基于FPGA的高速運(yùn)動物體追蹤系統(tǒng)

耿 磊

（中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一七研究所華之洋科技有限公司 湖北·武漢 430073）

0 引言

高速目標(biāo)跟蹤技術(shù)要應(yīng)用于智能視頻監(jiān)控、軍事研究、人機(jī)交互、機(jī)器人視覺導(dǎo)航、智能交通等應(yīng)用場景。為了更好的適應(yīng)如今實際場景對高效、長時間、快速反應(yīng)等的要求，機(jī)器視覺對目標(biāo)物體的高速追蹤監(jiān)控能力被提了出來。本文主要對單一移動物體的快速跟蹤并對其同步圖像進(jìn)行顯示做出研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)通過CMOS傳感器收集圖像信息，經(jīng)過FPGA實時處理，同步跟蹤并傳輸顯示攝像視頻畫面。其中主要有攝像模塊、存儲BRAM模塊、色彩格式轉(zhuǎn)換模塊、色彩檢測模塊、坐標(biāo)計算、VGA顯示和舵機(jī)控制模塊等。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 FPGA模塊

Artix 7平臺屬于 28nm 工藝，搭載的是XC7A35TCPG236，擁有5200個slice資源，相當(dāng)于33280個邏輯單元，容量為1800Kbits的RAM塊，5個時鐘管理單元，每個單元帶有一個鎖相環(huán)（PLL），90個DSPSlices，內(nèi)部時鐘速率超過450MHz，一個片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(XADC)。

1.2 攝像模塊

攝像部分應(yīng)用的是OV7725模塊，OV7725芯片內(nèi)置圖像處理單元，速度60fps，外部通過SCCB接口控制芯片的曝光調(diào)整、白平衡、色彩飽和度調(diào)節(jié)以及gamma調(diào)整等，OV7725的紅、綠、藍(lán)三基色通道用同一個十位AD，工作頻率12MHz。廣泛應(yīng)用于數(shù)字視頻系統(tǒng)、高分辨率的彩色圖片圖像處理、視頻信號再現(xiàn)等,因此,能夠滿足我們的應(yīng)用需求。

1.3 云臺舵機(jī)模塊

云臺舵機(jī)共分為水平方向和豎直方向各一個，共同組成一個二自由度平臺。平臺兩個舵機(jī)分別對應(yīng)屏幕的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的修正控制，用以接收應(yīng)對坐標(biāo)的調(diào)整，以達(dá)到對攝像模塊水平和豎直方向的運(yùn)動動作需求。

本平臺舵機(jī)采用的是四線舵機(jī)，型號為FB5317M，每個舵機(jī)包含電源線、地線、PWM控制信號線和一根舵機(jī)位置角度反饋線。舵機(jī)采取6V電源供電，靜態(tài)電流為5mA，空載電流達(dá)到150mA，堵轉(zhuǎn)電流最高為1500mA，空載速度可達(dá)0.2sec/60o,完全能夠達(dá)到攝像跟蹤目標(biāo)物的需求。

2 FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計

2.1 攝像頭驅(qū)動模塊

首先實現(xiàn)SCCB協(xié)議驅(qū)動OV7725的攝像芯片，圖像采集后，由于QVGA時序與VGA時序存在差距，所以對于實時VGA顯示功能不能直接把攝像模塊的數(shù)據(jù)直接接入VGA，需要通過將采集數(shù)據(jù)存儲后，再讀取，于是我們把每幀畫面像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存于BRAM中。

圖2：系統(tǒng)測試圖

2.2 色彩轉(zhuǎn)化及處理模塊

BRAM中圖像的格式為RGB，由于本次研究中使用的目標(biāo)物體為單一色塊，色彩比較穩(wěn)定，因此檢測方案以色彩為主，故HSV格式更加契合。HSV格式把圖像的飽和度、色調(diào)和亮度屬性分離。我們采取了調(diào)用低延遲的除法器實現(xiàn)顏色飽和度分量和色調(diào)色彩分量之間的快速計算，從而能夠在現(xiàn)有的硬件和算法優(yōu)化下達(dá)到預(yù)期的RGB和HSV的高速轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)在識別之前，需要通過學(xué)習(xí)，記住目標(biāo)色彩特征，然后再在攝像區(qū)域?qū)ふ遗c目標(biāo)物體的HSV分量相似高的像素，最終通過過濾和標(biāo)注，獲取相近像素點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行求平均計算，計算結(jié)果作為最終舵機(jī)模塊對于攝像區(qū)域修正的依據(jù)，以及控制舵機(jī)運(yùn)動的參數(shù)值。

2.3 舵機(jī)控制模塊

舵機(jī)控制模塊主要分舵機(jī)反饋信號處理與舵機(jī)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)PWM波組成。舵機(jī)的實時位置通過電壓形式反饋接入xadc模塊，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將舵機(jī)反饋的位置坐標(biāo)與來自色彩轉(zhuǎn)換得來的目標(biāo)物體中心坐標(biāo)對比，計算出差值，分解為x和y坐標(biāo)值控制信號輸出，輸入到后續(xù)的PWM發(fā)生模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)PWM波輸出，以驅(qū)動云臺跟蹤目標(biāo)。

2.4 VGA驅(qū)動模塊

要把存儲器里的圖像在VGA顯示器中顯示,掃描時序是需要VGA驅(qū)動模塊產(chǎn)生的。將存儲在BRAM中的圖像像素數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換器生成R、G、B三原色信號和行、場同步信號，然后通過VGA接口傳輸給顯示設(shè)備所需的模擬信號。本系統(tǒng)從緩存中讀出的圖像大小為640×480,掃描頻率60 Hz。

3 系統(tǒng)測試及分析

該系統(tǒng)依照如下步驟進(jìn)行測試：

第一步：準(zhǔn)備工作，將系統(tǒng)各模塊連接并接上電源；

第二步：調(diào)整攝像焦距與連接檢查，通過VGA顯示畫面，查看狀態(tài)，畫面是否模糊，是否存在雪花等噪音。若畫面模糊，通過手動將攝像模塊的焦距調(diào)整到合適情況；

第三步：目標(biāo)學(xué)習(xí)，生成系統(tǒng)記憶，把目標(biāo)物放入屏幕畫面中心黃色框內(nèi)，按下學(xué)習(xí)按鈕，提取目標(biāo)物像素。然后將撥動撥碼開關(guān)，此時系統(tǒng)進(jìn)入對目標(biāo)物跟蹤狀態(tài)；

第四步：進(jìn)行目標(biāo)跟蹤實驗，記錄延時信息；

第五步：系統(tǒng)清除記憶像素，重復(fù)設(shè)定。

圖2為系統(tǒng)測試圖，目標(biāo)物體的特征像素采集后，屏幕中繪畫出紅色十字架，十字架中心焦點(diǎn)即為目標(biāo)物體像素中心坐標(biāo)點(diǎn)，同時把目標(biāo)物體像素標(biāo)綠顯示。測試結(jié)果良好，畫面清晰，跟蹤穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一個對單一目標(biāo)物體的快速跟蹤系統(tǒng)，并能夠同步把目標(biāo)圖像進(jìn)行VGA顯示。在跟蹤狀態(tài)下，能適應(yīng)目標(biāo)物體速度的變化，實時性好、圖像顯示清晰，達(dá)到了預(yù)期要求，有很強(qiáng)的實用性和推廣性。