（模式识别与智能系统专业论文）电视跟踪系统的改进设计及关键技术研究.pdf

摘要 摘要 论文围绕“2 1 1 工程4 k t d 1 7 0 四轴稳定跟踪转台”项目中电视跟踪器的设计和“电视末制 导导引头电子舱”项目中电视跟踪器的改进设计而展开。论文的主要内容包括三个部分：稳定跟踪 转台上电视跟踪器的总体设计及各个功能模块；导引头电子舱中改进的电视跟踪器的总体设计及各 个功能模块；相关跟踪算法的研究。 第一部分电视跟踪器的设计是在原有的多套电视跟踪器的基础上对系统功能进行重新划分，资 源重新整合，使得整个系统的各模块更加独立，功能更加明确，资源利用更加合理。总体设计主要 介绍了四轴稳定跟踪转台和电视跟踪器的结构、工作原理；原理性地介绍了各模块的实现方法，重 点讨论了视频信号的存储、d s p 程序的引导装载、异步串行通信接口的扩展等关键性问题。在介绍第 二部分内容之前，论文首先从视频信号的采集与存储、同步原理、系统逻辑设计器件和d s p 及外围接 口四个方面分析原电视跟踪器设计中存在的不足并提出了改进设计方案，然后针对这四个方面详细 介绍了改进的电视跟踪器的各个功能模块。从调试结果分析，改进的电视跟踪器在系统的集成度、 通用性、灵活性、设计成本、功率消耗等方面都比原电视跟踪器有较大的改善。 论文最后分析了影响相关跟踪算法实时性和稳定性的各种因素，结合理论分析与仿真实验，提 出了一种改进的相关算法。系统的运行结果表明，该算法县有一定的实时性、稳定性和自适应性。 关键字：电视跟踪专用视频处理器可编程逻辑器件t m s 3 2 0 v c 3 3d s p 相关算法 东南火学硕一l 学位论文 a b s t r a c t av i d e ot r a c l i n g 印p a r a t u si nt h ep r o j e c tn 枷e d4 k t d - 1 7 0f o u r _ a x i sr o t a t i o n a lp l a t f o r mf o r s t a b i l i z e dt r a c k i n ga n da ni i n p r o v e do n ei nt h ep r o j e c tn a m e d d e ot e m l i n a i i yc o n t m la 1 1 dg u i d es e e k e r a r ei n n _ o d u c e di nt h i sp a p e lt h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rc o n t a i nt 1 1 r e ep a n s ：t h et o t a id e s i g na t l de a c h m o d u l eo f t h ev i d e ot r a c “n ga p p a r a t u s ，t h ei m p r o v e do n ea n dt h ec o r r l “j o nt r a c k i n ga l g o r i t h m t h en r s tp a ni sb a s e do nm a n yv i d e ot r a c k i n gs y s t e m sr e s e a r c h e db e f 研e i t sm a i np u r p o s ei st od e s i g n as y s t e mw i t hi n d e p e n d e n tm o d u l e s ，e x p l i c hf u n c t i o n sa r 】dr e a s o n a b i ed i s t r i b u t e dr e s o u r c e s t h et o t a l d e s i g ni n t r o d u c e ss 讥l c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l eo f m er o t a t i o n a lp l a t f o n na n dt h ev i d e o 仃a c k i n ga p p a r a t u s t h ei m p l e m e n t i n go f e a c hm o d u l el si n t r o d u c e di np r i n c i p l e s o m ek e yp r o b l e m sa r ed i s c u s s e dw i t h e m p h a s i s ，s u c ha sv i d e os i g n a ls t o r n g ，d s pb o o ti o a d i n a s y n c h m n o u ss e r i a ji n t e r f 沁ee x t e n d i n ge t c b e f o r ei 玎t r d d u c j n gt h es e c o n dp a