms循環(huán)運(yùn)行。工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖

在圖像處理的這條流程中，包含了兩個(gè)并行處理的子線程，一條是對(duì)三路視頻進(jìn)行對(duì)拼接、融合，色差調(diào)整和裁剪整合；另一條用于對(duì)三路視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤。最后將捕獲的多目標(biāo)在全景視頻里面進(jìn)行標(biāo)定顯示。

2.2 DSP/BIOS框架搭建

從系統(tǒng)組成可以看出，本系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)、多算法，同時(shí)處理多路視頻的復(fù)雜軟件系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的DSP軟件設(shè)計(jì)，是基于main函數(shù)的無限循環(huán)、中斷處理這一順序框架來構(gòu)建的。這樣的架構(gòu)在處理復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)容易被阻塞，使得整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不能滿足需求，并且無法準(zhǔn)確掌握處理器的運(yùn)行狀態(tài)。為了解決這些問題，本系統(tǒng)采用DSP/BIOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行軟件的框架搭建。DSP/BIOS是TI公司為DSP開發(fā)的一套用于實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)[6]。它本身占用極少的CPU資源，提供豐富的面向用戶的API，用于編寫各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行效率高的應(yīng)用軟件， 并提高調(diào)試效率。并且針對(duì)RTOS開發(fā)提供對(duì)象的創(chuàng)建和刪除、多線程服務(wù)、線程之間的通信。在DSP/BIOS下系統(tǒng)軟件框架如圖4所示。

本軟件框架包含4個(gè)任務(wù)[7]（tasks），其中TSKcapture，TSKparanorma，TSKdisplay負(fù)責(zé)核心流程任務(wù)，循環(huán)地實(shí)現(xiàn)了從底層驅(qū)動(dòng)獲取視頻圖像，視頻圖像的全景拼接以及視頻編碼轉(zhuǎn)換輸出顯示，優(yōu)先級(jí)最高。TSKcom承載了串口通信的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)最低。TSKmultiobj則是負(fù)責(zé)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤，優(yōu)先級(jí)居中。

圖4 軟件框架圖

TSKcapture線程在獲取到一幀圖像后，便將圖像BUFFER的指針隨同SCOM消息同時(shí)發(fā)送到TSKparanorma，TSKmultiobj線程的SCOM接收隊(duì)列。隨后，TSKcapture線程將由運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)為掛起態(tài)，等待來自TSKparanorma，TSKmultiobj線程的SCOM消息將其激活。TSKparanorma線程完成圖像處理后，將經(jīng)處理的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)核輸出所指向的buffer中，并且將這一指針隨同一個(gè)SCOM消息發(fā)送給TSKdisplay線程。TSKmultiobj線程通過郵箱MBX以及信號(hào)燈SEM與TSKparanorma線程以及TSKcom進(jìn)行通信，接收外部對(duì)此線程的控制命令以及目標(biāo)疊加信息和預(yù)警信息的輸出。

2.3 圖像處理算法設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，多目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤線程TSKmultiobj和全景拼接融合TSKparanorma是圖像處理的核心模塊。在考慮到系統(tǒng)的功能和實(shí)時(shí)性的技術(shù)要求，以及針對(duì)DM642的運(yùn)算能力算法優(yōu)化考慮，這是一路極其復(fù)雜的軟件架構(gòu)。兩個(gè)模塊采用的是并行處理模式，并且每個(gè)模塊也是同時(shí)對(duì)三路視頻進(jìn)行處理。它們的算法流程設(shè)計(jì)如圖5所示。多目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤模塊中的三路視頻都采用了完全相同的算法，圖5（a）為單路視頻的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤算法流程，圖5（b）為全景拼接融合的算法模塊。

整個(gè)系統(tǒng)功能包含了圖像處理的多個(gè)算法，并有機(jī)的結(jié)合組成。其中涉及的圖像算法包括：背景建模和更新、多目標(biāo)提取[8]、目標(biāo)跟蹤、虛擬警戒判定、圖像匹配、圖像融合、圖像標(biāo)定定位以及色差自動(dòng)調(diào)平等算法。其中背景建模和更新、圖像匹配是其中的難點(diǎn)和關(guān)鍵。為建立穩(wěn)定而且準(zhǔn)確的背景模型，同時(shí)形成一套背景更新體系[9]，筆者建立了基于能量累計(jì)的雙模型架構(gòu)的背景建模法。此方法的核心就是在背景建模中融入幀間差分的能量累計(jì)，建立背景模型和能量累計(jì)模型，將能量累計(jì)與背景進(jìn)行直接對(duì)應(yīng)。當(dāng)累計(jì)值觸發(fā)質(zhì)變的閾值，該像素點(diǎn)的背景將進(jìn)行建立和更新。

