（通信与信息系统专业论文）c6xpc信息系统状态、界面与控制.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 场景视频观察，动目标识别与视频分层技术，目标视频图象信号特性 分析及其d s p h o s t p c 实现是当代i t 技术的研究热点。我们的研究项 目为：c 6 x h o s t p c 的红外场景观察、运动目标跟踪信息系统。 本文首先研究了运动目标识别与跟踪系统的理论模型，对整个系统 进行了功能模块的划分和协议的分层，然后提出了基于w l n n t 的c 6 2 0 2 运动目标识别与跟踪系统方案。在该项目的开发过程中，将跟踪系统按 功能划分为四个部分：硬件平台、d s p 跟踪软件、硬件的驱动程序和主 机控制程序。本文重点讨论运动目标识别与跟踪系统的主机控制程序的 设计与实现。 主机控制程序的设计充分体现了现代软件设计的思想。在方案设计 中，强调了主机控制程序的三个设计准则：界面的简洁性、运行的稳定 性和功能的可扩展性。主机控制程序采用了模块化设计，并参照了目前 软件设计的先进模型：c o m ( 组件对象模型) ，这既降低了主机控制程 序设计的复杂度，又有利于主机控制程序各模块的调试。主机控制程序 支持：向p c i 板卡下载d s p 跟踪程序，启动停止d s p ，实时显示场景 视频，对运动目标序列进行实时存储，对运动目标序列的基本特性进行 实时分析和结果的显示。 主机控制程序的设计、实现和调试已基本完成。主机控制程序与系 统其它模块的联机调试正在进行。从当前的结果看，主机控制程序已能 正常工作，但整个系统各模块的融合还有一定问题，系统的软、硬件设 计还需要进一步优化。 关键字：堡垫旦窭馥型与跟踪 主机控带陋序组件对象模型 一0 7 d s p h o s t p cw i n n tc o m p c i 板卡 7、- v ， 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t 1 h ev i d e o o b j e c td e t e c t i o n ，r e c o g n i t i o n ，t r a c k i n g a n dv i d e o o b j e c t g e n e r a t i o no ft h ev i d e oi m a g es e q u e n c ea r et h eh o tt o p i c s o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yo u rp r o j e c t i st od e v e l o pi n f o r m a t i o ns y s t e mo fi n f r a r e dv i d e o s u r v e i l l a n c ea n dm o t i v e o b j e c t d e t e c t i o na n dt r a c k i n gw i t h c 6 x h o s t p c a r c h i t e c t u r e i nt h i st h e s i sa r es t u d i e dt h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mo fv i d e o o b j e c td e t e c t i o na n d t r a c k i n g ，t h e n t h ef u n c t i o n sa n d l a y e r s t r u c t u r e m o d e lb a s e do nt h eh a r d w a r e p l a t f o r mo fc 6 x v i d e ob o a r d - h o s t p ca n d s o f t w a r es u p p o r to fw i n n t ，t h eb a s i cd i a g r a mo ft h es y s t e mi sp r o p o s e d t h es y s t e mf u n c t i o n sa r ed i s c u s s e di nf o u rp a r t s ：h a r d w a r ep l a t f o r m 、d s p t r a c k i n gs o f t w a r e 、h a r d w a r e sd r i v e ra n dh o s tc o n t r o ls o f t w a r et h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh o s tc o n t r o