（信号与信息处理专业论文）基于fpga的视频移动目标检测系统的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n dr e a l i z a t l o no fv i d e om o v l n g o b j e c td e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nf p g a b y w a n g l e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l i j i n p i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 0 8舢7 洲6 删7，47ii0i洲y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 礁 日期： 垒! 臣：耋：a 坌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰弓磊导师签名：日期：2 岔盘：占翱 济南大学硕士学位论文 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章引言1 1 1 课题研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要内容及组织结构一3 第二章视频移动目标检测研究基础5 2 1f p g a 概述5 2 1 1f p g a 的基本结构5 2 1 2q u a r t u si i 的开发流程6 2 1 3v e r i l o gh d l 硬件描述语言7 2 2 视频处理基础知识8 2 2 1 视频基础知识8 2 2 2 图像处理基本操作一1 0 2 2 3 数学形态学。11 2 3 移动目标检测算法l3 2 3 1 背景图像差分法1 3 2 3 2 帧间差分法。1 4 2 4 灰度涨落和灰度漂移算法1 6 2 4 1 产生的原因1 6 2 4 2 灰度涨落和灰度漂移规律17 2 4 3 灰度漂移算法。19 2 5 多颜色空间信息融合1 9 2 5 1r g b 颜色空间2 0 2 5 2y u v 颜色空间2 l 2 5 3h s v 颜色空间2 2 2 5 4 多颜色空间信息融合2 3 第三章基于f p g a 的系统方案设计及其实现2 5 基于f p g a 的视频移动r 标柃测系统的研究与实现 3 1 系统总体方案一2 5 3 1 1 系统硬件结构一2 5 3 1 2 系统各模块的功能2 7 3 2 系统方案的实现2 8 3 2 1 视频采集模块的实现2 8 3 2 2 视频预处理模块的实现3 2 3 2 3 移动目标检测模块的实现3 6 3 2 4 视频显示模块的实现4 1 3 2 5 报警模块的实现4 4 3 2 6 实验结果及分析4 5 第四章视频移动目标检测的f p g a 实现4 7 4 1 背景差分算法在f p g a 上的实现4 7 4 1 1 算法的实现过程4 7 4 1 2 移动目标的数学形态学处理4 9 4 1 3 实验结果及分析5 1 4 2 算法的改进5 2 4 2 1 多颜色空间信息融合在f p g a 上的实现5 3 4 2 2 灰度漂移算法在f p g a 上的实现5 5 4 2 3 实验结果及分析5 6 第五章结束语5 9 参考文献6 l 致谢一6 5 攻读学位期间科研及发表论文情况6 7 l l 济南大学硕七学位论文 摘要 移动目标检测在军事和民用上都有着广泛的应用，实现快速、准确的移动目标检 测有着非常重要的理论意义和实用价值。移动目标检测算法的研究已经逐步趋于成 熟，但是利用硬件实现这些算法的功能仍是当前研究的一个热点。f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 作为一个硬件平台，可以满足视频处 理系统中对速度、集成度、可靠性的要求，非常适合于视频和图像处理的应用。本文 在课题组多年来对移动目标检测算法、灰度涨落和灰度漂移算法及多颜色空间信息融 合深入研究的基础上，将f p g a 应用于视频移动目标检测系统的研究，并实现了检测 和跟踪目标的功能。主要研究内容有： l 、搭建了基于f p g a 的视频移动目标检测系统，实现了视频的实时显示。系统 主要包括视频采集、视频的预处理、视频移动目标检测、视频显示和系统报警五个模 块。首先，设计视频采集模块，摄像头采集的模拟视频信号被送入视频解码芯片 a d v 7 1 8 0 中；同时，通过在f p g a 中设计1 2 c 总线配置模块对该视频解码芯片的寄 存器进行合理的配置，使由摄像头采集的模拟视频信号转换为8 位与c c i r 6 5 6 标准 兼容的y c b c r ( 4 ：2 ：2 ) 串行视频数据；而后，在视频预处理模块中，首先对视频数 据进行i t u r 6 5 6 标准解码，并在f p g a 中实现了由y c b c r 到r g b 颜色空间的变 换，得到r g b 三基色；然后，进行灰度化处理，即由r g b 值得到灰度值，为后面的 背景差分法做准备；这些都是用硬件描述语言v e r i l o gh d l 在f p g a 中编程实现的； 最后，处理后的视频经数模转换芯片a d v 7 1 2 3 转化为模拟信号，通过v g a 接口显 示在c r t 显示器上。