r t ，t h i sp 印e ra n a i y s e ss o m es h o n a g e so f t h eo r 珥n a lo n ei nf b u ra s p e c t s ： v i d e os i g n a lc 印m r i n ga 1 1 ds t o r i n g ，t h ep r i n c i p l eo f s y n c h r o n j z a t i o n ，p m g r a m m a b l e1 0 9 i cd e v i c ea n dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o ra i l di t sp e r i p h e r a i sa n e n a r d ，e a c hm o d u l eo f t h ei m p r o v e do n ej sd e t a i l e di nc o m p a r i s o n w i t l lt h ef o u ra s p e c t sn a m l t e da b o v e t h ed e b u gr e s u 怄i n d i c a t et h a tt h ei m p r o v e dv d e ot r a c k i n g 印p a r 砒u s s u r p a s s e st h eo r i g i n a lo n ei ni n t 。g r a t i o n ，g e n e r a l i t y ，n e x i b i l i t y c o s t ，p o w e rc o n s u m p t o na n ds oo n f i n a l ly s o m ef 如t o r sa r ed i s c u s s e d ，t h a ta a b c tr e a l - t i m ep e r f b m l a n c ea n ds t a b i l i t yo f t h ec o r r e l a t i o n t r a c k i n ga l g o r “h i i lc o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h i sp 印e rp m p o s e san o v e lc o r r e l a t i o n t r a c “n ga l g o r i t h r n e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ea l g o r i t h r nh a sr e a l i t i m ep e r f b 咖a 1 1 c e ，s t a b i l i t ya n d a d 叩t a b i l i t y k e yw o r d s ：v i d e o 仃a c k i n gs p e c i a lv i d e op r o c e s s o rp m g r 枷m a b l el o g i cd e v j c e t m s 3 2 0 v c 3 3d s pc o r r e l a t i o na l g o r i t h m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 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了谢意。 研究生签名：婵日期：挚 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名导师签名：翘日期 导师签名：刁皱日 期 三塑鳋肆7 曰 i 第一章绪论 1 1 电视制导技术简介 第一章绪论 电视制导技术。”是当前科技领域中一个新兴的分支，足自动目标识别技术( a t r ) 发展中的热 点。它是当今科技发达国家正努力攻克的关键技术，涉及到图像处理、模式识别、计算机视觉、人 工智能和微电子等多学科领域，被认为是一项难度极大、代表着一个国家科技发展水平的关键性技 术。 电视制导是利用景物的光学图像特征对目标进行实时跟踪。电视制导系统主要由光学系统、伺 服控制系统、电视跟踪器、监视器等部分组成。光学系统主要包括摄像头、光圈和焦距调节器。摄 像头获取目标图像并将图像以符合标准制式的电信号传送给电视跟踪器，光圈和焦距调节器接收来 自于控制台的控制信号自动地调节摄像头的光圈和焦距。伺服控制系统“主要包括陀螺稳定平台和 伺服稳定跟踪控制系统。它的作用是隔离弹体的扰动，实现导引头光轴稳定，为图像传感器提供一 个能获取稳定图像的平台，同时接收电视跟踪器提供的偏差信号控制伺服电机凋整摄像头，使目标 始终处于视场的中心。电视跟踪器是电视制导系统的关键部分，对来自于摄像头的图像信号进行相 应的处理，将跟踪算法获取的目标中心相对于视轴中心的角偏差，一路送往伺服控制系统，控制转 台实现对目标的实时闭环跟踪，另一路送自动驾驶仪，通过舵机伺服系统控制舵机，引导导弹或炸 弹自动飞向目标，直至命中目标。