采用数字信号处理器TMS320C6201构成的视频跟踪警戒装置

    摘要：介绍了一种以高速数字信号处理器TMS320C6201为核心器件构成的视频跟踪警戒装置。该视频跟踪警戒装置，即可自成一个小系统，独立进行工作；也可作为一个子系统，装在其它光电测量跟踪系统中工作。

    关键词：电视跟踪 匹配跟踪 图像处理 数字信号处理器

    在光电测量跟踪系统的实际应用中，对其视频器量跟踪部分，提出了越来越高的要求。例如，有越来越多的应用场合，要求光电测量跟踪系统对更大区域的视频图像具有实时匹配跟踪（相关跟踪）的功能。在匹配跟踪（相关跟踪）过程中，如果需要匹配处理的图像区域较大，则运算量非常可观。在视频跟踪当中，为了能够在有限的时间（如20毫秒时间内）实现大量的运算处理，则需要采取一些提高运算速度的措施。采用更高性能的数字信号处理器，则是一条很重要的措施。
美国TI公司推出的新一代高速高性能的TMS320C6000系列的数字信号处理器，很适合于视频跟踪的运算处理性能的提升。我们以TMS320C6201数字信号处理器为核心器件，研制出了新一代的视频跟踪警戒装置。

1 TMS320C6000系列的数字信号处理器简介

    TMS320C6000系列的数字信号处理器，是TI公司于1997年推出的高端系列的DSP。虽然该系列的DSP在芯片设计上最初主要是针对多通道无线通信和有线通信的应用领域，但是由于其优异的高速处理性能和出色的对外接口能力，这种器件也很适合用于雷达声纳图像处理和视频测量、跟踪等领域。
C6000芯片具有超长指令字处理能力。其内部有8个并行处理单元，8条指令组成一个指令包，一个指令包的总字长为256位，它可在一个时钟周期内并行执行8条指令。这种高速高性能的数字信号处理器，工作频率可达200MHz，每秒可完成1.6G次操作。

    C6000的8个独立功能单元中有两个16bit乘法器和六个算术逻辑单元；其存储器寻址空间为32bit，芯片内部集成了1M-7Mbit的片内SRAM；其内部的四通道DMA协处理器，可用于数据的DMA传输。

    TI公司针对TMS320C6000系列的数字信号处理器，还推出了一种CCS集成开发软件。在这种CCS集成开发软件的环境下，C编译器的效率可达80%，若将新的线性汇编语言和C6000汇编优化器配合使用，可使代效率高达95以上。

2 视频跟踪警戒装置硬件构成

    以TMS320C6201为核心器件构成的视频跟踪警戒装置的硬件构成如图1所示。

    视频信号经A/D转换为图像数字量，数字图像数据在波门的范围内依照地址产生器的地址按照一定的顺序存入双端口存储器RAM。

    FLASH MEMORY用作存放开机自举程序的机器以及有关参数数据。

    SDRAM是容量为4Mx32bit的高速动态存储器，该存储器主要用作存储以DMA方式从双端口存储器RAM传输过来的数字图像数据。

    TMS320C6201执行芯片内程序存储区的程序，对数字图像数据进行处理，这种处理包括目标与背景的分、随机独立噪声信号的剔除、目标的形心计算及跟踪、图像的匹配计算及跟踪和动目标检测、警戒等。它还完成操控状态的循环检测、与主机进行数据通信等工作。

    接口部分的电路用双端口存储器构成，其作用是实现与主机的数据中转传输，包括测偏数据、控制数据等的中转传输。

    波门电路的作用是根据波汴数据形成空心波门和实心波门。空心波门送至视频复合电路供显示用；实心波门分为场实心波门和行实门波门，可用作选通或作形成图像数据的存储地址。

    视频复合电路的作用是将空心波门、电十字线、视频信号复合起来，供监视器显示。

    操控键有各种工作方式的选择按键和上下左右操控按键。

    通过云台控制部分，可对载有摄像机的普通云台进行上下左右的自动控制，从而将运行的目标自动拉到视场中心位置上。

    报警驱动部分可在自动检测出目标之后，向报警声发生器或数字录像机发出驱动信号，使它们进入报警或录限现场视频图像的状态。

3 工作方式介绍

3.1 主要作流程
 
    工作流程简图如图2所示。系统开机后，FLASH MEMORY内的程序机器码自举到TMS320C6201内部的程序存储区，然后TMS320C6201执行程序进行一些初始化，接着判断操作控键的状态以确定进入哪种跟踪处理方式。本装置的工作方式或跟踪方式主要有三种：形心跟踪、匹配跟踪和动目标检测警戒跟踪。TMS320C6201在进行了当场波门内图像数据的DMA传输和图像数据处理之后，形成下一场的波门位置数据和波门大小数据，并向与主机接口的双端口存储器送去波门或目标相对于视频中心的位置数据和其它有关的状态字（还可向云台控制部分送去目标相对于视场中心的上下左右的状态字），然后返回进入下一场的判断和处理。如此循环往复，即可实现对目标的搜索、捕获、测量、跟踪、警戒、报警等。

