[發(fā)明專利]一種基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107341760A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發(fā)明（設計）人: 劉廣東;張曾洋;石國帥;宋峙峰;劉璐楊;許靜雯;徐川
• 申請（專利權）人: 北京計算機技術及應用研究所
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20;G06T5/00;G06T7/136;G06T7/194;H04N19/436;H04N19/80
• 代理公司: 中國兵器工業(yè)集團公司專利中心11011
• 代理人: 張然

技術領域

本發(fā)明涉及一種空中目標跟蹤技術，特別涉及一種基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)。

背景技術

低空空域的逐步開放，低空飛行的多樣化和靈活性使飛行安全問題凸現(xiàn)，需要空管系統(tǒng)加強對低空飛行器的有效跟蹤監(jiān)視。低空雷達跟蹤作為一種主要機場場面監(jiān)視技術，對低空和超低空目標進行跟蹤時受多徑效應等影響，跟蹤結果不可靠。基于視覺的監(jiān)視系統(tǒng)利用圖像檢測和跟蹤目標，具有很強的抗干擾能力，對環(huán)境依賴性小，可以輔助雷達監(jiān)視低空目標，提高系統(tǒng)的可靠性。現(xiàn)有的視覺跟蹤系統(tǒng)有基于PC機的視覺跟蹤系統(tǒng)和基于高速DSP、ARM等嵌入式處理器的視覺跟蹤系統(tǒng)，基于PC機的視覺跟蹤系統(tǒng)通過USB或PCI圖像采集卡將攝像機的視頻輸入計算機，借助于計算機上的視頻圖像處理程序實現(xiàn)運動目標的檢測?；诟咚貲SP、ARM等嵌入式處理器的視覺跟蹤系統(tǒng)，在 DSP或ARM處理器內(nèi)編程實現(xiàn)目標檢測。這兩種系統(tǒng)采用處理器串行處理的方式實現(xiàn)視頻圖像處理算法，進而實現(xiàn)目標檢測和跟蹤。

為快速準確捕獲和穩(wěn)定跟蹤低空目標，要求低空目標跟蹤系統(tǒng)具有較高的可靠性和實時性。通常PC機體積龐大，可靠性和便攜性較差， DSP或ARM處理器處理采用串行處理方式實現(xiàn)圖像處理算法，難以實時處理包含巨大數(shù)據(jù)量的圖像數(shù)據(jù)，跟蹤實時性難以滿足應用要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明一種基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)，用于解決上述現(xiàn)有技術的問題。

本發(fā)明一種基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)，其中，包括：圖像采集模塊、預處理模塊、目標分割模塊、目標定位模塊、通信模塊和云臺控制模塊；圖像采集模塊，用于對視頻解碼芯片進行初始化配置，配置成功后，視頻解碼芯片輸出像素同步時鐘和視頻數(shù)據(jù)；圖像采集模塊對視頻解碼芯片總線上的數(shù)據(jù)格式解碼提取視頻場、行及有效像素數(shù)據(jù)，并從中取出像素灰度值；圖像采集模塊將像素灰度值和灰度時鐘輸出給預處理模塊，在預處理模塊內(nèi)將數(shù)據(jù)存入兩級FIFO緩存，將要處理的像素及其鄰域值寄存，組成濾波窗口，每個灰度時鐘更新一次FIFO及寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)，由此得到新的濾波窗口，濾波窗口內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)排序和選擇運算得到濾波中值；目標分割模塊，用于進行子窗口區(qū)域平均灰度值計算、動態(tài)雙閾值計算以及二值化分割；目標定位模塊，用于進行形心計算和預測；通信模塊，用于將目標形心坐標發(fā)送，發(fā)送形心坐標的時間是在前一幀圖像處理完畢和后一幀采集開始之前的間隙之間執(zhí)行，不影響視頻圖像采集和處理的時間；云臺控制模塊，用于根據(jù)目標的形心位置，控制云臺轉動，將目標控制在攝像機的視野中心。

根據(jù)本發(fā)明的基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)的一實施例，其中，預處理模塊的濾波過程具體包括：選取一個3×3的窗口，然后對窗口內(nèi)數(shù)據(jù)排序取中值；步驟1：將3×3窗口中每一列3個數(shù)據(jù)分別按升序排列，每一列3個數(shù)值的最小值放新的3×3窗口的第一行，每一列的中值放在第二行，每一列的最大值放在第三行，得到一個新的3×3窗口；步驟2：求經(jīng)步驟1計算后的3×3窗口第一行數(shù)據(jù)中最大值，第二行數(shù)據(jù)的中值，第三行數(shù)據(jù)的最小值；步驟3：求步驟 2計算輸出的三個值的中值，即為3×3窗口的中值。

根據(jù)本發(fā)明的基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)的一實施例，其中，目標分割模塊，對目標分割之前，先在圖像中選取一個跟蹤子窗口，只處理跟蹤子窗口內(nèi)的圖像，認為子窗口外區(qū)域為背景區(qū)域，以排除地面物體干擾，平均灰度計算是使用一個32位寬的寄存器存儲灰度值累加和，24位寬的寄存器存儲像素個數(shù)，一幀圖像采集完后，通過一次除法運算即得到子窗口區(qū)域平均灰度值，得到平均灰度值以后，由平均灰度值加調整因子得到閾值上限，平均灰度值減去調整因子得到閾值下限，閾值上限和閾值下限作為下一幀的分割閾值；二值化分割，是將介于閾值下限和閾值上限之間的區(qū)域被劃分為背景區(qū)域，將背景區(qū)域像素值用0表示；大于閾值上限和小于閾值下限的區(qū)域被劃分為目標區(qū)域，將目標區(qū)域像素值用255表示，通過背景區(qū)域和目標區(qū)域劃分即得到二值化圖像，二值化分割后將得到二值化圖像輸出。

根據(jù)本發(fā)明的基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)的一實施例，其中，系統(tǒng)功能集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)實現(xiàn)，各模塊間并行工作，F(xiàn)PGA外接 100MHz晶振，通過內(nèi)部鎖相環(huán)PLL倍頻至200MHz作為處理模塊主時鐘。

根據(jù)本發(fā)明的基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)的一實施例，其中，圖像采集模塊通過模擬I2C總線對視頻解碼芯片。

根據(jù)本發(fā)明的基于FPGA的低空目標跟蹤系統(tǒng)的一實施例，其中，視頻解碼芯片輸出27MHz像素同步時鐘和ITU656YUV4:2:2格式視頻數(shù)據(jù)。