监视器主要用于显示景物图像以供观察。电视制导目前最主要的 应用领域是国防领域，如导弹末制导、光电跟踪仪等，随着电子对抗技术的迅速发展，雷达跟踪等 制导方式受到一定的限制，电视跟踪制导设备在国外的武器系统中已经得到了，泛的应用。电视制 导技术在计算机视觉、交通管理、卫星测控等方便也有着广泛的应用前景。 电视制导与其他制导方式相比有着独特的优点”“，首先它所能感知的信息丰富且精确，在自然 干扰及人工干扰的情况下，电视制导可以以其丰富的信息量去抑制干扰的影响从而提高跟踪精度 和可靠性。其次在现代制导系统中，往往需要智能化的跟踪，以适应诸如工作环境的变化、工作状 态的变化、不同工作阶段的变迁以及人工干扰的影响。智能化程度要根据所能提供的信息量来决定， 由于电视制导所能提供的信息量非常丰富，因此它较其它制导方式能达到较高的智能化程度。第三 由于电视制导对目标的探测是被动的，隐敲性好，不易受到干扰，有利于自身的安全和对目标的打 击。此外电视制导设备的造价相对较低，性价比较高。正是由于电视制导具有以上的优点，因此电 视制导技术具有很高的使用价值和良好的发展前景。 1 2 电视制导技术发展与现状 早在上个世纪的6 0 年代美国就开始进行图像自动目标识别技术的研究。由于技术条件的限制， 当时的研究仅仅限于在实验室中对个别图像进行计算机仿真处理，随着电子技术的迅速发展，7 0 年 代开始出现电视跟踪制导设备。早期的电视跟踪系统中，硬件多由模拟和数字电路混合构成，跟踪 模式以边缘跟踪和对比度跟踪为主，这类方法计算量较小，计算速度要求不高，所需存储容量较小， 由于硬件电路的漂移问题和算法本身固有的弱点，这类设备的性能受到一定的限制。美国研制的“幼 畜”( m a v e r i c k ) 是在这一时期最著名的一种电视制导导弹，1 9 6 4 年由美国空军提出，1 9 6 8 年由休斯 飞机公司中标研制，1 9 7 0 年进行鉴定飞行，1 9 7 1 年开始生产，有a g m 一6 5 a 和a g m 一6 5 b 两种型号，前 者采用边缘跟踪体制，后者采用数字形心跟踪体制。这种导弹采用射前锁定目标，主要用于攻击坦 克、装甲车、火炮和地堡等“点”目标，命中率可达8 5 。从8 0 年代至今是电视跟踪制导技术发展 最为活跃的时期，随着信号处理理论、模式识别理论、数字图像处理技术和人 i 智能理论的逐渐完 东南大学硕士学位论文 善，以及计算机技术，大规模集成电路技术和并行处理技术的不断发展，电视跟踪制导技术更加完 善，跟踪模式更加多样化，跟踪精度不断提高，所有这些都极大的提高电视制导系统的实用性。与 电视制式兼容的红外热成像仪的出现大大拓宽了电视制导技术应用领域，使电视制导系统不但可 以用于昼间和晴好天气，而且可以用于夜间和雾气、烟尘等恶劣环境。 我国自7 0 年代开始进行电视制导的研究并取得了一定的成就。目前服役于我国空军的y 卜6 3 型 空地e 航导弹就是一种基于c 一6 0 1 c 一6 l l 导弹研制的电视制导导弹。它的射程虽然不是很远，但是 这种导弹可以攻击指挥中心、通信中心和政治部门。然而这种导弹的使州容易受到气候条件的限制。 最近几年，在计算机视觉、精确制导等领域的研究促使人们加深了对电视制导技术的关注。今后电 视制导技术的发展方向是一方面要进一步提高跟踪精度和抗干扰能力，另一方面要提高跟踪过程的 智能化。 1 3 课题研究背景 论文主要是基于“2 1 1 工程4 k t d 1 7 0 四轴稳定跟踪转台”项目和“电视末制导导引头电子 舱”项目进行研究的。东南大学自动控制系模式识别实验室在“七五”期间与原电子部三所合作， 完成了国防科工委重大基础科研课题“i t 一1 智能电视跟踪系统”，获得1 9 9 3 年国家科技进步二等 奖。该系统采用基于相似性度最的模板匹配方法来识别是否存在目标，适台于简单背景下的目标识 别与跟踪。在“八五”和“九五”期间与信息产业部电子二所共同承担了国防预研项目，分别成功 研制了“i t 一2 智能电视跟踪系统”和“i t 一2 a 智能电视跟踪系统”。“i t 一2 智能电视跟踪系统” 采用基于二维不变矩特征匹配的目标检测与识别方法；具有在有限复杂背景f 首帧目标自动识别功 能的“i t 一2 a 智能电视跟踪系统”是在“i t 一2 智能电视跟踪系统”的基础上，对图像分割、特征提 取、自动识别与跟踪以及硬件系统实现等方面进行了改进与完善：( 1 ) 采用粗分割一细分割两步图 像分割方法；( 2 ) 用两个低阶不变组合矩、形状因子和几何特征参数组成四维特征向量；( 3 ) 目 标识别采用模糊决策方法：( 4 ) 采用新型d s p 芯片构成多c p u 实时并行处理系统。提高系统的处理 能力和实时性。 在研制智能电视跟踪系统的基础上，一方面我们希望通过“4 k t d 1 7 0 四轴稳定跟踪转台”项目 为图像跟踪算法和控制算法的研究提供一个验证平台，另一方面我们正在对2 0 0 0 年研制的电视导引 头样机系统进行改进设计，该样机具有三轴稳定平台、满足弹上体积尺寸要求希望通过此次改进 设计提高原系统的集成度、实时性、通用性和灵括性。 