ls o f t w a r ei s m a i n l ys t u d i e di n t h i s p a p e r t h ed e s i g np r i n c i p l e so ft h eh o s tc o n t r o ls o f t w a r ea r et h ee l e g a n c eo f i n t e r f a c e 、s t a b i l i t yo fr u n n i n g 、e x p a n s i b i l i t yo ff u n c t i o nt h em o d u l a r i z e d s t r u c t u r ei s a d o p t e di n t h ed e s i g n ，r e f e rt ot h ec u r r e n ta d v a n c e dm o d e lo f s o f t w a r e d e s i g n ：c o m p o n e to b j e c t m o d e li tn o t o n l y r e d u c e si t s c o m p l e x i t y ，b u ta l s o b e n e f i t st h ed e b u g g i n gt h ef u n c t i o n so fh o s tc o n t r o l s o f t w a r ei n c l u d ed o w n l o a do fd s pt r a c k i n gp r o g r a mt op c ic a r d ，s t a r t s t o p d s p , s c e n es u r v e i l l a n c e ，s t o r i n gt h ev i d e oo b j e c td a t a ，t h er e a lt i m ea n a l y s i s o fv i d e oo b j e c t sa n dt h er e s u l t sp r e s e n t a t i o n t h es y s t e me x p e r i m e n t i n gs h o w st h a th o s tc o n t r o ls o f t w a r ei s q u i t e g o o d k e y w o r d ： h o s tc o n t r o ls o f t w a r e c o m p o n e n to b j e c tm o d e l d s p - h o s t p cw i n n tc 6 x v i d e ob o a r d h o s t p e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：幺盔盔 日期：。u 。己年t - , j 寻日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：么五盔 导师签名： 日期：t 0 0 揖 电子科技大学硕- i 论文 第一章引言 1 1 运动目标识别与跟踪系统简介 运动目标识别与跟踪技术是当今科技领域一个重要的研究方向。f 3 它是一门涉及数字图像处理、自动控制、计算机应用等方面的交叉学科。 它在计算机视觉、可视预警、交通监控等方面都有非常广泛的应用。 运动目标识别与跟踪系统究竟是怎样的一个系统昵? 简而言之，运 动目标识别与跟踪系统是一个可以完成图像的采集和处理，从而实现目 标识别与跟踪的智能信号处理系统。结合运动目标识别与跟踪系统的基 本物理模型，如图i i 所示，我们来讨论运动目标识别与跟踪系统的 系统方程。 运动目标识别与跟踪 系统 输出处癌站 输入视频信号 l il 图1 1 运动目标识别与跟踪系统物理模型图 运动目标识别与跟踪系统的系统方程： 西【f ( x l ，x 2 ，x 。，t ) 】f 。= w i 2 3 胁 运动目标识别与跟踪系统方程的物理意义是：数字视频信号r x l ，x 2 x 。， t ) 通过一个信号处理系统西【 ，在限定条件为c 的情况下，系统的输出 结果是： w l w 2 w 3 胁】7 。 1 2 课题的研究任务 运动目标识别与跟踪系统是一个复杂的智能系统。从课题的任务需 求上考虑，可以把运动目标识别与跟踪系统的研究任务划分成一下几个 部分： 电子科技大学硕士论文 1 、运动目标识别与跟踪系统的硬件设计； 2 、硬件的驱动程序的设计； 3 、实现运动目标识别与跟踪的d s p 跟踪软件的设计； 4 、主机控制程序的设计。 本人担负的主要任务是：运动目标识别与跟踪系统的主机控制程序 的设计。论文的讨论重点也是这一部分。 1 3 国内外研究动态 1 3 1运动目标识别技术发展动态 运动目标识别与跟踪的过程是实际上一个数字图像处理的过程。