本部分在系统中实现了视频的采集和预处理，同时将采集的视 频实时显示出来。 2 、在f p g a 中成功实现了背景差分检测算法，完成了对视频中移动目标的实时 检测、跟踪和报警。从灰度化处理后的视频中，选取背景图像和当前帧图像，经过片 外s d r a m 缓存，同时送入移动目标检测模块；然后利用背景差分算法，找出当前图 像中的移动目标，用黑色像素块将其标识出来；当目标移动时，黑色像素块代表目标 同时移动，从而实现了移动目标的实时检测和跟踪。同时，f p g a 自动触发报警信号 到音频解码器，通过扬声器发出警报。实验结果表明，该系统可以快速检测并跟踪到 视频中的移动物体。 3 、对背景差分法进行了改进和完善，实现了视频中移动目标的实时准确检测和 跟踪。首先，为了准确检测和定位移动目标，在f p g a 中加入了多颜色空间的信息融 1 1 | 基于f p g a 的视频移动目标柃测系统的研究与实现 曼t i i i 一1 i i 一一 一一i 曼皇皇曼曼曼曼鼍 合算法。多颜色空间信息融合就是利用多个颜色空间中的一些互补分量共同确定移动 目标，即除了灰度差分之外，再加入u 、v 、r 、g 、b 、h 、s 、v 等多个颜色空间的 颜色分量，同时进行背景差分运算，使差分结果得到的目标区域被填充得更加饱满， 更能准确体现移动目标的形状。此外，为了消除背景差分后图像中的噪声，加入灰度 漂移算法。灰度漂移算法是我们课题组提出的一种去除背景差分法检测移动目标存在 过多噪声杂点的算法，可以有效地消除由于微震动、空气扰动等原因导致的像素灰度 在邻近区域发生的漂移，使目标区域黑色像素块标识更加明显，而其周围噪声杂点基 本消失。 该系统适用于静态背景下的移动目标检测，并适用于光照缓慢变化的静态环境。 下一步将利用高斯混合模型解决存在风吹树林、草丛以及水波等动态场景下移动目标 的检测和跟踪。 关键词：f p g a ；v e r i l o gh d l ；移动目标检测；背景差分算法；灰度漂移算法； 多颜色空间信息融合 1 v 济南大学硕 学位论文 曼皇曼曼皇! 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! ! 曼! 量曼曼曼! 曼曼曼曼曼蔓! ! 曼曼曼曼舅曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼i ii i i 一曼皇曼曼曼曼皇曼皇曼鼍曼曼 a bs t r a c t m o v i n go b j e c t sd e t e c t i o nh a se x t e n s i v e l yb e e na p p l i e di nb o t hm i l i t a r ya n dc i v i la r e a s ， a n dh a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u ef o rr a p i da n da c c u r a t e m o v i n go b j e c t sd e t e c t i o n m a n yp r o g r e s s e sh a v eb e e nm a d ei nt h es t u d yo fm o v i n go b j e c t d e t e c t i o na l g o r i t h m s ；h o w e v e r , i ti su n c o m m o nt or e a l i z et h e s ea l g o r i t h m su s i n gh a r d w a r e w h i c hi ss t i l lar e s e a r c hh o t s p o ta tp r e s e n t f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) c a nb e u s e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fh i l g hs p e e d ，i n t e g r a t i o na n d r e l i a b i l i t y o fv i d e o p r o c e s s i n gs y s t e ma sah a r d w a r ep l a t f o r m ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no fv i d e o a n di m a g ep r o c e s s i o n o nt h ef o u n d a t i o n o fe x t e n s i v er e s e a r c h e si n m o v i n go b j e c t d e t e c t i o na l g o r i t h m st h e s ey e a r s ，w em a n a g e dt or e a l i z et h e s ea l g o r i t h m sb yf p g a u pt o n o w , g r a y - l e v e lf l u c t u a t i o na n d 黟a y l e v e ls h i f ta n di n f o r m a t i o nf u s i o no fm u l t i p l