基于VPX架構的目標跟蹤系統設計

王 倩,李志國,王 華,顧 鑫,費智婷

(中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心,北京 100076)

·光電技術與系統·

基于VPX架構的目標跟蹤系統設計

王 倩,李志國,王 華,顧 鑫,費智婷

(中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心,北京 100076)

設計了一種目標跟蹤系統,該系統利用立體沙盤模擬復雜地面環(huán)境,通過紅外和可見光傳感器采集圖像數據,利用紅外圖像傳感器來檢測目標,在檢測到目標的基礎上,利用可見光傳感器來跟蹤目標。目標跟蹤采用粒子濾波算法實現,為了實現對目標的穩(wěn)定跟蹤,結合紅外傳感器的檢測結果和可見光圖像的跟蹤結果對目標模板的更新。該圖像處理算法在以VPX為設計架構、FPGA+DSP為核心的高速嵌入式圖像處理平臺實現,最終生成目標坐標偏差來控制伺服云臺的轉動,使其保持在視場的中心,并輸出目標跟蹤圖像,實現對目標的跟蹤。

目標跟蹤;紅外/可見光成像;圖像處理;VPX架構

1 引 言

在復雜多變的現代化電子戰(zhàn)爭中,地面運動目標跟蹤在實戰(zhàn)中具有至關重要的作用?，F代作戰(zhàn)要求對運動目標進行快速、準確地搜索、跟蹤,以引導武器對目標實施攻擊,這就必須具備“高靈敏、多功能、自適應”的目標跟蹤系統。另一方面,伴隨著電子技術特別是數字信號處理技術、超大規(guī)模集成數字電路技術、計算機技術和通信技術的高速發(fā)展,使得原來很多受到硬件條件限制的復雜處理算法可以完成工程實現。

本系統利用立體沙盤模擬復雜地面環(huán)境,采用可見光/紅外雙模成像體制作為信息源,以基于VPX架構的一體化設備為信息處理平臺,構建基于FPGA+DSP的目標指示軟件運行載體,結合目標識別、定位技術,完成復雜背景下的目標檢測、識別、定位的跟蹤系統。

2 動目標圖像的特點

由于實際環(huán)境中目標運動和圖像數據的復雜性,給運動目標的檢測和跟蹤增加了困難。目標的運動軌跡、運動速度、目標顏色與背景顏色的相似度,背景的穩(wěn)定程度等因素都會影響運動目標檢測和跟蹤的準確性、穩(wěn)定性。影響目標跟蹤系統性能的因素有:

(1)光線的變化:場景中亮度的變化將會導致背景圖像也發(fā)生變化,很難將這些變化與圖像中由于前景目標導致的變化加以區(qū)分。

(2)背景的變動:若背景中的某些景物增加或移動并且持續(xù)了一段時間,背景模型都需要及時更新。

(3)目標的調整:前景目標的運動會導致不同的目標在背景中頻繁出入,因此難以分辨背景和前景目標,增加了目標跟蹤的難度。

(4)數據量大:一幅中等分辨率的視頻圖像的數據量大約為1MB,乘以每秒鐘的播放幀數,則一秒鐘的數據量約為幾十MB。

考慮到以上影響目標跟蹤的因素,在設計目標跟蹤系統時,應充分考慮該系統可能面臨的各種復雜環(huán)境,同時硬件架構的設計要便于軟件算法的移植。

3 系統總體設計

3.1 系統組成

目標跟蹤系統示意圖如圖1所示,主要由模擬沙盤、伺服云臺、紅外傳感器、可見光傳感器、一體化圖像處理平臺組成。

圖1 目標跟蹤系統示意圖

沙盤用于模擬真實的地面環(huán)境,為保證地面環(huán)境的復雜性,沙盤包括河流、沙漠、草地、樓宇、樹木等靜態(tài)元素,動目標為按70∶1縮放的普通在軌電車,可以以0.02～0.1 m/s的速度在沙盤中循環(huán)穿梭。

一體化圖像處理平臺上電工作后,通過外部接口接收紅外傳感器和可見光傳感器采集的圖像數據,分別進行紅外圖像的目標檢測、可見光的目標檢測和跟蹤,并提取兩類圖像數據進行協同跟蹤,獲得目標坐標偏差,根據協議生成控制指令,并將控制指令通過485接口輸出至伺服云臺,云臺根據控制指令移動并進行角度調整,保證紅外成像器和可見光成像器追蹤在軌電車,使其處于視場的中央。