它 主要包括：图像分割、图像识别两个过程。这两个过程的图像处理算法 也是运动目标识别与跟踪技术的关键算法。下面我们对图像分割和图像 识别的处理方法进行简单的探讨。 一、图像分割技术发展动态 到目前为止，图像分割的算法有很多。如；基于图像灰度门限的图 像分割、基于图像纹理特征的图像分割、基于图像运动特征的图像分割 等。 1 、基于图像灰度门限的图像分割技术 这种方法是根据图像象素的灰度信息，选择一个灰度门限，通过对 图像进行二值化处理，来实现图像的分割。其数学表现形式为： f ，y ) ：1 。 1 0 f ( x ，y ) t e l s p 其中：，为图像灰度门限 选择门限是这种处理算法的关键，它会直接影响到图像分割的效 果。传统的针对目标与非目标的双峰直方图的分割方法有很多，如：最 小错误概率法、贝叶斯法等。 但是实际上的图像直方图通常是比较复杂的，所以用传统的处理方 法效果在某些情况下不能令人满意。人们有提出了模糊处理方法、熵不 电子科技大学硕士论文 变分割法和随机场模型等新的处理方法。其中随机场处理方法是目前研 究的热点。 2 、基f 图像纹理特征的图像分割技术 基于图像纹理特征的图像分割方法不是从图像的灰度特征出发来 进行图像分割，而是通过图像的纹理特征来分割图像。这种图像分割方 法也是现在研究的热点。 l j 前常见的纹理图像分割方法有：基于小波变换的处理方法和基于 分形学的处理方法。 3 、基于图像运动特征的图像分割技术【3 】 对于运动的图像数据来说，图像信息不但在空间上具有相似性，在 时间上也有很大的相似性。可是，基于图像灰度门限的分割和基于图像 纹理特征的图像分割在图像处理中都只用到了图像信息的空间相似性。 基于图像运动特征的图像分割技术正是利用了连续图像序列在时 间上具有极大的相似性来进行图像分割，所以在图像分削效果上就有较 大的提高。 二、图像识别技术发展动态 图像目标从背景中分割出来以后，系统还需要对它进行识别，判断 分割处理的是否为要跟踪的目标。目标的识别主要包括：图像特征的描 述和图像特征的识别运算。 3 1 图像的特征描述就是建立图像特征向量的过程。建立图像特征向量 的方法最常用的方法就是：建立目标特征参数。常用的目标参数有： 1 、 几何参数，如目标面积、占空比、长宽比等； 2 、 统计参数，目标图像的各阶统计矩。 图像特征向量建立好以后，通过一定的匹配运算来实现目标的识 别。常见的匹配运算有：m a e 、m s e 。f 5 1 1 3 2 软件设计的先进模型：c 0 m ( 组件对象模型) p c 机自从诞生以来，硬件经历了无数变化，c p u 从最初的i n t e l 8 0 8 6 到现在p 4 满大街都是也只不过十几年。微软的w i n d o w s 操作系 统从最初的1 0 版本到现在推出w i n x p ，直是桌面系统上装机量最大 电子科技大学硕士论文 的o s 。作为软件开发人员，使用着包括v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，d e l p h i 包括最新的b o r l a n dc + 十b u i l d e r 等等在内的众多开发环境为w i n d o w s 开发应用程序。应该说现在的开发条件和若干年以前比已经是大大的进 步了。以前开发1 6 位的w i n d o w s 程序，可能为了读取一个文件，我 们不得不使用一小段汇编来调用d o s 例程，或者使用当时w i n d o w s 尚未公开的函数：l o p e n o 。在w i n 3 2 环境下，我们所要做的全部是调用 c r e a t e f i l e 0 来获得一个文件句柄，当然如果使用m f c 或是o w l 之类的 东西，可以更简单的做到。0 7 1 不过一般情况下，程序员仍然不得不从头 开始写编写应用程序的每一行代码。但这种情况得到了改变：微软提出 了co m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，中文也可以译作”组件对象模型”) 概念，并且在w i n d o w s 9 5 9 8 以及w i nn t 4 中越来越广泛的使用它： 我们有理由相信在不久的将来，c0m 将成为构建应用程序最普遍的方 法通过。一般的讲，一个应用程序总是由单个的二进制文件组成。在以 前，如果这个程序需要做一些改进，就要修改源代码，然后编译，声称 新的文件，然后取代原来的文件。现在，我们用一种全新的角度来看问 题：把原先一整个的e x e 可执行文件，分割成功能不同，但相对独立的 几个部分，把它们拼装起来，组成程序，组成软件。在未来程序发布以 后，如果意识到需要对它进行修改，只要替换有问题的或是需要升级的 组建就可以了。甚至可以做到在不影响程序正常运行的情况下替换其中 的部件。