ec o l o r s p a c e sh a v e b e e nr e a l i z e db yf p g a t h em a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 v i d e om o v i n go b j e c t sd e t e c t i o ns y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nf p g a ，a n d c a p t u r e dv i d e oc a nb ed i s p l a y e di nr e a l t i m e t h es y s t e mc o n s i s t so ff i v em o d u l e s ：v i d e o c a p t u r e ，v i d e op r e p r o c e s s i n g ，v i d e om o v i n go b j e c td e t e c t i o n ，v i d e od i s p l a ya n dw a r n i n g s y s t e m f i r s t l y , i nt h ev i d e oc a p t u r em o d u l e ，a n a l o gv i d e os i g n a lc a p t u r e db yc a m e r ai s s e n tt ov i d e od e c o d e ra d v 718 0 ，w h i c hc o n v e r t st h ea n a l o gv i d e ot o8b i t ss e r i a ld i g i t a l v i d e od a t ay c b c r4 ：2 ：2 c o m p a t i b l e w i t hc c i r 6 5 6s t a n d a r dv i am a k i n g p r o p e r c o n f i g u r a t i o n 向rt h ed e c o d e rr e g i s t e r sb yt h e | 2 cb u sc o n f i g u r a t i o nm o d u l ed e s i g n e di n f p g a ；t h e n , i nt h ev i d e op r e p r o c e s s i n gm o d u l e ，d i g i t a lv i d e od a t ey c b c r4 ：2 ：2i s d e c o d e di nl t u r 6 5 6s t a n d a r da n di sc o n v e r t e df r o my c b c rc o l o rs p a c et or g bc o l o r s p a c e i nf p g at og e tr g b t r i c o l o r ；a f t e rt h a t ，v i d e od a t ag r a yp r o c e s s i n gi sp e r f o r m e d ，b y w h i c hw e g e tg r a yv a l u ef o r mr g b v a l u ef o rn e x tp r o c e s s i n gs t e p ；a l lo ft h e s ew e r ed o n e i nf p g a b yv e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ep r o g r a m m i n g ；a tl a s t ，p r o c e s s e dv i d e o d a t ai sc o n v e r t e dt oa n a l o gs i g n a lb yd i g i t a l a n a l o gc o n v e r s i o nc h i pa d v 712 3 ，a n di s d i s p l a y e do nc r td i s p l a y t h u s ，v i d e oc a p t u r ea n dv i d e op r e p r o c e s s i n ga r er e a l i z e d ，a n d c a p t u r e dv i d e oi sd i s p l a y e di nr e a l t i m e 2 b a c k g r o u n dd i f f e r e n c i n gd e t e c t i o na l g o r i t h mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yr e a l i z e di n f p g a ，a n dm o v i n go b j e c t si nv i d e oa r ed e t e c t e d ，t r a c k e da n da l a r m e di nr e a l t i m e a f t e r g r a yp r o c e s s i n g ，c u r r e n tf r a m ei m a g