3.2 形心跟踪

    数字信号处理器TMS320C6201对波门内的数字图像处理得到一阈值，根据该阈值再从波门内的数字图像中分出目标象元。然后根据分出的全球目标象元位置数据和目标象元的总点数，计算出目标的形心。该形心数据作为下一场波门的跟踪数据；而目标的形心相对于视场 中心的位置数据，则作为目标的偏差数据。

3.3 匹配跟踪

    在匹配跟踪的过程中，DSP将新一场波门内的图像与原始模板图像进行逐点比对，计算出新一场波门内图像与原始模板图像的最佳匹配位置数据，然后根据最佳匹配位置数据，形成一场的跟踪波门数据和测偏数据。

3.4 复杂背景下的动目标检测警戒跟踪

    本装置具有针对复杂背景下的动目标检测、警戒、跟踪功能。动目标检测的主要方式是将具有一定时间差的两场图像进行减处理。在数据存储器SDRAM当中，划分了两个图像存储区块A和ZB。图像存储区A中的图像数据在每一场都进行刷新，而图像存储区B中的图像数据则以数百场为一周期进行刷新。当没有动目标进入视场时，图像存储区A和B中的图像数据大体相同，当有目标进入视场时，图像存储区A和B中的图像数据会在出现动目标的相应位置上出现差异。这种差异的差值可以通过对图像存储区A和B中的图像数据进行相减运算得到。

    复杂背景下的动目标检测警戒跟踪的总工作过程如下：TMS320C6201对图像存储区A和B中的图像数据进行相减处理以检测动目标信号。如果DSP对图像存储区A和B做完一场的图像数据的处理检测后，没有提取出连续三行相邻出现的信号，则判为没有动目标进入视场。如果检测出动目标信号连续压行数等于大于三行，则判为有动目标进入视场，发出报警信号，并根据该场中的有效动目标位置数据，计算得到波门的位置数据和目标相对于视场中心的位置数据等，从而实现针对复杂背景下的动目标检测、警戒、跟踪。

    图像存储区B中的图像数据的刷新周期，可以通过软件设置。图像存储区B中的图解数据的刷新周期不宜太秤，也不宜太长。该刷新周期，可根据应用场合的实际情况来确定。

3.5 波门引导方式

    该视频测量跟踪装置的波门引导方式分为手控引导、主机引导、程控引导三种方式。手控引导是按动上下左右操控键将波门移到所需的位置；主机引导是根据主机发过来的波门引导数据使波门跳到对应的位置；程控引导是在没有手控引导和主机引导的操作并且波门内没有目标时，波门按照程序规定的顺序路径自动移动位置，搜索目标。

4 主要功能

    该视频跟踪装置具有如下几个主要功能：

    （1）具有目标形心跟踪功能；

    （2）具有目标相关跟踪功能；

    （3）具有可针对复杂背景下的动目标检测、警戒、报警、跟踪功能；

    （4）具有针对简单形状目标的记忆判别功能；

    （5）波门具有自适应功能，即在跟踪目标的过程中，波门的大小可自自动随波门内的目标大小变化而变化；

    （6）具有自动控制普通云台和闭环自动跟踪运动目标的功能。

5 主要性能指标

    （1）运算处理能力：1600MIPS；

    （2）可供存储数字图像的存储器容量：4Mx32bit；

    （3）处理每场图像的分辨率为512x256象元；

    （4）测量精度±1个象元。

    （5）测量跟踪的目标与背景的最低对比度：5%；

    （6）触发报警的动目标压行数≥3电视行；

    （7）形心测量跟踪和匹配测量跟踪目标的数据处理时间<20毫秒；

    （8）在全视场内，大波门自动捕获目标时间≤60毫秒；

    （9）自动控制普通云台跟踪目标的速度和转角技术参数，一般取决于普通云台自身的参数。