如果熟悉w i n d o w s 编程，可能会马上想到：d l l 似乎就是 我们所说的东西：可以动态下载，动态连接。事实上，c o m 正是充分利 用了w i n 3 2d l l 的灵活性才得以真正在w i n d o w s 平台上实现的。这样 做有以下优点：首先，用户一般希望能够定制所用的应用程序，而组件技 术从本质上讲就是可被定制的，因而用户可以用更能满足他们需要的某 个组件来替换原来的那个。其次，由于组件是相对应用程序独立的部件， 我们可以在不同的程序中使用同一个组件而不会产生任何问题，软件的 可重用性将大大的得到增强。第三，随着网络带宽及其重要性的提高， 分布式网络应用程序毫无疑问的成为软件市场上越来越重要的卖点。组 件架构可以使得开发这类应用程序的过程得以简化。那么，c o m 到底 是什么呢? 它是一个说明如何建立可动态互变组件的规范。它定义了 一些为保证能互操作，客户( 一个术语，指需要某种组件的程序) 组件 电子科技大学硕士论文 必须遵循的标准，c o m 规范就是一套为组件架构设置标准的文档形式的 规范。c o m 的发布形式是：以w i n 3 2 动态链接库( d l l ) 或者可执行文件 ( e x e ) 的形式发布的可执行代码组成。 2 1c o m 组件是动态连接的， 而且c o m 组件是完全与语言无关的。同时，c o m 组件可以以二进制的 形式发布。c o m 组件还可以在不妨碍老客户的情况下被升级成新的版 本。可以认为，c o m 所能提供的服务有些类似c + + 中的类。不过类是 基于源代码的，c o m 则不是。不过这里要澄清一些关于c o m 的错误观 点：首先，c o m 不是一种计算机语言。把c o m 同某种计算机语言( 如 c + + v b ) 相比较足没有意义的。【2 l 其次，也不要把d l l 和c o m 做比 较，因为c o m 技术正是利用了d l l 的动态链接能力才得以实现的，而 现在一般观点则认为，利用d l l 动态链接能力最佳的方法是c o m 。当 然，c o m 也不是w i n 3 2a p l 那样的一个函数集：它并没有支持或者提供 类似m o v e w i n d o w 这样的函数来对系统进行特定的操作。c o m 也并不 是类似于m f c 那样的c + + 类库。c o m 给开发人员提供的是一种开发与 语言无关的组件库的方法，但c o m 本身并没有提供任何实现。在一定 程度上可以认为c o m 是系统无关的，s o f t w a r ea g 组织正在开发一系列 c o m 支持系统，有望在不久的将来，包括从m a co s ，v m s ，s c ou n i x 到l 1 n u x 的操作系统上都将得以实现c o m 。c o m 的确有一些具体的 实现。c o m 本身要实现一个称为c o m 库( c o ml i b r a r y ) 的a p i ，它提供 诸如客户对组件的查询，以及组件的注册反注册等一系列服务，一般来 说，c o m 库由操作系统加以实现，程序员不必关心其实现的细节。总体 来看，c o m 提供了编写组件的个标准方法。遵循c o m 标准的组件可 以被组合起来以形成应用程序。至于这些组件是谁编写的，是如何实现 的并不重要。组件和客户之间通过”接口”来发生联系。 1 4 论文安排 本文是运动目标识别与跟踪系统的研究工作的总结，文中着重讨论 了运动目标识别与跟踪系统的主机控制程序的设计和实现。本论文章节 安排如下： 电子科技大学硕士论文 笫一章：论文的引言部分，它包括课题的研究任务、运动目标识别 与跟踪系统简介与国内外相关技术研究动态； 第二章：讨论运动目标识别与跟踪系统的实现方案，它涉及的内容 有运动目标识别与跟踪系统功能划分、运动目标识别与跟踪系统的协议 分层以及系统的软硬件实现方案； 第三章：主机控制程序的设计和实现； 第四章：主机控制程序对信息流的处理： 第五章：主机控制程序的关键技术，包括主机显存地址的获取、主机 控制程序向p c i 板卡下载d s p 程序和启动d s p ； 第六章：介绍运动目标识别与跟踪系统软、硬件连调中要用到的硬 件设备和软件以及调试方法。 6 电子科技大学硕士论文 第二章基于w i n n t 的c 6 2 0 2 视频跟踪系统方案 运动目标识别与跟踪技术不管是在军事上，还足在民用中都有极其 重要的实用价值并且得到了非常广泛的应用。运动目标识别与跟踪技术 属于图像处理技术的一个重要分支，因此运动目标识别与跟踪系统的实 现方案与数字图像处理的实现方案有着紧密的联系。本章就运动目标识 别与跟踪系统功能、软硬件实现方案进行讨论。 2 1 系统的功能描述和功能模块的划分 运动目标识别与跟踪系统一般说来有两种：基于计算机( 即需要主控 计算机) 和独立于计算机的( 如：做在单板机上) 。本论文讨论的是工作在主 控计算机上的目标识别与跟踪系统。