e sa n db a c k g r o u n di m a g e ss e l e c t e df r o mv i d e oa r es e n t v 基于f p g a 的视频移动目标柃测系统的研究与实现 t om o v i n go b j e c td e t e c t i o nm o d u l ea tt h es a m et i m ea f t e rb u f f e ri ns d r a m i nt h i sm o d u l e ， b a c k g r o u n dd i f f e r e n c ea l g o r i t h mi su s e dt of i n do u tm o v i n go b j e c t si nc u r r e n ti m a g e s ，a n d t h em o v i n go b j e c t sw e r em a r k e db yb l a c kp i x e lb l o c k s w h e nt h eo b j e c t sm o v e ，t h eb l a c k p i x e lb l o c k sc l o s e l yf o l l o wt h e m ，t h u st h eo b j e c t sa r ed e t e c t e da n dt r a c k e di nr e a l t i m e a t t h es a m et i m e ，f p g as e n d so u ta l a r ms i g n a lt oa u d i od e c o d e r , a n dg i v e sw a r n i n gs o u n d t h r o u g hl o u d s p e a k e r d e t e c t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a tm o v i n go b j e c t si nv i d e oa r e d e t e c t e da n dt r a c k e di nh i g hs p e e db yt h es y s t e m 3 i m p r o v e m e n to fb a c k g r o u n dd i f f e r e n c i n ga l g o r i t h mi sm a d ei nf p g a f i r s t l y , t o g e ta c c u r a t e l yd e t e c t i n ga n dp o s i t i o n i n go fm o v i n go b j e c t s ，i n f o r m a t i o nf u s i o no fm u l t i p l e c o l o rs p a c ei sa d d e dt ot h es y s t e m ，w h i c hu s e sm a n yc o m p l e m e n t a r yc o m p o n e n t si n m u l t i p l ec o l o rs p a c et od e t e r m i n em o v i n go b j e c t s ，t h a tm e a n sw eu s en o to n l yt h eg r a y v a l u ei nb a c k g r o u n dd i f f e r e n c i n ga l g o r i t h m ，b u ta l s oo t h e rc o l o rs p a c ec o m p o n e n t ss u c ha s u ，v ，gb ，h ，s ，vt om a k eb a c k g r o u n dd i f f e r e n c et o g e t h e r , a n dt h er e s u l ts h o w st h a t t h eo b j e c tr e g i o na r em a r k e do fm o r eb l a c kp i x e lb l o c k s ，t h es h a p eo fm o v i n go b j e c t sa r e e m b o d i e dm o r ea c c u r a t e l y f u r t h e rm o r e ，g r a y - l e v e lf l u c t u a t i o na n d g r a y - l e v e l s h i f t a l g o r i t h m sa r ea l s oa d d e dt ot h es y s t e m ，w h i c hc a nr e m o v et h ee x c e s s i v en o i s ep o i n t sa f t e r b a c k g r o u n dd i f f e r e n c i n ga l g o r i t h m ，a n da l s oe l i m i n a t ep i x e lg r a y l e v e ls h i f tc a u s e db y m i c r ov i b r a t i o