公式如下：

[Ex，y，t=Ex，y，t-1+1，F(xiàn)x，y，t-Fx，y，t-1>θ0， Fx，y，t-Fx，y，t-1≤θBx，y，t=Bx，y，t，Ex，y，t>σFx，y，t，Ex，y，t≤σ]

式中：E為能量模型；B為背景模型；F為當(dāng)前圖像。[θ]和[σ]為背景更新的兩個(gè)閾值，[θ]代表背景變化的劇烈程度，[σ]為背景更新周期的快慢。

圖5 算法流程圖

通過實(shí)際工程檢驗(yàn)，這種背景算法高效簡(jiǎn)便，滿足三路視頻并行處理的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)能夠迅速感應(yīng)背景變化進(jìn)行更新。由于相機(jī)光學(xué)構(gòu)造和整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固定偏差，無法將光軸完全于相交一點(diǎn)。在進(jìn)行全景圖像拼接時(shí)，三路視頻的匹配區(qū)域會(huì)由于成像距離的不同產(chǎn)生變化。這就需要兩兩圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，找到準(zhǔn)確的匹配區(qū)域。本系統(tǒng)采用了尺度不變特征變換方法（SIFT）算法[10]，針對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配。

首先使用高斯差分函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理：

[Dx，y，σ=Gx，y，kσ-Gx，y，σ*Ix，y =Lx，y，kσ-Lx，y，σ]

通過該算子，取這些高斯差分圖像中的局部極值，得到尺度空間域上的圖像特征點(diǎn)。然后形成包括位置、尺度、方向等信息的特征向量。最后對(duì)特征向量進(jìn)行匹配完成該算法。在本系統(tǒng)中，由于攝像機(jī)固定安裝，所以最后將匹配區(qū)域最大范圍縮小，極大地提高了算法的執(zhí)行效率。

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)最后針對(duì)場(chǎng)景形成了一套完整的全景智能監(jiān)控系統(tǒng)。3組攝像機(jī)拼接成了一幅全景視頻，對(duì)監(jiān)控區(qū)域形成了全覆蓋，同時(shí)在攝像機(jī)之間的交界處沒有明顯的圖像差異和色差。在圖6中，通過跟蹤波門的顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)的鎖定和跟蹤。兩個(gè)紅色的區(qū)域是通過串口所設(shè)置的兩個(gè)虛擬警戒區(qū)，當(dāng)入侵目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域，則會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

圖6 顯示效果圖

4 結(jié) 論

本文針對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)存在諸多不足，提出了基于DM642的全景多目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，解決了包括智能預(yù)警、全視場(chǎng)覆蓋、多目標(biāo)跟蹤等多個(gè)技術(shù)難題，并且通過工程化的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。并且架構(gòu)清晰、可靠性高、誤報(bào)率低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[10] 杜京義，胡益民，劉宇程.基于區(qū)域分塊的SIFT圖像匹配技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（8）：52?58.

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)最后針對(duì)場(chǎng)景形成了一套完整的全景智能監(jiān)控系統(tǒng)。3組攝像機(jī)拼接成了一幅全景視頻，對(duì)監(jiān)控區(qū)域形成了全覆蓋，同時(shí)在攝像機(jī)之間的交界處沒有明顯的圖像差異和色差。在圖6中，通過跟蹤波門的顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)的鎖定和跟蹤。兩個(gè)紅色的區(qū)域是通過串口所設(shè)置的兩個(gè)虛擬警戒區(qū)，當(dāng)入侵目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域，則會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

圖6 顯示效果圖

4 結(jié) 論

本文針對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)存在諸多不足，提出了基于DM642的全景多目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，解決了包括智能預(yù)警、全視場(chǎng)覆蓋、多目標(biāo)跟蹤等多個(gè)技術(shù)難題，并且通過工程化的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。并且架構(gòu)清晰、可靠性高、誤報(bào)率低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)最后針對(duì)場(chǎng)景形成了一套完整的全景智能監(jiān)控系統(tǒng)。3組攝像機(jī)拼接成了一幅全景視頻，對(duì)監(jiān)控區(qū)域形成了全覆蓋，同時(shí)在攝像機(jī)之間的交界處沒有明顯的圖像差異和色差。在圖6中，通過跟蹤波門的顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)的鎖定和跟蹤。兩個(gè)紅色的區(qū)域是通過串口所設(shè)置的兩個(gè)虛擬警戒區(qū)，當(dāng)入侵目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域，則會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

圖6 顯示效果圖

4 結(jié) 論

本文針對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)存在諸多不足，提出了基于DM642的全景多目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，解決了包括智能預(yù)警、全視場(chǎng)覆蓋、多目標(biāo)跟蹤等多個(gè)技術(shù)難題，并且通過工程化的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。并且架構(gòu)清晰、可靠性高、誤報(bào)率低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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