结合图2 一l 我们可以看出一个工 作在主控计算机上的目标识别与跟踪系统，般说来它应该具备的功能 有： 功能模块f l 功能模块f 2功能模块f 3功篱模块f 4 图2 1 目标识别与跟踪系统的功能模块图 视频信号的数字成像功能( f 1 ) 。它包括视频信号的采集，预处理， 把输入的视频信号转换成系统能够进行处理的数字图像数据，并 且按照一定的组织结构放在确定的存储区域； 数字图像处理功能( f 2 ) 。运用相关的图像处理算法来实现目标的 识别与跟踪，该功能是目标识别与跟踪系统的核心功能； 与主控计算机的数据交换功能( f 3 ) 。由于目标识别与跟踪系统是 工作在主控计算机上的，所以它只有具备了与主控计算机的数据 交换功能才能使二者成为一个有机的整体； 7 电子科技大学颐士论文 _ j ：层可控制功能( f 4 ) 。目标识别与跟踪系统是主控计算机的个 子系统，是主控计算机的功能扩展模块。为了便于主机对目标识 别与跟踪系统的操作和管理，该功能是不可或缺的，同时主机还 可以实现一些目标识别与跟踪系统的辅助功能。比如视频图像的 实时显示，图像数据的存储，目标特性分析，系统的远程控制， 数据的网络传输等。 2 2 系统的协议分层描述 类似于i s o 七层模型，我们对一个功能完整的目标识别与跟踪系统 进行功能上的分层描述。这个系统可划分为：硬件层、d s p 软件层、驱 动程序层、应用层四个相对独立的层次，同时下层平台提供了上层平台 实现的基础。图2 2 是目标识别与跟踪系统层次划分图，从图中可以 看出构成目标识别与跟踪系统的四个层次的功能是： 随甩屠 驱动程序层 d s p 软件层 硬件层 图2 2 目标识别与跟踪系统的功能分层图 处于系统最底层的是系统的硬件平台，它是整个系统最基本的支 撑平台，它的稳定运行是系统软件正常工作的前提；从通信的观 点来看，它是最初的信息提供者，是最初的信源； 处于第二层的是d s p 软件层，它主要功能是对数字视频图像进行 处理，实现对场景的实时观测和运动目标的识别与跟踪；它给驱 动程序层提供数字视频图像和运动目标的数据； 第三层是系统的驱动程序层，它负责系统底层数据与上层主机的 数据交换以及各种硬件资源的调度与管理； 系统的最顶层是应用层，它负责与用户进行信息交换，根据用户 电子科技大学硕士论文 的输入控制下层的工作状态；它还根据驱动程序层送上来的数据 向用户提供有用的信息，对目标图像数据及相关特征数据进行存储。 2 3 运动目标i , q z l j 与跟踪系统的设计 目标识别与跟踪系统的核心功能是：通过对数字视频图像的处理 实现对运动目标的跟踪与识别。所以实现对运动目标的跟踪与识别是整 个系统的关键。d s p 芯片具有强大的数字信号处理功能，所以用它来实 现数字图像处理算法是一个比较理想的选择。目标识别与跟踪系统的运 动目标的跟踪与识别功能模块可以看作是一个d s p 系统。 在通常情况下，对d s p 系统的设计是按图2 3 所示的设计流程进 行的。 图2 3d s p 系统的设计流程 由于运动目标识别与跟踪系统是一个极其复杂的系统，将一个复杂 系统进行分解是简化系统设计的重要方法。 参照图2 4 ，我们来讨论运动运动目标识别与跟踪系统的组成结 构。从总体来看，可以把目标跟踪与识别系统分解为系统硬件和系统软 件两大部分。 电子科技大学硕士论文 目标识别与跟踪系统 系统硬件 采集处理卡 系统软件 d s p 软 件 驱 动 程 序 应 用 程 序 p c 仿 真 南南南南南南倒引引 1 0 电子科技大学硕士论文 2 4 运动目标的识别与跟踪系统软件的设计 和实现方案 在前面我们已经讨论了系统的功能模块的划分，可以看出：运动目标识别与 跟踪系统软件由d s p 软件、驱动程序、和主机控制程序三部分组成。 2 4 1 运动目标识别与跟踪软件的设计 一、运动目标识别与跟踪的软件算法模型 运动目标的识别与跟踪的算法由d s p 软件来实现。下面就运动目标 识别与跟踩的软件算法模型作一个一般性的讨论。 一个运动目标识别与跟踪软件在通常情况下的工作流程如下： 1 、观察的数字视频图像中搜索目标图像存在的区域； 2 、检测、分割、识别图像目标； 3 、确定目标点及其运动轨迹。 运动目标识别与跟踪软件的数字图像处理部分基本模型 如图2 一s 所示。 当匡 三p 蜓受煺 图2 5 运动目标识别与跟踪软件的数字图像处理流程图 其中0 1 小0 2 】、o s 】是运动目标识别与跟踪软件的图像处理算子。 每个算子实现了相应模块的处理功能。 l 一) 目标区域提取算罕0 】 假| ；支：白标”j 乩”1 j - 曲域为t ( x ，y ，t k j ，矗、瓦曩盈窘专 ：， y ，t k ) ，那么 t ( x ，y ，t k ) = o t f ( x ，y ，t k ) ，f ( x ，y ，t k 一1 ) ，f ( x ，y ，t k n ) 】 n 的取值由系统的处理能力和处理算法决定，一般说来n 2 。 