n ，a i rd i s t u r b a n c ea n ds oo n t h eb l a c kp i x e lb l o c km a r ki no b j e c tr e g i o ni s m o r ea p p a r e n t l y , w h i l et h en o i s ep o i n t sa r em o s t l yd i s a p p e a r e d t h i ss y s t e mc a nb eu s e dt od e t e c tm o v i n go b j e c t su n d e rs t a t i cb a c k g r o u n da n da l s o l i g h ts l i g h t l yc h a n g e db a c k g r o u n d g a u s s i a nm i x t u r em o d u l ew i l lb eu s e dt od e t e c ta n d t r a c km o v i n go b j e c tu n d e rd y n a m i cb a c k g r o u n ds u c ha sw i n d b l o w nt r e e s ，h a s s o c ka n d w a t e rw a v ei nn e x ts t e p k e y w o r d s ：f p g a ；v e r i l o gh d l ；m o v i n go b j e c td e t e c t i o n ；b a c k g r o u n dd i f f e r e n c i n g a l g o r i t h m ；g r a yl e v e ls h i f ta l g o r i t h m ；i n f o r m a t i o nf u s i o no fm u l t i p l ec o l o rs p a c e v i 济南大学硕。卜学位论文 皇_ ii i i i 曼曼鼍曼璺皇曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼! ! 曼! 曼! 曼曼蔓! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼! ! 曼曼曼皇 1 1 课题研究意义 第一章引言 移动目标检测作为视频信号处理的一个重要领域，在军事和民用上都有着广泛的 应用，实现快速、准确的移动目标检测与跟踪有着非常重要的理论意义和实用价值。 静态背景下，移动目标检测算法的研究已经逐步趋于成熟，但是利用硬件实现这 些算法仍是人们研究的一个重点。微电子技术的迅猛发展为高速图像处理系统提供了 硬件基础，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ，现场可编程门阵列) 作为一种硬件 平台，满足了图像处理系统中对速度、集成度、可靠性的要求，非常适合于高性能低 成本的视频和图像处理应用【1 1 。目前，f p g a 芯片已经具备了强大的功能【2 】，如提供 丰富的逻辑单元；采用片内锁相环；提供丰富的布线资源；在芯片内提供分布r a m 和块r a m ；支持d a 和a d 转换接口；提供专门的乘法电路可满足d s p 等应用的 要求；逻辑功能块的局部布线和相互间的通用布线，可以精确地预测网线的延时。目 前采用f p g a 开发的系统已被广泛应用于消费电子、通信、航天、国防、医疗和工控 等领域。利用f p g a 来实现视频图像处理，不仅是一个很好的应用方向，而且也是图 像处理技术发展的趋势【3 j 。 以往的视频采集和处理算法，都是在计算机上验证和实现的。高性能的f p g a 不 仅可以提升系统的处理速度，保障算法的高效运行，还可以减小系统体积，便于系统 的应用和普及【4 】。因此，深入研究基于f p g a 的移动目标检测系统，对开发出高性能 的视频图像采集、处理产品具有极其重要的现实意义。 f p g a 固有的可重复编程性，使得系统内硬件的功能可以像软件一样进行灵活而 方便编程配置，为数字图像处理技术提供了软件设计上的灵活性【5 1 ；作为一个硬件平 台，f p g a 可以帮助用户灵活定制系统，缩短产品研发和更新换代的周期，使用户紧 跟技术和市场发展潮流【6 j 。本文采用的是a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列f p g a 芯片， c y c l o n ei if p g a 的构架非常适合于实时视频图像处理1 7 】：全并行逻辑构架可以实现逻 辑和算术功能；丰富的硬件乘法器用来实现高速实时计算；丰富的内嵌r a m 资源用 于存取部分帧信号；高速外部r a m 接口可以存取整图像；高速收发通道支持l v d s ， m i n i l v d s ，r s d s 电平，可以实现高速视频传送；内嵌锁相环作为灵活时钟管理， 产生各种频率和相位的时钟信号；另外，用逻辑单元或内嵌r a m 块也可以灵活实现 移位寄存器和乘法功能。 1 基于f p g a 的视频移动目标柃测系统的研究与实现 曼曼量曼曼曼! 曼皇曼曼曼量曼曼曼曼曼i i i i i ；_ ii i i 皇曼曼曼皇曼! 曼! 