基于ARM的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2017-04-13 01:34:40劉昌華

軟件導(dǎo)刊 2017年3期

關(guān)鍵詞：卡曼開發(fā)板嵌入式

郭琪,劉昌華

(武漢輕工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北武漢 430023)

基于ARM的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭琪,劉昌華

(武漢輕工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北武漢 430023)

基于ARM9-S3C2440AL處理器提出一種移動(dòng)目標(biāo)跟蹤設(shè)計(jì)方案。研究如何將嵌入式平臺(tái)與移動(dòng)目標(biāo)跟蹤結(jié)合起來(lái)，并對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和方法進(jìn)行描述。系統(tǒng)包括軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，主要完成了Bootloader向?qū)б浦?、Linux內(nèi)核制作、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序編寫、聲卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。在MATLAB軟件平臺(tái)上研究了基于卡曼濾波的單目標(biāo)和數(shù)學(xué)形態(tài)連通區(qū)域的多目標(biāo)移動(dòng)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)目標(biāo)跟蹤，結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；將在MATLAB平臺(tái)上運(yùn)行的程序轉(zhuǎn)化為適合開發(fā)板運(yùn)行的C程序，實(shí)現(xiàn)ARM開發(fā)板采集圖像并存儲(chǔ)，可通過(guò)客戶端Web瀏覽器對(duì)存儲(chǔ)的圖像和視頻進(jìn)行查看。

ARM9-S3C2440AL;移動(dòng)目標(biāo)跟蹤;卡曼濾波;數(shù)學(xué)形態(tài)連通區(qū)域

0 引言

近年來(lái)，伴隨著社會(huì)的快速發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備需求量不斷加大，對(duì)其性能要求也愈加嚴(yán)格。移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和跟蹤技術(shù)[1]是現(xiàn)代化視頻監(jiān)控領(lǐng)域一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，發(fā)展十分迅猛，得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。然而面向應(yīng)用的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)[2]卻不盡如人意，其指標(biāo)性能不能很好地滿足應(yīng)用要求。移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)基于PC機(jī)僅僅對(duì)視頻進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和回看，考慮到實(shí)時(shí)性的要求，傳統(tǒng)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)越來(lái)越不能滿足實(shí)際需要，結(jié)合嵌入式技術(shù)可靠性高、成本低、體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，基于ARM的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)整體方案

該移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由USB攝像頭、嵌入式軟硬件平臺(tái)和移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用程序組成。USB攝像頭用來(lái)采集視頻信號(hào)，硬件部分以ARM9-S3C2440AL為核心，并擴(kuò)展了SDRAM內(nèi)存、Flash閃存等開發(fā)板外設(shè)，嵌入式軟件平臺(tái)為底層硬件提供驅(qū)動(dòng)支持、內(nèi)存管理、中斷管理以及移動(dòng)目標(biāo)跟蹤處理，應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)所需的算法，保證移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分主體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由ARM9處理器S3C2440AL、SDRAM、Nand Flash、Nor Flash、RTC電路，復(fù)位電路、USB攝像頭和蜂鳴器等構(gòu)成，客戶端Web瀏覽器作為系統(tǒng)查看平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 S3C2440AL處理器

該移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)采用S3C2440AL處理器,該處理器采用ARM9內(nèi)核,ARM V4指令集,主頻可達(dá)400MHZ,核心開發(fā)板配64MB內(nèi)存、256MB Nand-Flash和2MB Nor-Flash。微處理器性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大且支持多種操作系統(tǒng)，可以適應(yīng)處理能力要求較高的應(yīng)用。

2.3 USB攝像頭

攝像頭選用羅技720p高清USB攝像頭，采用CMOS成像元件獲取圖像，最高速度可達(dá)30f/s，支持USB2.0接口。該USB攝像頭不需要安裝驅(qū)動(dòng)，是一種支持UVC(USB Video Class，視頻設(shè)備類)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的攝像頭，將這種攝像頭連接到支持該標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為其配置、安裝驅(qū)動(dòng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件主體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)軟件主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括Linux操作系統(tǒng)、內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序3個(gè)部分。

