圖1  嵌入式運動目標智能跟蹤系統功能圖

摘    要：本文針對視頻監控領域中對運動目標的檢測與跟蹤，設計了一種以雙DSP為核心處理器的嵌入式實時控制方案，并闡述了系統的硬、軟件結構，以低成本成功實現了集實時視頻處理、云臺運動控制、攝像機自動調節于一體的智能視頻跟蹤系統。實踐證明，系統工作性能良好。
關鍵詞：雙DSP；嵌入式實時系統；檢測與跟蹤；差分圖像

引言
隨著DSP芯片集成度、運算速度、數據吞吐率等性能的不斷提高，DSP不再局限于傳統視頻處理、離線信號處理等方面的應用,它已被廣泛地應用于許多實時視頻處理和傳輸領域。本文設計了一種以ADSP-BF533為核心處理器，集視頻處理、云臺運動控制、攝像機自動調節于一體的嵌入式實時控制系統。該系統體積小，靈活性高，易于升級，可應用于無人值守的智能監控系統，如銀行，金庫，倉庫等重地。當發現異常情況出現時，該系統能夠自動報警或采取其它相應的措施，從而更有效、可靠地實現了安全防范，同時也在很大程度上減少了監視人員的工作量和疲勞度，大大提高了工作效率。

圖2  嵌入式運動目標智能跟蹤硬件系統結構

圖3  嵌入式運動目標智能跟蹤系統硬件設計

系統的功能和結構
如圖1所示，嵌入式運動目標智能跟蹤系統的基本功能為：系統采用高速DSP實現圖像信號的實時采集，經過圖像預處理模塊實現對數字圖像的復原、增強，然后分別發送給自動控制模塊、運動目標檢測模塊、運動估計模塊等。各功能模塊對圖像進行處理后，通過現場總線控制網絡自動向解碼器發出控制指令，驅動對應云臺、攝像機作相應動作。當然系統也可以通過手動控制模塊接收從監控中心發送的控制數據，直接控制攝像機、云臺動作。
如圖2所示，嵌入式運動目標智能跟蹤硬件系統主要由 CCD 攝像機、高速數字云臺、視頻 ADC、圖像幀存儲器、DSP處理控制器、視頻合成及DAC、報警模塊等部分構成。視頻 ADC的作用是通過視頻解碼芯片將模擬視頻信號轉換成標準的數字視頻信號；幀存儲器可以按照一定的時間周期存儲圖像數據；視頻合成及DAC的作用是將視頻信號與工作狀態字符、報警標記、報警次數等字符疊加起來，同時轉換成模擬視頻信號，供監視器顯示；報警電路的作用是當有活動目標進入視場或進入設定的警戒區域時，通知DSP處理器啟動報警裝置。其核心DSP處理控制部分由兩塊DSP芯片組成，一塊負責圖像的實時采集,運動目標跟蹤算法的處理，實現對高速數字云臺的驅動控制以及報警發生電路的控制等；另一塊負責視頻合成和編碼輸出。