算子0 1 可以是基于当前帧信号f ( x ，y ，t k ) 的各种分割算子，如 电子科技大学硕士论文 基于灰度信息的分割算子、基于纹理特征的分割算子、基于分形的分割 算子等，也可以是基于序列图像相邻帧信号f ( x ，y ，t k ) 、f ( x ，y ，t k 一，) 、 、f ( x ，y ，t k 一。) 。具体采用哪一种形式的处理算子，取决于目 标与背景图像在哪种域中是可分割的。 ( 二) 目标特征提取算子0 2 目标特征提取算子0 2 】对处理得到的可能目标区域t ( x ，y ，t k ) 进行特征描述，并在相应特征空间中进行识别运算，判定是否为目标： s ；= 0 2 t ( x ，y ，t k ) 】 对图像识别特征进行描述的算子有很多，比如各种统计矩特征、各 种几何形状特征等。 在实际的运动目标识别与跟踪软件中，软件的识别特征向量s ；可以 表示为： s ；= 【p t ( t k ) ，s p ( t k ) 】 其中，p 。( t k ) 表示目标形心位置，s 。( t k ) 表示目标的形状参数。 不管采用哪种形式的特征向量，对于目标特征向量s ：来讲，都要 符合以下几个条件： l 、可识别性：所建立的目标特征向量s ：要与背景有明显的区 别； 2 、平稳性：在采样处理间隔a t 内，对于目标特征向量s ；至少要 具有短时间的平稳性，这是进行识别运算的基础； 3 、降维：在保证识别的前提下，要尽量降低特征向量s ；的维数， 并减少特征向量s ：中个向量之间的相关性。 ( 三) 目标识别算子0 3 【】 o “】是一种识别运算算子，它是在图像识别特征向量空间的运算， 其具体形式取决于具体的图像特征向量s ；。这实际上也是一个特征空 间聚类问题。 唰i s s ；k - l 州k - n 】= 亿冀标 在实际软件的设计中，定义了一种多维特征空间的距离，并以此判 断两个特征向量是否为同一类。 一种常用的距离形式就是特征空间的欧氏距离。对于在某一种具体 1 2 皇三型垫奎兰堡主笙苎 一 的应用中，如果选择sk ，= ( t s z ( “，r “，n 。) ，其中t s z 。表示目标 在k 帧时的面积，r2 为目标紧支持域的外接矩形中目标5 - 空比，n 为 目标紧支持域外接矩形长宽比，对相邻两帧k ，( k - - 1 ) 搜索到的图像区 域识别是否是同一目标在两i n 上的区域，用作目标识别的分类距离可以 表示为 i s k ，一s ，k - 1 i = f ( d 1 ，d 2 ，d 3 ) f 其中：d l = it s z 一t s z “1 f ； d 2 = jr - - r 1j ； d s = jn2 - - n “1 i 在进行目标识别分类时，若设置三个门限l 、：、3 ，而算子o a 】 可以表示为： 0 3 = 器襄q 托2 式中： 弘佗髫1 c ：k - - 一亿翼 色 g ：1 d s ， 3 1 0其它 o “】算子输出为1 ，表示相继两帧的相关区域为n - - 目标，否则就不是同一 目标。 二、运动目标识别与跟踪软件的状态方程 运动目标识别与跟踪软件处于正常工作状态时，整个软件的运行是 一个状态转换和进程激活的过程。 就图2 6 ，我们来讨论运动目标识别与跟踪软件( 以下简称软件) 在 工作过程中的状态转换情况。 电子科技大学硕士论文 图2 6 运动目标识别与跟踪软件的状态转换图 1 、 指定目标状态s t a t e p o i n t ( s 1 ) 软件根据初始加载的参数，决定其是否为指定图像目标的跟踪状 态，如果是，软件就处于等待指定目标状态，旦上层控制程序 给出指定目标的初始位置并发出跟踪命令，软件即刻转入捕获状 态。 相应的状态转换条件c 。 c i ：s t a t ep o i n t s t a t e c a p = m o d e l p a r a g u i d e - - - l ， i n p u t p a r ap o s i t i o n = ( x ，y ) ， s y so r d e r = s y s o r d e r , s t a r t 输出状态：o u t p u t s t a t e = s 1 ) ，s l _ p a r a 2 、 自动搜索状态s t a t es c h ( s 2 ) 如果软件不是处于指定目标跟踪状态，这时软件就必须按照一定的 算法和搜索准则对视场范围进行搜索，一旦发现目标就立刻转入捕获状 态。 1 4 电子科技大学硕士论文 相应的状态转换条件c ，： c 3 ：s t a t e s c h = s t a t e c a p2 m o d e l p a r ag u i d e 2 0 ， f i n d t a 喀e t = v a l i d ) ， s y s o r d e r = s y s o r d e r s t a r t ) 输出状态：o u t p u ts t a t e = ( s 2 ) ，s ，一p a r a 3 、 目标捕获状态s t a t e c a p ( s 3 ) 对于指定或自动搜索给出的目标位置的数字视频图像进行处理，建 立跟踪初始时目标的特征图像模板或目标特征向量，系统转入跟踪状 态，否则，系统自动返回指定目标状态s l 或自动搜索状态s ：。 