摘 要: 介紹了一種以高速數字信號處理器title="TMS320C6201">TMS320C6201為核心器件構成的視頻跟蹤警戒裝置。該視頻跟蹤警戒裝置，既可自成一個小系統，獨立進行工作;也可作為一個子系統，裝在其它光電測量跟蹤系統中工作。
關鍵詞: 電視跟蹤 匹配跟蹤 圖像處理 數字信號處理器
在光電測量跟蹤系統的實際應用中，對其視頻測量跟蹤部分，提出了越來越高的要求。例如，有越來越多的應用場合，要求光電測量跟蹤系統對更大區域的視頻圖像具有實時匹配跟蹤(相關跟蹤)的功能。在匹配跟蹤(相關跟蹤)過程中，如果需要匹配處理的圖像區域較大，則運算量非常可觀。在視頻跟蹤當中，為了能夠在有限的時間(如20毫秒時間內)實現大量的運算處理，則需要采取一些提高運算速度的措施。采用更高性能的數字信號處理器，則是一條很重要的措施。
美國TI公司推出的新一代的高速高性能的TMS320C6000系列的數字信號處理器，很適合于視頻跟蹤的運算處理性能的提升。我們以TMS320C6201數字信號處理器為核心器件，研制出了新一代的視頻跟蹤警戒裝置。
1 TMS320C6000系列的數字信號處理器簡介
TMS320C6000系列的數字信號處理器，是TI公司于1997年推出的高端系列的DSP。雖然該系列的DSP在芯片設計上最初主要是針對多通道無線通信和有線通信的應用領域，但是由于其優異的高速處理性能和出色的對外接口能力，這種器件也很適合用于雷達聲納圖像處理和視頻測量、跟蹤等領域。
C6000芯片具有超長指令字處理能力。其內部有8個并行處理單元，8條指令組成一個指令包，一個指令包的總字長為256位。它可在一個時鐘周期內并行執行8條指令。這種高速高性能的數字信號處理器，工作頻率可達200MHz，每秒可完成1.6G次操作。
C6000的8個獨立功能單元中有兩個16bit乘法器和六個算術邏輯單元;其存儲器尋址空間為32bit，芯片內部集成了1M～7Mbit的片內SRAM;其內部的四通道DMA協處理器，可用于數據的DMA傳輸。
TI公司針對TMS320C6000系列的數字信號處理器，還推出了一種CCS集成開發軟件。在這種CCS集成開發軟件的環境下，C編譯器的效率可達80%，若將新的線性匯編語言和C6000匯編優化器配合使用，可使代碼效率高達95%以上。
2 視頻跟蹤警戒裝置硬件構成
以TMS320C6201為核心器件構成的視頻跟蹤警戒裝置的硬件構成如圖1所示。
視頻信號經A/D轉換為圖像數字量， 數字圖像數據在波門的范圍內依照地址產生器的地址按照一定的順序存入雙端口存儲器 RAM。
FLASH MEMORY 用作存放開機自舉程序的機器碼以及有關參數數據。
SDRAM 是容量為4M×32bit的高速動態存儲器，該存儲器主要用作存儲以DMA方式從雙端口存儲器 RAM傳輸過來的數字圖像數據。
TMS320C6201執行芯片內程序存儲區的程序，對數字圖像數據進行處理，這種處理包括目標與背景的分割、隨機孤立噪聲信號的剔除、目標的形心計算及跟蹤、圖像的匹配計算及跟蹤和動目標檢測、警戒等。它還完成操控狀態的循環檢測、與主機進行數據通訊等工作。
接口部分的電路用雙端口存儲器構成，其作用是實現與主機的數據中轉傳輸，包括測偏數據、控制數據等的中轉傳輸。
波門電路的作用是根據波門數據形成空心波門和實心波門。空心波門送至視頻復合電路供顯示用;實心波門分為場實心波門和行實心波門，可用作選通或形成圖像數據的存儲地址。
視頻復合電路的作用是將空心波門、電十字線、視頻信號復合起來，供監視器顯示。
操控鍵有各種工作方式的選擇按鍵和上下左右操控按鍵。
通過云臺控制部分，可對載有攝像機的普通云臺進行上下左右的自動控制，從而將運動的目標自動拉到視場中心位置上。
報警驅動部分可在自動檢測出目標之后，向報警聲發生器或數字錄像機等發出驅動信號，使它們進入報警或錄取現場視頻圖像的狀態。
3 工作方式介紹
3.1 主要工作流程
工作流程簡圖如圖2所示。系統開機后，FLASH MEMORY 內的程序機器碼自舉到TMS320C6201內部的程序存儲區，然后TMS320C6201執行程序進行一些初始化，接著判斷操控鍵的狀態以確定進入哪種跟蹤處理方式。本裝置的工作方式或跟蹤方式主要有三種:形心跟蹤、匹配跟蹤和動目標檢測警戒跟蹤。TMS320C6201在進行了當場波門內圖像數據的DMA傳輸和圖像數據處理之后，形成下一場的波門位置數據和波門大小數據，并向與主機接口的雙端口存儲器送去波門或目標相對于視場中心的位置數據和其它有關的狀態字(還可向云臺控制部分送去目標相對于視場中心的上下左右的狀態字)，然后返回進入下一場的判斷和處理。如此循環往復，即可實現對目標的搜索、捕獲、測量、跟蹤、警戒、報警等。
