圖像采集卡在電視跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:為獲得實時跟蹤能力，提出一種新的基于Matrox Odyssey圖像采集處理板卡的電視跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案，完成系統(tǒng)的硬件及軟件實現(xiàn)。系統(tǒng)通過圖像采集卡采集視頻，使用板卡開發(fā)庫中提供的圖像處理算法函數(shù)進行編程，完成對視頻信號的實時采集與處理。系統(tǒng)實際使用中表現(xiàn)出了良好的性能。

關(guān)鍵詞:Matrox Odyssey;電視跟蹤;捕獲;跟蹤

中圖分類號:TP391.41文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-032-03

Application of Image Card in TV-tracking System

MA Junfeng，LI Jie，YANG Xiaojun

(China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009，China)

Abstract:In order to obtain real-time tracking capability，a novel TV tracking system scheme based on Matrox Odyssey image card is put forward，the hardware and software are implemented.The system captures video by image card，uses the image processing functions provided by Matrox Odyssey Native Library(ONL)to program，it achieves real-time capturing and processing of the video signal.The system works well in use.

Keywords:Matrox Odyssey;TV-tracking;capture;tracking

0 引 言

電視跟蹤系統(tǒng)作為靶場一種新的對地跟蹤測量設(shè)備，可完成復(fù)雜背景下對運動目標(biāo)的跟蹤測任務(wù)。加拿大Matrox公司的Odyssey XA視頻處理卡集成四路模擬輸入通道，采集速率高達640 MB/s;集成了Motorola公司的G4 PowerPC微處理器，與傳統(tǒng)的 ASIC 聯(lián)合，具有超過 130 BOPS的強大運算能力;配以優(yōu)化設(shè)計軟件開發(fā)包Matrox Imaging Library(MIL)，Matrox OdysseyNative Library(ONL)和Matrox Odyssey Developer’s Tookit(DTK)，使得該型視頻處理器成為高性能的圖像處理卡[1]。本論文利用Matrox Odyssey XA實現(xiàn)對復(fù)雜背景下機動目標(biāo)的跟蹤。

1 電視跟蹤系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計

該電視跟蹤系統(tǒng)采用先進的Matrox Odyssey圖像處理卡，同時采用模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)在硬件上分五個功能能模塊:電視跟蹤計算機、圖像采集處理板卡、雙口RAM通信卡、I/O卡以及視頻輸出接口組成，系統(tǒng)與外部設(shè)備接口關(guān)系[2]，如圖1所示。

圖像處理板卡采用Matrox Odessy XA。后者給開發(fā)者提供了有關(guān)應(yīng)用程序接口(APIs)和編程模塊。應(yīng)用程序開發(fā)者能夠用MIL或Matrox Odyssey Native Library實現(xiàn)卡上編程。MIL是一個程序庫，運行于上層計算機平臺。具有圖像采集，分析，顯示和存儲方面等豐富的功能。包括點對點、統(tǒng)計、濾波、形態(tài)學(xué)、幾何變換、FFT、幾何和基于灰度相關(guān)模式的識別、粒子分析、測量、OCR、條形碼和矩陣碼的識別，校準(zhǔn)和JPEG/JPEG2000圖像壓縮。ONL則是適于在卡運行的一個程序庫，包括形心及邊緣提取、基于灰度相關(guān)模式識別，粒子分析和JPEG壓縮等功能。Matrox Odyssey XA的硬件結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)與外設(shè)接口關(guān)系框圖

系統(tǒng)中通過雙口RAM卡交換脫靶量數(shù)據(jù)等目標(biāo)信息及角度、焦距等轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)。

I/O卡則用于采集主控面板設(shè)置的按鍵指令和50 Hz外同步信號。視頻輸出接口通過顯卡直接在用戶界面上顯示目標(biāo)及背景圖像、波門以及十字絲。

在有多個實時程序同步運行并且與用戶進行交互的情況下，系統(tǒng)同步極為重要。因此，配置統(tǒng)一的同步時鐘，對于系統(tǒng)調(diào)試來可以起到事半功倍的效果。為了分析具體到某幀圖像處理的實時性和準(zhǔn)確性，設(shè)置場標(biāo)記信息并實時傳遞，根據(jù)對記錄的數(shù)據(jù)進行相互驗證可以很方