1 4 论文的主要内容 本论文的主要内容包括： 第一章简要介绍电视制导技术的发展与现状。 第二章介绍稳定跟踪转台上电视跟踪系统的总体结构与工作原理。这一章主要针对“4 k t d 1 7 0 四轴稳定跟踪转台”项目而言，从总体上介绍稳定平台的各个部分以及电视跟踪器的软硬件设计。 第三章详细介绍上一章中电视跟踪器的各个功能模块的具体实现。 第四章阐述导引头电子舱中电视跟踪器的改进设计，包括分析原电视跟踪器存在的不足，阐述 改进设计方案，改进的电视跟踪器的具体实现等。这一章主要针对“电视末制导导引头电子舱”项 目而言。 第五章主要阐述在两个项目软硬件调试过程中遇到的一些问题以及解决方法。 第六章是图像跟踪算法部分，主要分析相关跟踪算法。在这一章中首先对现有相关跟踪算法进 行综述，然后详细讨论影响相关跟踪算法性能的一些关键问题，最后介绍项目中所采用的一种改进 的相关跟踪算法。 第一章绪论 第七章对论文所作的工作进行了总结并对今后的发展方向提出了研究和探索的思路。 东南大学硕士学位论文 第二章稳定跟踪转台上电视跟踪器的总体设计 2 1 四轴稳定跟踪转台的结构及工作原理 2 1 1 四轴稳定跟踪转台的硬件结构 “4 k t d 一1 7 0 四轴稳定跟踪转台”是一种能够在台体本身提供扰动的情况实现智能电视跟踪的 装置。项目标题中的四轴包括：摇摆台的方位、俯仰轴和稳定台的方位、俯仰轴。摇摆台两个轴的 主要作用是提供两个方向的扰动；稳定台两个轴是负载轴，由电视跟踪系统米控制，利用速率陀螺 敏感摇摆台干扰信号，实现平台稳定功能，同时使安放在稳定台上的摄像头跟踪目标。 四轴稳定跟踪转台的结构框图如图2 一l 所示。 图2 一l 四轴稳定跟踪转台的组成结构图2 2 四轴稳定跟踪转台系统 整个平台主要由四轴伺服转台、伺服控制系统、电视跟踪器、计算机测控系统和操控台五部分 组成。四轴伺服转台主体结构由底座摇摆台和稳定台组成，其中底座摇摆台为两个轴系的非稳定伺 服系统，用于为稳定台提供标准干扰信号，稳定台为两个轴系的陀螺稳定伺服系统：伺服控制系统 包括伺服控制器和伺服驱动器两个部分，主要作用是实现伺服稳定跟踪；电视跟踪器在拯个跟踪控 制系统中相当于一个特殊功能的光学传感器，它按照标准电视制式逐场提取与分离视场中的运动目 标，根据目标亮度与结构特征，测量目标中心相对与转台视轴中心的方位和俯仰误差，然后再将此 误差送伺服控制系统处理；计算机测控系统主要用于完成控制指令的下达以及采集控制器中的各种 运行数据，实现各种参数的实时显示和保存，以便进行实验数据分析，它与伺服控制系统通过i s a 总线进行通信，与电视跟踪器通过异步串口进行通信；操控台是主要的人机交互界面，包括所有的 手动操控指令按键以及伺服控制系统显示用的l e d 和电视跟踪器观察图像用的显示器。整个四轴稳 定跟踪转台系统的实物图如图2 2 所示。 2 1 2 四轴稳定跟踪转台的工作原理 四轴稳定跟踪转台的原理框图如图2 3 所示。操控台面板上与电视跟踪器有关的按键的名称及 功能如表2 1 所示。此外，在操控台面板上还有一个用于跟踪过程中人工搜索、锁定目标的高精度 第二章稳定跟踪转台上电视跟踪器的总体设计 操纵杆。监视器屏幕上，可咀显示3 种性质的图像，分别是原始图像、数字图像和二值图像。这三 种图像的选择是通过“原始数字二值”拨动开关实现的。拨动开关的“原始图像”档用于观察摄 像头采集进来的原始图像，“数字图像”档用于观察经过a d 、d a 转换之后的图像，可以通过与原 始图像对比来判断所得到的数字图像的质量，“二值图像”档用于观察对数字图像分割后的二值图像 的效果。视频叠加信息可以在“数字图像”和“二值图像”上显示。监视器上视频叠加的信息包括 波门、十字丝，方位和俯仰坐标，分割阈值、跟踪方式以及系统状态。其中波门有搜索窗口和跟踪 窗口两种状态。搜索窗口是虚波门，由矩形的四角构成，跟踪窗口是实波门由矩形构成。“方位及 俯仰坐标”代表波门中心的位置坐标，坐标系是以视场中心点为原点的赢角坐标系。“分割阈值”表 示与闽值有关的跟踪算法计算出的实时闽值( 相关算法不需要闽值，所以阈值显示无效) 。“跟踪方式” 表示系统正在使用的跟踪算法，比如相关跟踪，形心跟踪，边缘跟踪等。“系统状态”表示系统当前 所处的状态，包括搜索状态和跟踪状态。 图2 3 四轴稳定跟踪转台的原理图 东南大学硕士学位论文 表2 1 与电视跟踪器有关的按键的名称及功能 开关名称功能 原始数字二值切换显示不同性质的图像 手动自动搜索选择搜索方式 波、j 通“通”状态时停i r 自动搜索 复位复位电视跟踪器 定位电视跟踪 切换系统主控机构 伺服介入屯跟选择处理跟踪结果的机构 跟踪方式选择选择跟踪算法 修正通“通”状态时可修改攻击点 确认确认屏幕菜单的选择 向上 向上选择屏幕菜单 向下向下选择屏幕菜单 电源为电视跟踪器和摄像头供电 备用系统功能扩展 整个系统分为上位机主控和电视跟踪器主控两种控制方式，当“定位电视跟踪”开关打到“电 视跟踪”档时，电视跟踪器作为整个系统的核心，控制系统的运行；打到“定位”档时，电视跟踪 器将定位信息通过串口发送给上位机，上位机接管整个系统，电视跟踪器除监视系统运行状态外不 作任何的处理工作。 