視頻動目標識別與跟蹤技術研究

摘要 視頻動目標識別與跟蹤技術是當今世界重要的研究課題，它涉及圖像處理、自動控制、計算機應用等學科，廣泛應用于軍民用領域的各個方面：預警、火控、制導、基于內容分割與檢索的圖像壓縮等。

關鍵詞 目標識別 自動跟蹤 圖像分割 電荷耦合

中圖分類號 TP 文獻標識碼 A 文章編號 1009-5489(2007)06-0095-02

視頻目標識別與跟蹤技術是當今世界重要的研究課題，它涉及圖像處理自動控制、計算機應用等學科，廣泛應用于軍事領域的各個方面：預警、火控制導等；在民用領域的應用也隨著該技術的日益成熟，以及成本的大幅度下降而逐漸得到越來越廣泛的推廣。

所謂視頻動目標識別與跟蹤系統就是一個可以完成圖像的采集和處理，從而實現運動目標識別與跟蹤的智能信號處理系統。信號處理的本質則是信息的變換和提取，是將信息從各種噪聲、干擾的環境中提取出來，并變換為一種便于為人或機器所使用的形式。

紅外動目標跟蹤與識別系統的輸入信號是紅外攝像機提供的模擬或數字視頻信號。該系統通過基于TNS320C6x系列高速DSP器件的數字視頻處理卡，實時地處理紅外數字視頻序列，完成對運動目標的搜索、捕獲、跟蹤、記憶。并且在PC機上實時顯示紅外視頻圖像，實時給出運動目標的空間坐標，產生運動目標區域的特征數據，完成運動目標區域圖像的實時存儲或遠程傳輸。

實時信號處理系統要求必須具有處理大數據量的能力，以保證系統的實時性；其次對系統的體積、功耗、穩定性等也有較嚴格的要求。實時信號處理算法中經常用到對圖象的求和、求差運算，二維梯度運算，圖象分割及區域特征提取等不同層次、不同種類的處理。其中有的運算本身結構比較簡單，但是數據量大，計算速度要求高；有些處理對速度并沒有特殊的要求，但計算方式和控制結構比較復雜。因此，實時信號處理系統是對運算速度要求高、運算種類多的綜合性信息處理系統。

早期的信號處理主要是采用模擬的處理方法，包括運算放大電路、聲表面波器件(sAW)以及電荷耦合器件(ccD)等等。例如運算放大電路通過不同的電阻組配可以實現算術運算，通過電阻、電容的組配可以實現濾波處理等等。模擬處理最大的問題是不靈活、不穩定。其不靈活體現在參數修改困難，需要采用多種阻值、容值的電阻、電容，并通過電子開關選通才能修改處理參數。其不穩定主要體現為對周圍環境變化的敏感性，例如溫度、電路噪聲等都會造成處理結果的改變。

解決以上問題最好的方法就是采用數字信號處理技術。數字信號處理可以通過軟件修改處理參數，因此具有很大的靈活性。數字信號處理與模擬信號處理相比主要有如下優點：

一、數字信號在處理過程中更加穩定

不象模擬信號參數那樣容易受電阻、電容、運算放大器或是溫度變化的影響。一個數字系統也很少受器件使用時間的影響，所以數字系統要比模擬系統穩定得多。這保證了應用系統的穩定和有很長的壽命。

二、數字信號處理系統的可預見性

當一個數字信號處理系統設計完成后，我們可以通過仿真或是其他手段直接看到結果，而且這與最終應用中出現的情況是一樣的；同時，所有復制而成的數字信號處理系統間是沒有性能差別的。

三、特殊功能

數字信號處理可以完成許多模擬信號處理所達不到的功能，如線性相位響應。還有一些模擬信號不能處理的問題如無損壓縮、糾錯編碼等。

四、適應性和可編程能力

DSP具有極強的適應能力，可以在多種領域內應用。同時，數字信號處理的設計也相對簡單，并且可以根據不同的應用迅速對設計進行改進或重新設計。

五、成本低廉

數字信號處理器多通過超大規模集成電路實現，相對使用大量的模擬器件完成同一任務來講，數字信號處理器的成本是很低的。因此，數字信號處理已經成為信號處理技術的主流。在專用DSP芯片出現之前數字信號處理只能依靠MPU(微處理器)來完成但MPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。因此，直到上世紀70年代，有人才提出了DSP的理論和算法基礎。那時的DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統也是由分立元件組成的，其應用領域僅局限于軍事、航空航天部門。

隨著大規模集成電路技術的發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP芯片的問世是個里程碑，它標志著DSP應用系統由大型系統向小型化邁進了一大步。

至上世紀80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DS芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為實時語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運算速度進一步提高，其應用范圍逐步擴大到通信、計算機等領域。90年代DSP發展最快相繼出現了第四代和第五代DSP器件。現在的DSP屬于第五代產品，它與第四代相比，系統集成度更高，將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機領域大顯身手，而且逐漸滲透到人們日常消費領域。

數字信號處理的主要缺點是處理量隨處理精度、信息量的增加而成倍增長解決這一問題的方法是研究高速運行的數字信號處理系統。高速實時數字信號處理的特點首先是高速度，其處理速度可以達到數千兆量級。其次是大電流，高速信號處理芯片的電流經常在1A以上。第三是低電壓，這是為了在大電流下減小系統功耗，系統的工作電壓從標準的5V到3.3V、3V、2.5V、1.8V甚至0.9V第四是高度集成，芯片的集成度在數十到數百萬門量級。第五就是為了提高運行速度而采用了多種并行的體系結構。

隨著大規模可編程器件的發展，采用D30+A3)c結構的數字信號處理系統顯示出了其優越性，正逐步得到重視。與通用集成電路相比，A3)c芯片具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等幾個方面的優勢，而且在大批量應用時，可降低成本。現場可編程門陣列(FOGA)是在專用A3)c的基礎上發展出來的，它克服了專用A3)c不夠靈活的缺點。與其他中小規模集成電路相比，其優點主要在于它有很強的靈活性，即其內部的具體邏輯功能可以根據需要配置，對電路的修改和維護很方便。D30+FOGA結構最大的特點是結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率；同時其開發周期較短，系統易于維護和擴展，適合于實時數字信號處理。

實時數字信號處理系統中，低層的信號預處理算法處理的數據量大，對處理速度的要求高，但運算結構相對比較簡單，適于用FOGA進行硬件實現，這樣能同時兼顧速度及靈活性。高層處理算法的特點是所處理的數據量較低層算法少，但算法的控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的D30芯片來實現。

紅外動目標識別與跟蹤系統能夠實時的處理紅外數字視頻序列，完成對運動目標的搜索、捕獲、跟蹤、記憶，并且在PC機上實時顯示視頻圖像等，因此對系統的硬件(包括運算處理速度，存儲容量等等)要求較高，對于高速數字電路，電磁兼容設計對系統的性能指標亦有著直接和現實的意義及重要作用，因此，開展系統可靠性研究及對策，也是一項不可或缺的重要工作。