便地判斷伺服系統(tǒng)和視頻處理系統(tǒng)之間同步故障位置。

圖2 Matrox Odyssey XA的硬件結(jié)構(gòu)圖

2 電視跟蹤系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

電視捕獲跟蹤系統(tǒng)軟件部分主要包括預(yù)處理、全視場捕獲、形心跟蹤、邊緣跟蹤、相關(guān)跟蹤五大模塊。預(yù)處理模塊用來對視頻數(shù)據(jù)進行濾波去噪，處于各個功能模塊的最前端。之后轉(zhuǎn)入全視場捕獲模塊，讀入視頻數(shù)據(jù)，完成在全視場中搜索目標(biāo);確定符合預(yù)設(shè)條件的目標(biāo)后終止尋找，給出脫靶量和波門尺寸及位置等信息[3]。

形心跟蹤根據(jù)上述波門尺寸及位置對視頻數(shù)據(jù)進行處理，計算目標(biāo)形心位置并作為脫靶量輸出，完成形心跟蹤功能;邊緣跟蹤用于目標(biāo)的邊緣點識別，相關(guān)跟蹤模塊則用于計算目標(biāo)的相關(guān)匹配最大點并輸出相應(yīng)的脫靶量。

對于Matrox Odyssey XA視頻處理卡的開發(fā)環(huán)境而言，上述五個視頻處理部分可以充分利用板卡提供的函數(shù)庫(這里所實現(xiàn)的系統(tǒng)主要采用ONL庫)中的函數(shù)進行編程。該系統(tǒng)主要使用的開發(fā)模塊包括:應(yīng)用、系統(tǒng)、線程控制模塊，用于程序的系統(tǒng)管理;Blob分析模塊，主要用于預(yù)處理; 模式匹配模塊，完成主要的跟蹤計算;同步模塊，用于跟蹤計算與圖像采集的同步。

自動跟蹤時，系統(tǒng)首先啟用全視場捕獲算法，當(dāng)視場中的目標(biāo)一旦被捕獲，就轉(zhuǎn)入波門跟蹤，波門跟蹤可以采取形心跟蹤、質(zhì)心跟蹤、邊緣跟蹤或相關(guān)跟蹤算法。波門跟蹤過程中，系統(tǒng)針對需求只讀取需要部分的數(shù)據(jù)(波門內(nèi)數(shù)據(jù))進行局域自適應(yīng)閾值分割、提取目標(biāo)和計算脫靶量，這樣可以抑制圖像背景的干擾減少計算量。系統(tǒng)針對實際所要捕獲跟蹤的目標(biāo)和背景的特性，對捕獲和跟蹤算法進行了針對性的改進[4]。

由于該系統(tǒng)主要針對復(fù)雜背景運動較慢的目標(biāo)，而相關(guān)跟蹤方式更適合于對這種目標(biāo)的跟蹤，因此在對各種跟蹤方式的改進中，突出對相關(guān)跟蹤方式進行改進，并采用了實時更新模版、增加模板的尺寸和樣本密度、預(yù)測波門位置以及序貫相似性檢測算法等方法用于提高相關(guān)跟蹤的性能，在跟蹤過程中，用戶可隨時通過鼠標(biāo)點擊目標(biāo)修改當(dāng)前模版，提高了人工的可干預(yù)性。自動跟蹤軟件流程如圖3所示。

圖3 自動跟蹤軟件流程圖

在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)該款視頻處理板卡與顯卡存在兼容性問題。Matrox Odc顯示監(jiān)控軟件可實現(xiàn)視頻處理板卡與顯卡間的直接數(shù)據(jù)傳輸，而這種情況在視頻處理板卡與顯卡間的兼容性不夠好的情況下，會影響圖像處理進程，導(dǎo)致計算延遲增加而圖像仍然繼續(xù)進行采集，從而使得在一幀圖像計算完成時下一幀圖像已經(jīng)采集完成，此時就會出現(xiàn)一幀延遲而下一幀計算迅速完成的情況，導(dǎo)致與主控計算機之間失去同步。為了改變這一情況，不用Matrox Odc進行圖像顯示，而是使用在沒幀計算完成后將圖像載入到內(nèi)存然后通過跟蹤軟件繪制圖像，從而避免了視頻處理卡與顯卡之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，較好地解決了這一問題。