图2 4 搜索过程中的一帧图像 图2 5 跟踪过程中的一帧图像 在“电视跟踪”档，系统运行分为搜索和跟踪两个阶段。在搜索阶段，监视器上显示虚波门和 搜索状态信息。图2 4 所示的是正处于搜索过程中的一帧图像。操控者可以通过“手动自动搜索” 开关来选择搜索方式，在“手动搜索”档，波门和十字丝被置于视场的中心位置，方位和俯仰的坐 标值均为o ，电视跟踪器将操纵杆的实时位置信息通过串口发送给上位机，上位机将获得的位置量 转换为速度量再通过i s a 总线传送给伺服跟踪控制器，伺服跟踪控制器控制稳定台并带动摄像头在 6 第二章稳定跟踪转台上电视跟踪器的总体殴计 整个视场中搜索目标，逐步将目标推入视场中心；在“自动搜索”档，上位机收到电视跟踪器发送 的“自动搜索”命令后通知伺服跟踪控制器，伺服跟踪控制器控制稳定台按照预定的轨迹运行，当 目标逐步进入视场，操控者可以在适当的时机将“波门通”开关打到“通”档，电视跟踪器向上位 机发送“停止搜索”命令，伺服停e 自动搜索，然后再通过操纵杆推动波门和1 j 字丝，将十字丝中 心置于目标上。无论在哪种搜索方式，只要操控者按下操纵杆的锁定按钮，系统就进入跟踪阶段。 在跟踪阶段，监视器显示实波门，跟踪状态和目标相对于视场中心的位置信息。图2 5 所示的是正 在处于跟踪过程中的一帧图像。跟踪程序根据操控者事先选择的“伺服介入电跟”开关档和“跟踪 方式选择”开关档来选择跟踪信息的处理方式和跟踪算法。当“伺服介入电跟”开关处于“伺服介 入”档时，电视跟踪器将实时的跟踪偏差信息送给上位机，而后伺服跟踪控制器根据偏差信息形成 相应的控制量控制稳定台动作，使目标始终处于视场的中心；在“电跟”档，电视跟踪器向上位机 发送“伺服不动作”命令，伺服机构不做任何动作，电视跟踪器根据跟踪算法所得的偏著信息控制 波门和十字丝，使十字丝中心始终处在目标上。在跟踪过程中，一目跟踪失败或者操控者按下操纵 杆上的释放按钮，系统就回到搜索状态。 在系统运行过程中，上位机随时可以通过相应的命令通知摇摆台产生符合某种规律的干扰，稳 定台上的速度陀螺作为传感器将感应到的干扰信号送伺服稳定控制器，伺服稳定控制器控制伺服驱 动器驱动稳定台的伺服电机向干扰的反方向运转，从而保证稳定台在有外界干扰的情况下保持稳定。 2 2 电视跟踪器的总体设计 2 2 1 电视跟踪器的基本工作原理 电视跟踪器的原理框图如图2 6 所示。整个电视跟踪器可以分成四个主要的部分，第一，视频 前端。主要包括视频信号的模数转换，数字视频信号的存储。第二，视频后端。包括视频信号的数 模转换，模拟视频信号的替加。第三，系统时基模块。主要为电视跟踪器各个部分有序的工作提供 时钟信号。第四，中心处理器及外围接口。包括中心处理器d s p ，各种存储接口，与上位机通信的 串行通信接口，读取操控台面板按键和操纵杆的接口。其中视频前端、后端和中心处理器是处理视 频信号的两个主要的部分，它们在电视跟踪器中并行工作，通过图像双口r 埘交换数据。从摄像头 输出的视频信号经过一定的处理后进入视频a d c 进行模数转换，视频a d c 工作在r u n f r e e 方式， 即a d c 在外部时钟的控制下不间断输出数字信号，地址发生器根据系统时基信号产生存储图像的地 址信号和控制信号，数字视频信号在地址发生器的控制下被存储到图像双口r a i i 中。同时，数字视 频信号经视频d a c 进行数模转换，d a c 输出的模拟视频信号再送视频叠加模块进行视频综合，需要 叠加的信息包括二值图像，十字丝，波门和字符，撮终将综合后的视频信号输出到监视器上显示。 另一方面，中心处理器d s p 从图像双口r a m 的另一个端口读取波门中的图像，存储到工作r a i 中， 而后中心处理器根据工作r a m 中的图像进行算法处理并将处理的结果分成两路，一路送视频叠加模 块进行视频综合，输出实时的跟踪信息，男一路通过r s 一2 3 2 异步串口送上位机处理。除了对视频信 号的处理外，d s p 还需要通过操控台接口电路读取操控台面板按键和操纵杆的信息实时与操控者进 行交互。 东南大学硕士学位论文 图2 6 电视跟踪器的原理图 2 2 2 电视跟踪器的软件流程 电视跟踪器的软件流程如图2 7 所示。软件分成主程序和中断程序两个部分，主程序中主要完 成对系统的初始化，标志位的处理，跟踪算法的实现；中断程序主要完成系统各种事务的管理包 括控制台面板按键和操纵杆的分析与处理，系统运行状态的显示，与伺服的通信，标志位的处理， 图像数据的搬移。 系统复位后d s p 引导程序将存储在引导r o m 中的程序引导装载到内部的r a m 中，然后程序计数 指针进入程序的入口点开始执行程序，首先在主程序中对系统进行初试化设置，包括d s p 内部寄存 器的初试化和d s p 外围接口的初始化。主程序有两个循环体，一个是搜索循环体，在这个循环体中， 系统处于搜索状态，主程序只负责对模板刷新标志置位，保证在中断程序中模板跟随着波门的变化 实时刷新。另一个是跟踪循环体，当目标锁定后，程序进入跟踪循环体。