皇曼曼曼曼曼皇曼量曼鼍曼量曼鼍曼曼量曼曼岂曼曼曼曼 i 2 国内外研究现状 视频处理的发展与计算机以及硬件技术的发展是紧密联系的，随着计算机以及硬 件技术的高速发展，视频处理系统的性价比大大提高，无疑推动了视频理技术的发展。 视频处理系统大致经过了机箱式结构( 大型机) 、图像卡、以微机p c i 总线为支 持的单屏方式和基于d s p 和f p g a 的视频处理系统四个发展阶段【8 】。 随着微电子技术的发展，出现了采用大规模集成电路或专用芯片取代计算机的脱 机图像处理系统，d s p 和f p g a 芯片成为脱机视频系统的主流处理器。随着视频处 理技术的快速发展，人们对视频处理系统的要求越来越严格，对采集速度的要求也越 来越高，不但要求速度高、数据量大，还要求在设计系统的时候具有一定的灵活性。 因此，f p g a 的使用已成为必然的选择：用f p g a 来实现视频信号处理可以很好地解 决并行性和顺序性的矛盾，很好地解决速度问题，而且其灵活的可配置特性，也使得 f p g a 构成的系统非常易于修改和测试。 近年来，国内外很多专家和学者对使用f p g a 实现视频中运动物体的实时检测提 出了许多策略和方法。国外，c o r r e i a 和c a m p i l h o 采用流水线图像处理机【9 】，将一幅 2 5 2 x 3 1 6 的图像的处理时间降低到4 7 8 m s 。由此，f p g a 开始被用来以较快的速度处 理较大的图像。由l u c a sa n dk a n a d e 提出的方法，在处理精度和速度之间达到了良好 的平衡i l o ，同样被用在了基于f p g a 的视频检测系统上。w a n q i n gl i ，i g o r k h a r i t o n e n k o ，设计并实现了一种基于f p g a 的智能视频监控摄像头，实现了静态背 景下移动物体的实时监控【l 。在a l t e r a n i o s l i 处理器上，基于硬件的支持符合应用的 时序要求【1 2 1 ，使得运动估计块匹配两级搜索算法得以应用【1 3 j 。为了适于在f p g a 上 使用，z yw e i 和d j l e e 等人修改了一种快速准确的运动估计算法【1 4 1 ，修改后每秒 能处理6 4 0 x 4 8 0 的图像3 0 帧以上。国内相关文献不多，北京理工大学的j i n g f e n gl i 和y i h u ax u 等人提出了一种人体上半身实时3 d 建模和跟踪系统，在f p g a 上，对 6 4 0 x 4 8 0 的图像能到达每秒3 0 帧的处理速度【1 5 1 。西安电子科技大学邵应昭和任爱锋 实现了一个基于f p g a 的视频监控系统，利用n i o si i 软核为核心的s o p c 控制，实 现本地视频监控和网路视频同步监控的功能【1 6 】。 综上所述，将f p g a 应用于视频处理系统是大势所趋，f p g a 可以提高升视频处 理系统的速度，反过来，视频处理行业的发展又可以很好地带动f p g a 的发展。同时， 国内在这方面的研究不是很多，还是刚刚起步，这就更需要我们去研究和发展基于 f p g a 的视频处理系统。 2 济南夫学硕卜学位论文 1 3 本文的主要内容及组织结构 本文主要研究基于f p g a 的视频移动目标的检测系统。首先，搭建了基于f p g a 的视频移动目标检测系统，然后在系统中采用背景差分法，检测到了视频中的移动目 标，同时对目标图像进行了数学形态学处理；最后，改进了背景差分法，加入了灰度 漂移算法和多颜色空间信息融合算法。 本文的组织结构安排如下。 第一章是引言，介绍了课题研究的意义和国内外研究动态，并综述了本文的研究 工作和结构安排。 第二章介绍了视频移动目标检测研究基础知识，包括f p g a 概述、视频处理基础 知识、移动目标检测算法、灰度漂移算法和多颜色空间信息融合。 第三章是基于f p g a 的系统方案设计及其实现，包括系统的整体方案、硬件结构 以及系统中五大模块的详细实现过程。 第四章是视频移动目标检测的f p g a 实现，介绍了背景差分法在f p g a 上的实 现过程、移动目标的数学形态学处理和算法的改进，包括灰度漂移算法和多颜色空间 信息融合在f p g a 上的实现。 第五章是结束语，回顾了本文的主要研究结果，展望下一步要进行的研究。 基于f p g a 的视频移动同标柃测系统的研究与实现 济南大学硕上学位论文 ii 2 1f p g a 概述 第二章视频移动目标检测研究基础 f p g a 是f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，是一种 可编程逻辑器件。可编程逻辑器件是指通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和 逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。 2 1 1f p g a 的基本结构 f p g a 基本结构有六部分组成，分别为可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单 元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等 1 。图 2 1 为f p g a 内部结构示意图。 可编程输入输出单元基本可编程逻辑单元 图2 1f p g a 内部结构示意图 1 可编程输入输出单元。