3.2 一體化圖像處理平臺

一體化圖像處理平臺是該系統的重要組成部分,只有處理平臺具備極快的反應速度,才能及時地識別目標、快速精確地捕獲和跟蹤目標,實現有效的防御和攻擊。

本系統中的一體化圖像處理平臺采用了VPX架構進行設計,平臺示意圖如圖2所示[1]。平臺機箱采用加固導冷結構,可適應30 G/11 ms的沖擊環(huán)境,支持串行高速通信協議。機箱后部安裝背板,作為內插板間的數據通路。機箱前部安裝前面板,放置了RS422、1553B、LVDS、網口的電連接器和工作指示燈。圖中可見的卡槽為內插板的槽位,插入標準3U尺寸的電源板、主控板和兩塊圖像處理板。

圖2 一體化圖像處理平臺示意圖

a)電源板

電源板設計遵循VITA46標準,通過背板的P0接插件為機箱內的其他功能板提供工作電壓,其中5 V的功率最高可達115 W,12 V最高可達384 W,高功率允許子卡集成更多的功能,也避免了多電源帶來的電磁兼容等問題。

b)圖像處理板

一體化圖像處理平臺中插入兩塊設計一致的圖像處理板,分別對紅外圖像和可見光圖像數據進行處理。

圖像處理板接收傳感器的視頻信號,并對每幀圖像進行處理,由于圖像處理的數據量大、任務重,故以FPGA+DSP為核心搭建。選用 XILINX公司V5系列XC5VSX95T-1FF1136 FPGA和TI的DSP芯片TMS320C6678。其中FPGA完成圖像數據預處理和接口控制,DSP完成圖像檢測跟蹤算法[2]。

如圖3所示,圖像處理板包括FPGA芯片、DSP芯片、視頻編解碼器、SDRAM和FLASH等。由傳感器輸入的模擬視頻信號經SAF7113采樣后,轉換為包含亮度和色度的YCbCr 4∶2∶2格式數據,經FPGA預處理后發(fā)送至DSP,TMS320C6678運行圖像處理算法,處理結束后,兩路數字圖像數據通過背板的P1/P2節(jié)點發(fā)送至主控板。

圖3 圖像處理板電路框圖

c)主控板

主控板作為處理平臺的核心,選用PPC+FPGA作為主處理芯片,采用VxWorks操作系統對其他板卡的溫度、功率進行監(jiān)管,并負責對外數據的收發(fā)以及整機工作狀態(tài)的顯示。在該系統中,主控板接收處理后的紅外圖像數據和可見光圖像數據,并進行特征融合,生成被檢測目標的位置偏差和控制指令,將該控制指令通過前面板的485接口發(fā)往伺服云臺,調整傳感器的位置和角度；同時輸出鎖定目標的圖像信號。

d)背板

由于功能板少于5塊,因此將背板設計為物理直連型拓撲結構即可實現所有板卡的全互聯,板間的通信協議為串行SRIO協議,單路數據傳輸速率為3.125 Gbps,保證了板間高速數據的可靠傳輸。

采用VPX的一體化圖像處理平臺遵循VITA46標準,將傳統處理器設計采用的板卡疊摞式結構改為插拔式,而其加固性能又遠優(yōu)于同類的CPCI平臺,可適應各類飛行器嚴苛的環(huán)境指標,且支持如PCI-E、以太網協議等多種串行通信協議,極大地提升了系統的數據傳輸、處理能力,可并行、快速地完成復雜圖像處理算法。

3.2 圖像處理軟件

圖像處理軟件包括紅外目標檢測、可見光目標跟蹤和雙模協同跟蹤三個部分,其基本流程如圖4所示。

圖4 目標檢測跟蹤算法總體流程框圖

a)紅外目標檢測

紅外目標檢測包括圖像分割、二值圖像連通域標記、目標粗檢和幀間軌跡關聯。

紅外圖像的分割以目標區(qū)域亮度高于局部背景亮度為前提,若該像素的亮度值高于它的支持窗口平均亮度值,則該像素為前景,否則為背景像素,該分割方式性能比較穩(wěn)定,易于硬件實現[3]。

標記操作需對二值圖像從左向右、從上向下進行逐像素的掃描。檢查當前像素與之前掃描到的若干個近鄰像素的連通性。假如當前正被掃描像素的灰度值為1,則將它標記為與之相連通的目標像素,如果它與兩個或多個目標相連通,則可以認為這些目標實際上是一個,并把它們連接起來；如果發(fā)現了從為0的像素到一個孤立的為1的像素的過渡,就賦一個新的目標標記。

b)可見光目標跟蹤

可見光跟蹤采用粒子濾波算法,定義貝葉斯跟蹤中目標狀態(tài)如下[4]:

xk=fk(xk-1,εk)

(1)