在这个循环体中，首先判 断当前的波门是不是已经处理过的，如果是，则说明当前的模板已经被算法处理过无需重复处理， 如果不是再判断当前的模板是否是最新的，如果是，则对新模板进行预处理。在跟踪算法中，有一 些量仅与模板有关的，比如求取模板的能量，对于一个新模板，这些量仅需要计算一次，而在匹配 的过程中无需每次都计算，所以在进入算法之前首先把这些量计算完毕。上述两个分支判断精简了 程序，提高了程序执行的效率。然后程序调用跟踪算法，为了确保算法不被中断程序打乱，用算法 进行中标志来保护跟踪算法的执行，如果算法正在进行，即使进入中断，中断程序也不做任何的操 作立即返回。设计中为了提高系统的可扩充性，跟踪算法的接口按照某一固定格式定义，任何按照 这一格式编写的跟踪算法都可以被调用。在跟踪循环体的最后判断目标是否被释放，如果目标释放， 程序又转入搜索循环体，否则仍在跟踪循环体中。中断程序是依照2 1 2 仃中整个系统的：r ：作过 程来设计的。d s p 中断触发信号为场同步信号，f 降沿触发，一场新的图像存储完毕后就进入中断 处理程序，完成对新一场图像的处理，因此整个系统的处理周期为2 0 m s ，每2 0 m s 处理一次图像， 给出次跟踪偏差结果。面板按键和操纵杆的处理工作复杂度和实时性要求都不高，但却需要耗费 较多的时间，比如按键的扫描，去抖动等处理工作。由于整个系统工作的实时性要求较高，所以外 围接口处理在整个系统的工作周期中所占用的时间越短越好，尽景把时间留给算法。本文利用中断 每2 0 m s 触发一次的特点，将一些需要耗时的工作分散到多次中断中去处理，比如按键去抖动，可以 r 第二章稳定跟踪转台上电视蹦踪器的总体设计 在本次中断中首先判断是否有按键，如果有按键，r 次中断中再确认。另一方面，每个工作周期 显示和通讯仅需要处理一次。所以在程序设计中把整个系统的管理工作都安排到中断程序中处理 跟踪算法在主程序中完成。系统运行结果表明，这样的程序结构安排是可行的，合理的。 ( a ) 主程序流程 东南大学顺十学位论文 ( b ) 中断程序流程 图2 7 电视跟踪器的软件流程 1 0 第二章稳定跟踪转台上电视跟踪器的总体设计 2 3 系统主要技术指标 ( 1 ) 负载重量( k g ) ：2 5 负载外形尺寸( m m ) ：2 2 0 1 2 0 2 0 0 ( 2 ) 台体外形尺寸( m m ) ：9 0 0 9 0 0 1 2 0 0 台体重量( k g ) ：3 0 0 ( 3 ) 摇摆台技术指标： 方位轴角速度( 。s ) ：5 0 俯仰轴角速度( 。s ) ：5 0 方位轴角加速度( 。s 2 ) ： 1 0 0 俯仰轴角加速度( 。s 2 ) ： 1 0 0 方位轴定位精度( 。) ：o 0 5 俯仰轴定位精度( 。) ：o 0 5 方位轴转动范围( 。) ：7 0 俯仰轴转动范围( 。) ：7 0 稳定台技术指标： 方位轴角速度( 。s ) ：4 0 俯仰轴角速度( 。s ) ：4 0 方位轴角加速度( 。s 2 ) ： 6 2 5 俯仰轴角加速度( 。s 2 ) ： 1 印0 方位轴定位精度( 。) ：0 0 4 俯仰轴定位精度( 。) ：0 0 4 方位轴转动范围( 。) ：7 0 俯仰轴转动范围( 。) ：7 0 ( 4 ) 过渡过程时间( s ) ：o 0 5 ( 俯仰) 0 0 8 ( 方位) 最大超调量：1 5 振荡次数： 1 5 次 稳定隔离精度( 幅度为1 0 。，频率为0 5 h z 的正弦波扰动) ( 。) ： o2 ( 5 ) 电视视窗大小( 象素) ： 2 5 6 2 5 6 搜索窗( 象索) ：6 4 6 4 跟踪窗( 象素) ： 6 4 6 4 灰度级：2 5 6 级( 8 b i t ) 。 ( 6 ) 系统时基： 行周期：6 4 u s行正程：5 i 2 u s 场周期：2 0 m s场正程：1 6 3 8 4 m s 。 ( 7 ) 与计算机测控系统连接：每2 0 m s 输出次8 位的角偏差信号。 东南大学硕士学位论文 第三章稳定跟踪转台上电视跟踪器的主要模块分析与设计 四轴稳定跟踪转台上的电视跟踪器是在多套电视跟踪系统的基础上，结合实际应用的要求将原 先用于完成视频处理、系统管理的中心处理扳和用于完成跟踪算法的图像处理板有机地结合在一起， 使得整个电视跟踪器结构更加紧凑，功能更加完备，资源利用更加合理。在上一章总体设计部分中， 我们按照系统的功能对电视跟踪器进行了划分，本章我们将对各个功能模块进行详细介绍。 3 1 系统时基模块 从电视跟踪器的原理框图2 6 ，我们可以看出，整个系统在一些时钟信号的控制f 有序的工作， 这些信号就是系统的时基信号。无论是摄像头信号的输出，视频信号的存储，视频信号的叠加、综 合还是d s p 的算法实现，系统时基信号在系统的各个环节中都起着非常重要的作用。 从c c d 摄像头输出的是标准制式的电视信号“，它是一种复合视频信号( 简称c v b s ) ，主要 包括两个主要的信号，一是反映当前视场信息的视频信号，另一个是用于视频信号的接收以及同步 扫描的同步信号。