圖4 PAL制式下ITU-656 YUV 4 : 2 : 2數據流格式描述

圖5 嵌入式運動目標智能跟蹤軟件設計框圖

圖6   對單目標運動物體的跟蹤

系統的硬件設計和實現
整個系統的設計如圖3所示,下面將從DSP核心處理器、視頻處理通道、幀存儲器、一體化球型攝像機控制等幾個方面進行闡述。
DSP核心處理器
系統采用了ADI公司最新推出的BLACKFIN DSP，主頻可以達到750MHz，它是基于ADI公司與Intel公司聯合開發的微信號結構(MSA)，外部存儲器接口可以和SDRAM、FLASH、異步RAM實現無縫連接。PPI接口可以和視頻解碼器、編碼器實現無縫連接，加強了系統的穩定性。 除通用I/O、實時時鐘和定時器外，所有其他的外設都有獨立的DMA通道，片內還有一個獨立的存儲器DMA通道，專用于在DSP的不同存儲空間進行數據傳輸，包括外部的SDRAM和異步存儲器。片內總線能以133MHz的速度運行，提供了足夠的帶寬以保證處理器內核的速度能夠與片內和片外外設匹配，特別適合于圖像處理。
系統使用ADSP-BF533 (DSP(1))和ADSP-BF531(DSP(2))組成核心處理部分。750MHz的DSP(1)通過PPI接口的DMA通道進行實時圖像采集，實現運動目標的跟蹤算法，然后通過UART接口對一體化球型攝像機進行控制。同時使用通用I/O口模擬I2C總線，對視頻解碼芯片SAA7113H和視頻編碼芯片SAA7185B進行初始化設置和控制。400MHz的DSP(2)通過PPI接口，將視頻合成后的圖像采用DMA的方式編碼輸出。
視頻處理通道
如圖3所示，模擬視頻信號(CVBS)通過SAA7113H芯片進行視頻解碼，輸出標準的ITU 656 YUV 4 : 2 : 2 視頻流(8-bit)，然后通過DSP(1)的PPI接口，由其DMA通道0，傳送到幀存儲器中。DSP(1)處理完的數據經SPORT接口傳送到DSP(2)的幀存儲器中，由其DMA通道0，通過PPI接口送至SAA7185B，輸出標準的模擬視頻信號。因為PPI接口可以實現與視頻編、解碼器的無縫連接，所以簡化了視頻同步和鎖相控制電路的硬件設計，同時還大大加強了系統的可靠性。通過PPI _CONFIG控制寄存器還可以進行數據過濾，選擇感興趣的數據，系統中濾掉了同步控制字符，保留了有效視頻數據，節省了幀存儲器存儲空間。如圖4所示，每行中的前288個字節同步控制字符可以被過濾掉，只保留有效視頻數據。DSP(1)的PPI接口工作在ITU 656下的輸入模式，DSP(2)的PPI接口工作在ITU 656下的輸出模式。
幀存儲器及系統啟動
ADSP-BF53X支持的最高系統時鐘頻率SCLK為133MHz，所以系統采用MICRON的MT48LC16M16A2(SDRAM PC133 32MB)作為幀存儲器，其結構為4Meg×16×4Banks，可以與DSP(1)，DSP(2)的EBIU實現無縫連接。
由于DSP(1)片內沒有程序存儲器，系統必須從片外引導。本系統采用的是從SPI接口的EEPROM引導方式，所選用的EEPROM是ATMEL的AT25HP512(64KB)。
一體化球型攝像機控制
系統采用的是一體化智能球形攝像機，可實現水平自由度為 360°的連續旋轉，垂直自由度為0~90°的旋轉，水平、垂直自由度運動速度0.5°~160°/s可控，攝像機的光圈和焦距可控，直接通過RS-485總線對其進行控制。

系統的軟件設計
系統采用了一種基于差分圖像的運動目標檢測算法，檢測結果是符號化的圖像，其中運動目標由其外接矩形表示，通過計算目標的形心坐標與圖像中心的偏差來控制云臺和攝像機轉動，使目標顯示在圖像的中央，進而達到對運動目標的跟蹤。
如圖5所示，DSP(1)對波門內的數字圖像處理得到一閾值，根據該閾值再從波門內的數字圖像中分割出目標象元。然后根據分割出的全部目標象元的位置數據和目標象元的總點數，計算出目標的形心。該形心數據作為下一場波門的跟蹤數據，目標的形心相對于視場中心的位置數據作為目標的偏差數據，對一體化球型攝像機進行控制。

實驗結果和結論
整個系統使用VISUAL DSP++ 3.5進行開發，用EZ_ICE 通過JTAG接口在開發目標板上進行仿真調試，現已脫機運行。當圖像分辨力設定為384×288時，跟蹤算法處理速度為10幀/s。當攝像機與跟蹤目標的距離>2.5m，目標運動速度不高于1m/s時，能對目標進行有效跟蹤。圖6是在背景較為簡單的情況下，實現對單目標運動物體跟蹤的實驗圖片。系統采用的是雙DSP結構，DSP(2)只承擔了視頻的復合和編碼工作，在運算負荷和端口資源還有很大的裕量，下一步工作將在DSP(2)上進行MPEG-4壓縮編碼和傳輸。