圖2 Linux系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 Linux操作系統(tǒng)移植

Linux操作系統(tǒng)移植主要包括Bootloader移植、Linux內(nèi)核配置和根文件系統(tǒng)制作3個(gè)部分。系統(tǒng)使用Linux發(fā)行版紅帽RHEL6.3作為軟件開發(fā)平臺(tái)，采用交叉編譯方式，交叉編譯器版本為arm-linux-gcc_4.3.2。

(1)Bootloader移植。Bootloader遵循GPL公約，支持ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，是Linux執(zhí)行前的一段初始化程序。將編寫好的Bootloader文件移植NANDflash中，啟動(dòng)后配置環(huán)境變量，確定Linux系統(tǒng)啟動(dòng)方式。

(2)Linux內(nèi)核配置、編譯及下載。本系統(tǒng)選用Linux2.6.3版本的內(nèi)核，執(zhí)行make menuconfig ARCH=arm命令，通過(guò)菜單選項(xiàng)對(duì)Linux的功能進(jìn)行選擇和配置,配置完后，保存退出，執(zhí)行make uImage命令進(jìn)行編譯，生成內(nèi)核鏡像文件uImage，就可移植到開發(fā)板運(yùn)行。

(3)構(gòu)建Linux根文件系統(tǒng)。

3.3 移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)搭建

在MATLAB平臺(tái)上搭建移動(dòng)目標(biāo)跟蹤的基本框架，對(duì)圖像目標(biāo)的背景進(jìn)行提取，將傳統(tǒng)幀差法加以改進(jìn)后，對(duì)視頻圖像中的移動(dòng)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)以及移動(dòng)目標(biāo)的位置提取。對(duì)單目標(biāo)的移動(dòng)，運(yùn)用卡曼濾波[3]實(shí)現(xiàn)了其跟蹤算法，能對(duì)單目標(biāo)的移動(dòng)路線進(jìn)行跟蹤，針對(duì)多目標(biāo)的跟蹤，基于數(shù)學(xué)形態(tài)連通區(qū)域的特征[4]實(shí)現(xiàn)其跟蹤算法。跟蹤效果可以用矩形框跟蹤的形式進(jìn)行演示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性，結(jié)果也達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

嵌入式平臺(tái)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)搭建如下：

(1)聲音報(bào)警子系統(tǒng)開發(fā)。包括聲卡驅(qū)動(dòng)開發(fā)，聲卡驅(qū)動(dòng)架構(gòu)采用ALSA-OSS封裝[5]，聲卡驅(qū)動(dòng)集成通過(guò)make menuconfig ARCH=arm進(jìn)入配置菜單Device Drivers ---><*>Sound card support ---><*> Advanced Linux Sound Architecture ---><*> OSS Mixer API<*> OSS PCM (digital audio) API[*] OSS PCM (digital audio) API - Include plugin system后，移植madplay應(yīng)用程序。

(2)攝像頭子系統(tǒng)開發(fā)。包括攝像頭驅(qū)動(dòng)開發(fā)，攝像頭軟件架構(gòu)是當(dāng)前最流行的V4L2架構(gòu)[6],進(jìn)入配置菜單中配置攝像頭驅(qū)動(dòng)使能Device Drivers --->Multimedia devices --->[*] Video capture adapters --->[*] V4L USB devices ---><*> GSPCA based webcams ---><*> ZC3XX USB Camera Driver，保存配置并編譯內(nèi)核后，進(jìn)行攝像頭驅(qū)動(dòng)測(cè)試。