视频信号的采集、存储、处理和综合都需要知道复合视频信号中有用的视频信号 何时开始何时结束，因此就需要产生代表这些信息的系统时基信号，包括行同步信号( 简称h s ) 、 场同步信号( 简称v s ) 和象素时钟信号。从原理上讲，可以由两种途径获得系统时基信号，第一种 是内同步方法。既然复合视频信号中已经包含了同步信号，那么就可以从中分离出行、场同步信号， 然后再由系统产生与行、场同步信号同相的象素时钟信号。采用这种方法的难点在于象素时钟信号 的产生。行、场同步信号可以直接由专用的视频分离芯片产生，常用的芯片是l m l 8 8 l 。产生与行、 场同步信号完全同相的象素时钟信号需要用到锁相环电路，而目前实现这样功能单一，精度要求较 高的锁相环电路的复杂度和成本均比较高，所以在本系统中没有采用这样的方法。在后面章节对电 视跟踪系统的改进设计中，我们采用了另一种方案来实现内同步i 第二种是外同步的方法。为了克 服系统内同步方法中实现象素时钟的困难，首先由系统直接提供一个时钟信号作为象素时钟，然后 再由系统根据象素时钟信号产生行、场同步信号以及同步摄像头的复合同步信号( 简称c s ) ，让摄 像头根据系统的复合同步信号输出复合视频信号。外同步方法中，行、场同步信号直接由象素时钟 产生，完全可以解决同相的问题再者这种方法实现起来比较方便，可以在可编程逻辑器件中通过 硬件描述语言编程来实现。系统中时基信号的产生就是基于这样的机理。 采用外同步的方法实现系统时基首先就必须了解标准电视信号的技术参数及要求。表3 1 列举 了中华人民共和国黑白电视广播标准g b l 3 8 5 7 8 中与系统设计相关的部分。从参数表中可以看出， 行内有效视频信号的时间，即行正程时间为5 2 u s ，场内有效视频信号时间，即场正程时间是 1 8 3 8 8 m s 。系统所需的一场数字图像大小为2 5 6 x2 5 6 ，即每行内取2 5 6 个象素点，每场内取2 5 6 行。 系统采用的象素时钟频率为l o 姗z ，即采样频率，而实际存储图像的象素时钟频率为5 m h z ( 其中原 因将在视频a d c 与数字图像存储小节中介绍) ，因此系统需要的行正程时间是0 2 u s x 2 5 6 = 5 1 2 u s ， 只是标准信号行正程的一部分；同样的，可以得到系统的场正程时间为6 4 u s 2 5 6 = 1 6 3 8 4 m s ，也 只是标准信号场正程的一部分。系统所用的时基参数如表3 2 所示。需要特别注意的是，与表3 1 相比，表3 2 中的许多参数只是在标准规定的范围内以0 2 u s 为单位进行了适当的调整，因此还是 可以被摄像头所接受的。 第三章稳定跟踪转台上电视跟踪器的主要模块分析与设计 表3 1 标准电视信号的技术参数及要求 名称技术要求和参数值 每帧行数 2 5 6 每秒场数 5 0 扫描方式 隔行扫描 行：自左至右 扫描顺序 场：白上至r 每秒帧数( 帧频f v ) 2 5 标称视频带宽 6 m h z 全电视信号标称值和峰值： a ，消隐电平( 基准电平) o v ，o b 峰值白电平0 7 v ，1 0 0 c 黑电平与消隐电平之差 0 m v 5 0 m v ，0 7 d 同步脉冲电平 一o 3 v ，一4 3 标称行周期 6 4 u s 行消隐脉冲宽度1 2 03 u s 行同步脉冲宽度 4 7 o 2 u s 标称场周期 2 0 m s 场消隐脉冲宽度 1 6 1 2 0 3 u s 前均衡、场同步、后均衡 各1 6 0 u s 均衡脉冲宽度 2 3 5 0 1 u s 场同步脉冲开槽宽度 4 7 0 2 u s 表3 2 系统时基信号参数” 名称参数值 单位时间 0 2 u s 每场行数 3 1 2 5 行周期 6 4 u s 行消隐行正程 1 2 8 u s 5 1 2 u s 行同步脉冲宽度 4 8 u s 场周期 2 0 m s 场消隐场正程 3 6 1 6 m s 1 6 3 8 4 m s 前均衡、场同步、后均衡 各1 6 0 u s 均衡脉冲宽度 2 4 u s 场同步脉冲开槽宽度 4 8 u s 在外同步方式中，系统必须根据象素时钟信号产生同步摄像头的复合同步信号，标准电视信号 中的复合同步信号如图3 1 所示，它主要包含三个主要部分，行同步信号，场同步信号和保证行、 场同步信号可靠同步的均衡脉冲。从图中可以看到，奇数场和偶数场起始部分是一样的，从s 3 开始 才有所不同，这是因为，在标准电视信号中，每场扫描3 1 2 5 行，奇数场从整行开始，到半行结束， 而偶数场从半行开始到整行结束。s 0 称为前均衡脉冲，s l 称为场同步脉冲s 2 称为后均衡脉冲， s 3 及以后的部分是行同步脉冲，s 0s 1 ，s 2 时间长度都是行同步脉冲周期的2 5 倍。系统中产生的 复合同步信号只是用于同步摄像头，因此可以直接采用标准电视信号中规定的复合同步信号的格式。 东南大学硕士学位论文 奇数场开始 i l 110008 0 几n 丌几n 必且一u j l h _ 一8 0 + 卜s 1 + 卜s 2 + 卜s 3 p 奇数场 偶数场开始 i1000 帅n 几r n4 8 1 止一u l l 4 一 ls o 一- 斗一s 1 卜s 2 _ - 斗_ s 3 斗 偶数场 图3 1 复合同步信号 系统时基信号模块的顶层原理图如图3 2 所示。 