在調(diào)試過程中也發(fā)現(xiàn)視頻處理板卡與顯卡間硬件沖突的現(xiàn)象，因此建議在以后采用這種方式開發(fā)時應(yīng)首先對硬件之間的兼容性進行測試。

在調(diào)試中，由于通過I/O卡讀寫雙口RAM的操作順序問題導(dǎo)致了通信不正常的情況。由于程序要反復(fù)對雙口RAM進行讀寫，在一輪寫操作結(jié)束后，I/O卡上的地址端口上保持最后一次寫操作的地址，到下次寫操作開始時，如果先使能雙口RAM的寫操作，后寫地址，則在寫操作使能后會導(dǎo)致在上一輪寫操作的最后一個地址單元立即被寫入當(dāng)前數(shù)據(jù)端口上的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀寫錯誤。如果先寫地址，再進行寫使能，則可以避免這種現(xiàn)象，而規(guī)范的操作就應(yīng)當(dāng)如此。因此，嚴(yán)格遵守板卡的讀/寫操作規(guī)范，即使對于自行研發(fā)的板卡，也應(yīng)根據(jù)其邏輯規(guī)則制定相應(yīng)的規(guī)范。

這里所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)每秒50場的跟蹤計算，可以完成地面背景下對較慢運動目標(biāo)的跟蹤測量任務(wù)。

3 結(jié) 語

Matrox Odessy XA視頻處理卡功能強大，運算速度快，并且其配套軟件封裝了大量經(jīng)過優(yōu)化的算法供開發(fā)人員使用，因此研發(fā)效率高，研發(fā)成本低。這無疑是選擇已有的視頻處理卡進行開發(fā)的主要原因。然而，由于板卡自身限制，計算必須以幀為單位，即計算必須等到一幀圖像采集完成才能夠進行，從而系統(tǒng)始終存在兩場延遲;而此前自行開發(fā)的電視跟蹤器，則可以以一行圖像為單位進行計算，即每采集完一行圖像即進行計算，而在場消隱區(qū)進行統(tǒng)計計算并輸出脫靶量，從而實現(xiàn)當(dāng)場輸出脫靶量，延遲僅有一場。當(dāng)然，以行為單位進行計算僅限于比較簡單的計算，對于較為復(fù)雜的相關(guān)計算則不適合，因此也存在其局限性。

參考文獻

[1]Matrox Odyssey Native Library[Z].2006.

[2]張耀，張譚平.一種用于電視跟蹤的實時視頻圖像處理平臺設(shè)計[J].光電技術(shù)，2001，28(6):63-65.

[3]楊宜禾，周維真.成像跟蹤技術(shù)導(dǎo)論[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1992.

[4]楊明林.FPGA控制實現(xiàn)圖像系統(tǒng)視頻圖像采集[J].計算機測量與控制，2003，11(6):451-454.

[5]侯格賢，吳成柯，基于GAS的圖像跟蹤系統(tǒng)及其實現(xiàn)[J].航空學(xué)報，2000，21(5):468-470.

[6]王軍寧.多模式實時電視跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，1997.

[7]趙杰.基于目標(biāo)的圖像分割技術(shù)研究[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005，17(1):28-29.

[8]聶衡杰.電視跟蹤系統(tǒng)仿真分析[J].南華大學(xué)學(xué)報:理工版，2002，16(3):95-98.

[9]張志佳，張瑜，史澤林，等.基于區(qū)域模版相關(guān)的圖像匹配方法研究[J].紅外與激光工程，2004，33(6):615-618.

[10]張小華，孟紅云.基于感興趣區(qū)域的圖像認證技術(shù)[J].電子與信息學(xué)報，2005，27(1):31-34.

[11]田雁，曹劍中，張伯珩，等.一種快速捕獲目標(biāo)的電視跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].光子學(xué)報，2007(Z1):266-269.