其中，xk是目標在k時刻的狀態(tài)向量,目標的狀態(tài)遞歸估計如下:

zk=hk(xk,ek)

(2)

其中，zk是狀態(tài)xk的觀測值,假設過程噪聲εk和觀測噪聲ek獨立同分布。

(3)

采用顏色直方圖作為目標的觀測信息,對目標進行跟蹤。

c)雙模協同跟蹤

可見光在跟蹤過程中一個重要問題就是目標模板htar的更新,由于遮擋、光照變化等現象,目標的初始模板圖不能適應目標形狀及環(huán)境的變化,為了應對這一問題,該系統每隔20幀將可見光跟蹤的結果與紅外傳感器檢測的結果進行比對,如果兩者的位置信息相差小于3個像素,則認為此時對目標的跟蹤是穩(wěn)定,此時將目標的模板圖更新如下[5]:

因此對目標的模板直方圖htar更新如下:

(4)

其中，β是更新率；η是閾值；dis是可見光跟蹤結果與紅外檢測結果之間的距離,上式可以有效地避免模板的錯誤更新,大量實驗驗證表明：β=0.2且η=3是較好的選擇。

4 實驗結果

為驗證系統功能,對該系統進行了實驗,實驗沙盤高度約20cm；云臺對地高度2.5m；可見光傳感器分辨率768×576,紅外傳感器的工作波段為8～14μm,云臺調整角度為俯仰面0°～90°、水平面±360°。在軌電車以0.5m/s的移動速度運行,伺服平臺的水平旋轉速度為10°/s,垂直旋轉速度為4.5°/s。

圖像處理平臺首先不加載圖像處理算法,直接輸出的沙盤的可見光圖像,然后運行可見光與紅外檢測追蹤算法,觀測追蹤結果。

圖5為未進行圖像處理的沙盤可見光圖像,在軌電車位于視場的左下角,未對待檢測目標進行追蹤。

圖5 未處理的的沙盤可見光圖像

圖6和圖7為圖像處理算法運行后輸出的可見光與紅外圖像,由圖可見電車處于沙盤的不同位置時都基本保持在視場的中央,且對電車的當前位置加以標記。

圖6 處理后的沙盤可見光圖像

圖7 處理后的沙盤紅外圖像

在該實驗中,可見光與紅外復合跟蹤系統可以實現對在軌電車的準確檢測與穩(wěn)定跟蹤,目標首次檢測識別時間小于2s,目標跟蹤信息更新頻率可達到25Hz,目標失鎖后再檢測時間小于1s,滿足動態(tài)跟蹤的精度要求。

為驗證系統與單圖像處理平臺性能對比,將檢測算法在單塊圖像處理板進行了實現,單板先后進行可見光與紅外檢測,在進行目標跟蹤生成坐標偏差,相較于系統的并行計算,單板處理速度較低,會出現重捕延遲，其實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

由以上試驗結果可知,相較于單圖像處理板,VPX系統對算法的處理能力更強,能穩(wěn)定跟蹤復雜環(huán)境中的地面動目標。

5 結 論

本文設計了一種目標跟蹤系統,介紹了其系統組成結構和圖像處理算法,并進行了模擬實驗。實驗結果表明該系統能有效捕獲、追蹤被檢測目標。

該系統采用的多模復合技術,融合了紅外與可見光兩種數據源,增強了動目標跟蹤的抗干擾能力,提高了指示精度；一體化圖像處理平臺采用了導冷體制的VPX架構,使硬件具備小型化、可重構的優(yōu)點,適合安裝于環(huán)境指標嚴苛的飛行器或武器平臺中。

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Design of target tracking system based on VPX

WANG Qian,LI Zhi-guo,WANG Hua,GU Xin,FEI Zhi-ting

(China Academy of Launch Vehicle Technology Research and Development Center,Beijing 100076,China)

In this paper,a target tracking system is designed.The system simulated a complex ground environment by utilizing a sand table and adopted infrared and visible sensor to collect image data,and then the target is detected by infrared image sensor and the target is tracked by visible sensor.Particle filter algorithm is used to realize target tracking.To realize the stable track,target template is updated according to tracking results of two kings of sensors.The image processing algorithm is realized through image processing platform based on VPX and FGPA+DSP.The rotation of servo is controlled by target coordinate deviation,and the target is kept in the center of viewing field,which realized the target tracking.

target tracking;infrared/visible imaging;image processing;VPX

王 倩(1983-)，女，碩士，工程師，主要研究方向為信號與信息處理。E-mail：aoranqian@163.com

2014-11-19;

2014-12-20

1001-5078(2015)07-0839-05

TN29

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.023