基于軟硬協(xié)作決策的目標檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

紀輝進 凃玉珊 劉荷花

摘 要： 針對遠距離低信噪比條件下視覺傳感目標檢測困難的問題，設(shè)計并實現(xiàn)一種多傳感器下的基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以FPGA控制模塊作為核心模塊，主要用于傳感器圖像信息的采集、傳遞、存儲以及控制。利用鏈路口發(fā)送模塊對傳感器信號進行轉(zhuǎn)換和緩存。將USB設(shè)備作為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，主要負責(zé)整個系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)的傳輸。通過片內(nèi)存儲器對系統(tǒng)的程序及數(shù)據(jù)進行保存，有效實現(xiàn)目標檢測。軟件設(shè)計過程中，引入動態(tài)時空特性下的軟硬協(xié)作決策機制，并詳細分析，給出目標檢測的程序代碼，仿真實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可靠性和實用性。

關(guān)鍵詞： 多傳感器； 動態(tài)時空特性； 軟硬協(xié)作； 目標檢測

中圖分類號： TN98?34； F127 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0100?04

Design and implementation of target detection sensing system based on

soft and hard cooperative decision

JI Huijin1， TU Yushan2， LIU Hehua3

（1. College of Information Technology， Hubei Polytechnic Institute， Xiaogan，432200， China； 2. Xiaogan Branch of SINOPEC， Xiaogan 432200， China；

3. Department of Computer Science， Taiyuan University， Taiyuan 030032， China）

Abstract： Since it is difficult to detect the remote vision sensing targets under the condition of low SNR， a multi?sensor target detection system based on the hard and soft collaborative decision with dynamic time?space characteristic was designed and implemented. The FPGA control module is adopted as the core module of the system， which is mainly used for the sensor image information acquisition， transmission， storage， and control. The delivery module at link port is used for sensor signal conversion and cache. The USB devices serve as the basic ones of the whole system to take charge of signal data transmission of the entire system. The on?chip memory is used to store the program and data of the system to achieve target detection effectively. In the process of software design， the hard and soft collaborative decision?making mechanism under dynamic space?time characteristics was introduced. A detailed analysis and the program code for target detection are o given. The simulation results show that the proposed system has high reliability and practicability.

Keywords： multi?sensor； dynamic space?time characteristic； hard and soft collaboration； target detection

0 引 言

隨著科技的逐漸發(fā)展，有效實現(xiàn)目標檢測在監(jiān)視系統(tǒng)、交通監(jiān)管控制、識別和跟蹤等領(lǐng)域具有重要意義[1?3]。而傳感器節(jié)點在其微小的體積中可集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及無線通信等多種功能，可避免由于受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致目標檢測結(jié)果不準確[4?7]，成為相關(guān)學(xué)者研究的重點課題，受到越來越廣泛的關(guān)注[8?10]。本文主要研究多傳感器基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測系統(tǒng)，為有效實現(xiàn)目標檢測提供可靠的依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)整體包括FPGA控制模塊、鏈路口發(fā)送模塊、USB設(shè)備、片內(nèi)存儲器以及多傳感器基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 核心主控模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

控制模塊是本文系統(tǒng)的核心模塊，主要用于傳感器圖像信息的采集、傳遞、存儲以及控制。主要由傳感器信號、雙端口RAM、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、讀地址發(fā)生器、地址計數(shù)器、控制信號發(fā)生器以及顯示驅(qū)動組成，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了減少成本，采用EP1C6Q240C6，其屬于Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA，1.5 V內(nèi)核電壓供電，內(nèi)有92 117 b存儲區(qū)間，能夠給出兩個鎖相環(huán)和雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率的接口電路。其以240個引腳的FPQF封裝形式為170個用戶I/O引腳以及5 870個邏輯單元提供服務(wù)。最高能夠支持高達200 MHz的數(shù)據(jù)傳輸，同時支持壓縮配置碼流。

2.2 鏈路口發(fā)送模塊的設(shè)計

鏈路口發(fā)送模塊主要負責(zé)對傳感器信號進行轉(zhuǎn)換和緩存，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在FPGA傳輸數(shù)據(jù)的過程中，控制模塊將傳感器信號發(fā)送至鏈路口，同時開啟數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊以及FIFO數(shù)據(jù)緩存模塊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將從鏈路口發(fā)送過來的4位寬數(shù)據(jù)變成32位寬數(shù)據(jù)，同時緩存在FIFO中。每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量固定不變，主要取決于FIFO的深度。對于32 b×4 185的FIFO而言，每次FPGA接收完4 185個數(shù)據(jù)后，即對接收模塊進行“清零”處理，再重新進行下一批數(shù)據(jù)的接收。