(3)移動(dòng)監(jiān)控主系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將攝像頭采集的視頻轉(zhuǎn)換成avi格式的文件進(jìn)行存儲(chǔ),首先進(jìn)行Ffmpeg移植[7],然后進(jìn)行Motion主程序移植[8],Motion是一個(gè)開源的移動(dòng)圖像監(jiān)控程序,配置motion參數(shù)使motion能使用Ffmpeg錄制視頻的功能，配置成功后通過(guò)命令motion -c /etc/motion.conf開啟motion直至成功啟動(dòng),通過(guò)samba進(jìn)入開發(fā)板的根文件系統(tǒng)目錄中發(fā)現(xiàn)有攝像頭采集的圖像，當(dāng)有物體在攝像頭前移動(dòng)時(shí)會(huì)報(bào)警。

(4)嵌入式Web服務(wù)器開發(fā)。包括BOA嵌入式服務(wù)器[9]移植，首先編譯解壓源代碼，配置boa.conf文件,配置選項(xiàng)Port、User、Group、ErrorLog等，復(fù)制已經(jīng)存在的Web目錄到開發(fā)板根文件系統(tǒng)目錄中，之后啟動(dòng)boa程序，在PC瀏覽器輸入開發(fā)板的IP地址就可看到存儲(chǔ)的圖像；然后是CGIC庫(kù)移植,CGI就是通用網(wǎng)關(guān)接口，實(shí)際上是一個(gè)應(yīng)用程序，運(yùn)行在Web服務(wù)器上，可通過(guò)瀏覽器端的用戶輸入而觸發(fā)，提供與客戶端HTML頁(yè)面的接口。它能讓網(wǎng)絡(luò)用戶訪問(wèn)和運(yùn)行遠(yuǎn)程服務(wù)器系統(tǒng)所在主機(jī)的應(yīng)用程序，進(jìn)一步控制相關(guān)硬件，并將結(jié)果格式化輸出為HTML格式，最終反饋到瀏覽器端。這樣就完成了HTML靜態(tài)頁(yè)面和WEB服務(wù)器的動(dòng)態(tài)交互，boa和CGIC移植成功后，接下來(lái)就是CGIC程序的編寫，CGI程序在瀏覽器能被調(diào)用，是通過(guò)表單來(lái)完成的，表單中標(biāo)識(shí)著表單的開始和結(jié)束，C語(yǔ)言編寫CGI程序時(shí)不能用main函數(shù)作為主函數(shù)，因?yàn)閙ain函數(shù)在CGIC的庫(kù)文件中已經(jīng)被定義了，基于前面所述的C語(yǔ)言編寫CGI程序的知識(shí)，可以很快編寫出顯示圖片的CGI程序。實(shí)際上，顯示圖片的還是HTML頁(yè)面文件，只不過(guò)通過(guò)CGI將HTML頁(yè)面的內(nèi)容輸出而已，其基本格式如下：

首先添加必要的頭文件，然后int cgiMain()

{ cgiHeaderContentType("text/html");fprintf(cgiOut," ");

fprintf(cgiOut," ");fprintf(cgiOut,"");

fprintf(cgiOut,"");fprintf(cgiOut," ");

fprintf(cgiOut," ");return 0;}

將編譯好的CGI程序放到開發(fā)板根文件系統(tǒng)目錄中，修改該目錄下的.html文件。這里主要是修改“查看圖片”菜單，，讓其索引到一個(gè)超鏈接，也即.cgi，這樣在點(diǎn)擊查看圖片時(shí)就可以執(zhí)行.cgi程序，在cgi程序中還可以嵌入視頻，在HTML頁(yè)面中嵌入多媒體可以通過(guò)embed標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)，與之前顯示圖片的實(shí)現(xiàn)原理一樣，參考前面代碼修改即可，將編寫好的顯示視頻的.c文件編譯成cgi文件后，還需要修改相應(yīng)的.html文件，給“顯示視頻”菜單加上超鏈接以訪問(wèn)該cgi文件，顯示存儲(chǔ)目錄下的所有視頻，最終整個(gè)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)搭建完成。