3.2 形心跟蹤
數字信號處理器TMS320C6201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體目標象元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;而目標的形心相對于視場中心的位置數據，則作為目標的偏差數據。
3.3 匹配跟蹤
在匹配跟蹤的過程中，DSP將新一場波門內的圖像與原始模板圖像進行逐點比對，計算出新一場波門內圖像與原始模板圖像的最佳匹配位置數據，然后根據最佳匹配位置數據，形成下一場的跟蹤波門數據和測偏數據。
在實際跟蹤過程中，波門內的目標圖像會出現形狀大小等各種變化，若不及時更新圖像模板，會使跟蹤波門的抖動較大，跟蹤不穩定。為了解決這一問題，在波門內的目標圖像變化的過程中，需要自動適時對模板進行更新。模板圖像的更新周期，不是固定不變的。模板圖像在什么時候更新，取決于波門內的目標圖像變化量。當波門內的目標圖像變化量大于設定的某一閾值時，便進行模板圖像的更新。
3.4 復雜背景下的動目標檢測警戒跟蹤
本裝置具有針對復雜背景下的動目標檢測、警戒、跟蹤功能。動目標檢測的主要方式是將具有一定時間差的兩場圖像進行相減處理。
在數據存儲器SDRAM當中，劃分了兩個圖像存儲區塊A和B。圖像存儲區A中的圖像數據在每一場都進行刷新，而圖像存儲區B中的圖像數據則以數百場為一周期進行刷新。當沒有動目標進入視場時，圖像存儲區A和B中的圖像數據大體相同，當有目標進入視場時，圖像存儲區A和B中的圖像數據會在出現動目標的相應位置上出現差異。這種差異的差值可以通過對圖像存儲區A和B中的圖像數據進行相減運算得到。
復雜背景下的動目標檢測警戒跟蹤的總工作過程如下:TMS320C6201對圖像存儲區A和B中的圖像數據進行相減處理以檢測動目標信號。如果DSP對圖像存儲區A和B做完一場的圖像數據的處理檢測后，沒有提取出連續三行相鄰出現的信號，則判為沒有動目標進入視場。如果檢測出動目標信號連續壓行數等于大于三行，則判為有動目標進入視場，發出報警信號，并根據該場中的有效動目標位置數據，計算得到波門的位置數據和目標相對于 視場中心的位置數據等，從而實現針對復雜背景下的動目標檢測、警戒、跟蹤。
圖像存儲區B中的圖像數據的刷新周期，可以通過軟件設置。圖象存儲區B中的圖象數據的刷新周期不宜太短，也不宜太長。該刷新周期，可根據應用場合的實際情況來確定。
3.5 波門引導方式
該視頻測量跟蹤裝置的波門引導方式分為手控引導、主機引導、程控引導三種方式。手控引導是按動上下左右操控鍵將波門移到所需的位置;主機引導是根據主機發過來的波門引導數據使波門跳到對應的位置;程控引導是在沒有手控引導和主機引導的操作并且波門內沒有目標時，波門按照程序規定的順序路徑自動移動位置，搜索目標。
4 主要功能
該視頻跟蹤警戒裝置具有如下幾個主要功能:
(1)具有目標形心跟蹤功能;
(2)具有目標相關跟蹤功能;
(3)具有可針對復雜背景下的動目標檢測、警戒、報警、跟蹤功能;
(4)具有針對簡單形狀目標的記憶判別功能;
(5)波門具有自適應功能，即在跟蹤目標的過程中，波門的大小可自動隨波門內的目標大小變化而變化;
(6)具有自動控制普通云臺和閉環自動跟蹤運動目標的功能。
5 主要性能指標
(1)運算處理能力:1600MIPS;
(2)可供存儲數字圖像的存儲器容量:4M×32bit;
(3)處理每場圖像的分辨率為512×256象元;
(4)測量精度±1個象元;
(5)測量跟蹤的目標與背景的最低對比度:5%;
(6)觸發報警的動目標壓行數≥3電視行;
(7)形心測量跟蹤和匹配測量跟蹤目標的數據處理時間<20毫秒;
(8)在全視場內，大波門自動捕獲目標時間≤60毫秒;
(9)自動控制普通云臺跟蹤目標的速度和轉角技術參數，一般取決于普通云臺自身的參數。
參考文獻
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2 TMS320C62×/C67×CPU and Instruction set. TEXAS Instruments，1998
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5 TMS320C6000 Code Composer Studio.TEXAS Instrumens，1999
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