2.3 接口設(shè)備的設(shè)計

USB設(shè)備是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)接口設(shè)備，主要負責(zé)整個系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)的傳輸。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

采用Cypress公司生產(chǎn)的EZ?USB FX2作為USB設(shè)備的芯片，其為世界上第一款集成USB 2.0的微處理器芯片，硬件資源充分。不僅如此，EZ?USB芯片應(yīng)用廣泛，開發(fā)也比較容易。

考慮到本文硬件系統(tǒng)設(shè)計指標，選擇控制傳輸模式作為芯片的工作方式。

2.4 片內(nèi)存儲器的設(shè)計

片內(nèi)存儲器主要負責(zé)對系統(tǒng)的程序及數(shù)據(jù)進行保存。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

片內(nèi)存儲器采用二級高速緩存結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的程序以及數(shù)據(jù)均具有獨立的高速緩存。二級存儲器被稱作L2，其為一個統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間，能夠?qū)崿F(xiàn)共享。由于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器沒有總線競爭以及訪問速度不匹配問題，因此DSP對片內(nèi)存儲器的訪問速度較高。為了充分利用片內(nèi)存儲器，將其設(shè)置成All SRAM 模式，從而增強訪問效率，緩解DSP數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 基于動態(tài)時空特性的理論模型

本文通過動態(tài)時空特性方法對目標進行檢測，首先將亮度值相減的結(jié)果和閾值進行比較，從而實現(xiàn)目標區(qū)域的檢測，檢測規(guī)則為：

[R（x，y）=0， In（x，y）-Bn（x，y）

式中：[In（x，y）]，[Bn（x，y）]分別用于描述當(dāng)前幀以及背景幀在點[（x，y）]處的亮度值；[T]用于描述閾值，最后可獲取僅含有目標的圖像。[T]值主要取決于外界環(huán)境。背景、光線的改變以及閾值的確定將導(dǎo)致檢測結(jié)果中某些屬于背景區(qū)域的像素點成為檢測目標。一般情況下，上述區(qū)域較小同時分布不連續(xù)，可通過3×3矩陣算子完成結(jié)果圖像[R（x，y）]的形態(tài)學(xué)處理，實現(xiàn)誤檢目標區(qū)域的補償。通過求出所有目標區(qū)域的面積，刪除面積低于規(guī)定值的區(qū)域，獲取僅含有檢測目標的區(qū)域。

3.2 程序代碼的實現(xiàn)

設(shè)計主體部分由硬件實現(xiàn)，軟件部分的工作主要為硬件初始化和目標檢測。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

設(shè)計的多傳感器基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測系統(tǒng)的軟件，在Windows 2000環(huán)境下，通過 Visual C++ 6.0 實現(xiàn)，具體的軟件程序設(shè)計流程如下：

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4 仿真實驗結(jié)果

為了驗證本文多傳感器基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測系統(tǒng)的有效性，需要進行相關(guān)的實驗分析。實驗相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)

本文分別采用多傳感器基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對某地某時刻出現(xiàn)的人進行檢測，獲取的結(jié)果如圖7，圖8所示。

分析圖7，圖8可以看出，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，采用本文系統(tǒng)得到的檢測結(jié)果更加準確，驗證了本文系統(tǒng)的可靠性。為了進一步驗證本文系統(tǒng)的有效性，對本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的虛警概率進行統(tǒng)計，得到的結(jié)果如圖9所示。

分析圖9可以看出，本文系統(tǒng)的虛警概率遠遠低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，同時本文系統(tǒng)得到的曲線較傳統(tǒng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，說明本文系統(tǒng)具有很高的實用性。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)一種多傳感器基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)將FPGA控制模塊作為核心模塊，主要用于傳感器圖像信息的采集、傳遞、存儲以及控制，利用鏈路口發(fā)送模塊對傳感器信號進行轉(zhuǎn)換和緩存，將USB設(shè)備作為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，主要負責(zé)整個系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)的傳輸，通過片內(nèi)存儲器對系統(tǒng)的程序及數(shù)據(jù)進行保存，有效實現(xiàn)目標檢測。軟件設(shè)計過程中，對多傳感器基于動態(tài)時空特性軟硬協(xié)作決策的目標檢測系統(tǒng)進行了詳細分析，并給出目標檢測的程序代碼，仿真實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可靠性和實用性。

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