相应的状态转换条件c 2 、c 4 、c 5 c 2 ：s t a t e c a pjs t a t e _ p o i n t2 m o d e l p a r ag u i d e = 1 ， c a p t u r e s u c c e s s = f a i l ) ， s y s o r d e r = s y s o r d e r s t a r t c 4 ：s t a t ec a pj s t a t e _ p o i n t 。f m o d e l p a r ag u i d e = 0 ， c a p t u r e s u c c e s s = f a i l ) ， s y s o r d e r = s y s o r d e r s t a r t ) c ，：s t a t e _ c a p j s t a t e _ p o i n t 2 f c a p t u r e s u c c e s s - - - v a l i d ， s y s o r d e r = s y s o r d e r s t a r t 输出状态：o u t p u ts t a t e - - - - m a xm e mn u m b e r ， 1 6 电子科技大学硕士论文 s y s o r d e r = s y s o r d e r s t a r t j c l o ：s t a t e m e m j s t a t e s c h = m o d e l p a r a = 1 ， f i n d t a r g e t = f a i l ) ， s m n u m b e r m a x _ m e m n u m b e r s y s o r d e r = s y s o r d e r s t a r t ) 输出状态：o u t p u t s t a t e 2 s 6 ，& 一p a r a 2 4 2 主机控制程序的抽象化设计 主机控制程序的良好设计是运动目标识别与跟踪系统成功的关键， 因为系统所有的状态和信息都要通过主机控制程序传达给用户，用户的 所有命令都要通过它控制下层部件来实现。对主机控制程序的基本要求 是程序的开放性构架和具有良好接口特性的程序部件。图2 - 7 是主机控 制程序的抽象化构架： 图2 7 主机控制程序的抽象化构架 1 7 电子科技大学硕士论文 1 、信息输入部件： 信息输入是系统实现多任务，灵活性的关键，系统只有能方便地 设置各种参数，快速简便地接收外部命令，才能灵活和安全地设 置下层部件的工作的状态。在该系统中，它只包括用户界面。用 户界面的主要任务之一是得到用户的操作以向下层部件传送各种 设置参数和控制命令。 2 、 信息输出部件： ( 1 ) 用户界面：实时输出数字视频( 即观测的场景) ，系统状 态和目标的基本信息的分析结果； ( 2 ) 实时存储部件：对目标的基本信息及分析结果进行实时存 储。 3 、分析部件； 对与驱动程序通信部件送来的目标数据进行实时分析，并将结果 送给信息输出部件。 4 、与驱动程序通信部件： 为了保证驱动程序送上来的目标数据在主机控制程序的处理过程中不 会因主机控制程序的处理速度过慢而丢失，因此需要有专门的部件对驱 动程序送来的目标数据进行缓存。这个部件的主要功能就是缓存驱动程 序送上来的目标数据，从通信的观点来看就是一个数据转发器。 主机控制程序的具体设计和实现，我们将在下一章详细讨论。 2 5 运动目标的识别与跟踪系统硬件的实现方案 2 5 1 硬件系统的设计原则 在实际的硬件系统设计过程中，有许多因素是必须考虑的。因为这 些因素决定了设计出来的硬件系统是不是一个最经济、最可靠、最优化 的系统。所以我们在设计硬件系统的时候必须遵循以下几个原则： 电子科技大学硕士论文 3 、 硬件系统应具有较高的稳定性和可靠性，在有较强电磁干扰的环 境下也能正常工作。 对于速度要求不是特别高的硬件系统，应尽可能用软件来实现系 统功能，以减轻硬件设计的复杂性。另一方面，在系统方案已经 确定的情况下，硬件系统应发挥最大的效率。 硬件系统应具有较强的功能扩展能力。在现代硬件系统设计中， 该系统的功能扩展能力是设计者考虑的一个非常重要的因素。因 为如果该硬件系统具有很强的功能扩展能力，那么我们只需要一 个通用的硬件平台，在不同的应用场合下，使用不同的上层软件 就可以实现不同的功能，这样就极大的减少了硬件设计的开发费 用。