图3 2 系统时基模块 行同步信号h s ，场同步信号v s 和复合同步信号的c s 的波形如图3 3 所示。h s 的周期为6 4 u s ， 行正程宽度为5 1 2 u s 。v s 的周期为2 0 m s ，场正程宽度为1 6 3 8 4 m s 。h b c 和i c f 是用于字符叠加的 行、场控制信号。系统时基信号的具体实现方法可参考文献 6 、 1 0 、 儿 。 h 门厂厂 厂 厂 厂厂厂 j k l e 厂厂 厂 厂一u 厂厂 厂 k 一2 。嘲 奇“? ” | l j 0400l 厂1 广| n 几厂 0i104 00 图3 3 系统时基信号“1 3 2 视频a d c 与数字图像存储 分析表3 1 中关于视频信号的电气特性可知，复合视频信号是由o 7 v 左右有用的视频信号叠 加在0 3 v 左右的同步信号之上而构成的，整个视频信号的带宽大约为6 m h z 。为了充分利用a d c 的 量程( 视频a d c 的满量程电压范围为4 7 v ) ，需要把有用的视频信号线性拉伸到a d c 的量程范围内， 同时去除视频信号中的同步脉冲。我们采用的方法是，选用正、负双电源供电的放大器搭建一个模 第三章稳定跟踪转台上电视跟踪器的主要模块分析与设计 拟减法器。在选择视频放大器时，主要有两点考虑：第一，放大器的建立时间应该满足后端a d c 的 要求；第二，放大器的小信号带宽应该大于视频信号的带宽。高速型运算放大器l m 3 1 8 ，其建立时 间为0 1 ，小于( 1 2 ) 1 2 5 6 ( 采用8 b i t 视频a d c ) ，小信号带宽为1 5 m h z 。人于视频号的带宽6 m h z ， 可以满足系统应用的要求。 由l m 3 1 8 搭建的模拟减法器如图3 4 所示，】m 3 1 8 输出电压：k = 疗f 出口如一口跚圩p 一， 调节电位器使得0 8 3 3 盱p ，接近o 3 v ( 同步脉冲的电平) 。输入视频信号通过模拟减法器后，有效 视频信号的电平范围被扩展到o 4 2 v ，落在a d c 的量程范围内同时同步脉冲被调节到一0 3 0 v ， 落在a d c 的转换范围之外，达到了放大有用视频信号，去除同步脉冲的双重目的。 图3 4 视频模拟减法器 视频a d c 采用专用的视频模数转换芯片c a 3 3 1 8 。该芯片采用基于c m o s 结构的并行转换技术， 最高采样率可达1 5 唧z ，8 位带锁存的三态输出为后端图像存储提供了方便的接口。考虑到系统的实 时性，我们将c a 3 3 1 8 配置在r u n f r e e 的工作方式下，即外部提供l o m 的时钟信号作为采样、转换 的控制信号，c a 3 3 1 8 的数据输出端以o 1 u s 为周期不问断地输出数字视频信号。 c a 3 3 1 8 的数据输出直接接到双口r a h i 的某一端口的数据总线上，由地址发生模块产生存储数字 视频信号所需的地址信号和控制信号，双口r a m 在地址发生模块的控制下将数字视频信号存储到相 应的地址单元中。地址发生模块的顶层原理图如图3 5 所示。 图3 5 地址发生模块 硼h ip o na d d r e s $ b u s v a e l s0 j f c s v o r r i g h lp o no h 唔s e e c 地址发生模块主要由象素地址计数器，行地址计数器两部分组成。象素地址计数器以5 m 信号 为时钟，行同步信号的上升沿启动计数，下降沿对计数器清零，每个行正程计数2 5 6 个象素点。上 文中c a 3 3 1 8 的采样频率为1 0 删z ，为了减小图像数据的存储量，降低图像双口r 州的成本，象素计 数器的时钟采用5 埘z 。图像的写时序如图3 6 所示，每个1 0 m 时钟周期数据变化一次，而每个5 m 时 钟周期地址变化一次，也就是说在每两个采样点中，我们选取其中的一个存储到双口r a m 中。事实 表明，采用这样的子采样方法存储图像比直接采用5 m h z 的采样频率能够获得更高质量的数字图像。 图3 7 所示的是直接采用5 姗z 的采样频率获得的数字图像，图3 8 所示的是采用子采样方法获得的 1 5 东南大学硕士学位论文 数字图像。图3 7 中物体的边缘和纹理均比图3 6 中清晰。行地址计数器以行同步信号h s 为时钟， 场同步信号的上升沿启动计数，下降沿对计数器清零，每个场止程计数2 5 6 行。因此，每一场存储 到双口r a m 中的数字图像的大小为2 5 6 2 5 6 ，所需的双口r a m 的容量为6 4 k b y t e 。 双口r a i 与c a 3 3 1 8 相连的一端只有写操作，因此可以将双口r a m 的写控制信号设为始终有效 用片选信号来控制写时序。双口r a m 的片选信号由，聊 磁f 洲) 日矽，构成，也就是双口r a m 被片选的时间为在场同步信号，行同步信号，5 m 时钟均为高电平时，1 0 m 时钟的低电平期间。 埘 且5 0 】 g 卫d