另一方面，控制逻辑可编程还有利于硬件系统调试，降低了 硬件设计的设计风险。 降低硬件系统开发成本。在选择器件的时候，应从系统的功能指 标出发选择经济实惠的器件，而不是片面追求功能大而全的新器 件。 2 5 2红外运动目标跟踪与识别硬件系统功能指标 一、 目标跟踪系统对视频数据输入方式的选择及处理精度要求 1 、能够自动切换视频信号的输入方式，就是说用户能选择视频信号 的输入方式：这就要求硬件系统既能处理模拟通道的视频数据， 又能处理数字通道的视频数据。 2 、模拟视频数字化精度要求：a d 精度为8 b i t 3 、数字视频通道的要求：按r s 4 2 2 传输协议接收数据，像素精度 1 4 b i t 二、 数字视频处理要求 1 、每场图像处理时间： 2 0 毫秒 2 、搜索到捕获时间：0 2 1 秒 3 、捕获到跟踪时间： 6 0 毫秒 4 、5 0 场秒实时识别、跟踪运动目标( 即当前场数据必须在下场 数据到来之前处理完毕，并由计算机输出处理结果，显示数字视 电子科技大学硕士论文 频图像) ，并给出目标位置及领域图像。 5 、硬件板卡( 即p c i 板卡) 与主控计算机的物理接口为p c i 总线接 口 2 5 3 硬件总体方案 2 5 3 1 硬件结构： 前面的章节，我们已经讨论了运动目标识别与跟踪系统的功能和 在实际应用对该系统性能上的要求。从而我们提出了以高性能d s p 器件( c 6 2 0 2 ) 为核心的数字图像处理系统。运动目标识别与跟踪系 统的硬件结构如图2 8 所示： f s l f s 2f s 3 图2 8 目标识别与跟踪系统的硬件结构图 2 5 3 2 硬件模块设计描述： 其中：功能模块f 由硬件单元f s i 完成； 功能模块彤由硬件单元f s 2 完成； 功能模块f 3 由硬件单元f s 3 完成； 功能模块f 4 由主机完成； 电子科技大学硕士论文 硬件单元f s 4 是系统的控制逻辑 参照系统的功能模块图和系统的硬件结构图，我们可以把整个硬件 系统定义为耶，硬件系统的各个子模块定义为f s ，则有： 4 f s = u 砖 l l 下面我们逐一来讨论各个硬件模块的设计实现。 一、耶：视频信号的数字成像模块 朋，模块主要功能是把红外摄像机的视频输入信号转化成系统能 够处理的数字图像数据。这个模块我们可以把它看成由：视频接口、输 入缓冲f i f o 、数字图像存储器( s r 灿) 三部分组成。 3 其中：视频接口模块= u f s , ，； f = l 输入缓冲f i f o = f s i ，； 数字图像存储器= f s l 5 ； 5 所以：耶严u 蛹， i = l 1 、视频接口部分( 朋jj 、f s l 2 ，雕j ，) ： 视频接口部分由：f s l 、f s j 2 、耶j ，三彩分组成。 f s ? 模拟视频信号数字化芯片( k s 0 1 2 7 ) ； f s 2 ，数字视频信号差分接收器( a m 2 6 l s 3 2 a ) ； f s j ，5 v 信号到3 3 v 信号转换( i d t q 3 2 x l 3 8 4 ) 红外运动目标跟踪与识别系统的视频源是；红外摄像机提供 的视频信号。红外摄像机有两路视频输出，即模拟视频输出和数 字视频输出。本系统要求视频处理卡对两路视频信号都能够进行 处理。因此，必须对输入视频信号进行预处理，为数字图像处理 模块( d s p ) 提供必要的视频数据和视频同步数据。由于视频信号有 模拟和数字之分，因此，可以把视频接口部分分为两个方面。 ( 1 ) 视频接口结构模块图( 如图2 9 所示) 2 1 电子科技大学硕士论文 视频接口模块 【2 45 7 6 砌1 zi 模拟视频h 善、 电 m 数字日像数据 f s n l 7 转 和搏步信号 换 f s l 3 数字视旁信号。匿芬丽 7 i f s l 2 l 7 图2 9 视频接口结构模块图 ( 2 ) 模拟视频接口( 耶) 模拟视频接口要完成对模拟视频信号的数字化。它的输入 是模拟视频信号，输出是数字视频信号和视频同步信号( 场、 行同步信号) 。红外摄像机提供的模拟视频信号是：c c i r 制式 的黑白视频图像。 系统对它的要求是：能处理c c i r 制式的黑白视频图像 数字化精度为：8 b i t 根据以上的要求，我们选用的视频转换芯片是：s a m s u n g 公司的k s 0 1 2 7 ，它是专用视频芯片，能把模拟视频信号转化 为数字视频信号，同时输出视频同步信号，如：行场同步、 奇偶场同步信号。在视频信号制式和数字化精度方面都可以 满足我们的要求。 ( 3 ) 数字视频接口( f s j ? ) 红外摄像机提供的数字视频信号是按r s 4 2 2 数据传输协 议进行数据传输的。根据r s 4 2 2 协议标准，数据是用平衡发 送、差分接收方式进行数据传输。我们选用的r s 4 2 2 差分接 收器是：t i 公司的a m 2 6 l s 3 2 a 差分