输入输出单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路 的接口部分，完成不同电气特性及对输入输出信号的驱动与匹配需求。为了使f p g a 有更灵活的应用，目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软件的 灵活配置，可以适配不同的电器标准与i o 物理特性。 5 幕了二f p g a 的视频移动目标柃测系统的研究与实现 2 基本可编程逻辑单元。基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据 设计灵活地改变器件内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。f p g a 一般是基于 s r a m 工艺的，其基本可编程逻辑单元几乎都是由l u t ( l o o ku pt a b l e ，查找表) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。查找表一般完成纯组合逻辑功能，而寄存器则用于完 成同步时序逻辑设计。a l t e r a 公司的可编程逻辑单元通常被称为l e ( l o g i ce l e m e n t ， 逻辑单元) ，由一个由查找表加一个寄存器构成。 3 嵌入式块r a m 。f p g a 内部嵌入可编程r a m 块，大大拓展了f p g a 的应用 范围和使用灵活性。f p g a 中其实并没有专用的r o m 硬件资源，实现r o m 的思路 是对r a m 赋予初值并保持该初值。 4 丰富的布线资源。布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决 定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。实现过程中，设计者一般不需要直接选择 布线资源，而是由布局布线器自动根据逻辑网表的拓扑结构和约束条件，选择可用的 布线资源连通所用的底层单元模块。 5 底层嵌入功能单元。底层嵌入功能单元指的是那些通用程度比较高的嵌入式 功能模块，比如p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) 、d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ，数字锁 相环) 、d s p 、c p u 等。f p g a 内部集成了d l l 或者p l l 硬件电路，用于完成时钟的 高精度、低抖动的倍频、分频、占空比调整和移相等功能。 6 内嵌专用硬核。内嵌专用硬核指的是那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 器件都包含的硬核，是相对底层嵌入功能单元而言的。 2 1 2q u a r t u si i 的开发流程 q u a r t u si i 软件是a l t e r a 的综合开发工具，它集成了a l t e r a 的f p g a 开发流程中 所涉及的所有工具和第三方软件接口。通过使用此综合开发工具，设计者可以创建、 组织和管理自己的设计。q u a r t u si i 允许用户在设计流程的每个阶段使用q u a r t u si i 软 件图形界面、e d a - 1 - 具界面或命令行方式。q u a r t u s i i 中软件的开发流程可分为五个 步骤：设计输入，综合，布局布线，仿真和编程与配置【1 8 】。 1 设计输入。设计输入是使用q u a r t u si i 软件的模块输入方式、文本输入方式、 c o r e 输入方式和e d a 设计输入工具等表达用户的电路构思，同时使用分配编辑器设 定初始设计的约束条件。设计输入可以分为以下三种：v h d l v e r i l o gh d l 硬件描述 语言输入方式、模块原理图输入方式和使用m e g a w i z a r dp l u g - i nm a n e g e r 产生i p 核 宏功能块。 6 济南大学硕十学位论文 2 综合。综合是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门、r a m 、 触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与要求( 约束条件) 优 化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的网表文件，供布线器进行实现。 除了可以使用q l l a n l l si i 软件的a n a l y s i s & s y n t h e s i s 命令综合外，还可以使用第三方综 合工具，生成与q u a r t u s i i 软件配合使用的e d f 和e d n 等标准格式的网表文件。 3 布局布线。布局布线就是使用由综合命令a n a l y s i s & s y n t h e s i s 生成的网表文件， 将工程的逻辑和时序要求与器件的可用资源相匹配。它将每个逻辑功能分配给最好的 逻辑单元位置，进行布局布线，并选择相应的互连路径和管脚分配。如果在设计中执 行了资源分配，则布局布线器将试图使这些资源与器件上的资源相匹配，并努力满足 用户设置的任何其他约束条件，然后优化设计中的其余逻辑。 4 仿真。在整个设计流程中，完成了设计输入以及成功综合、布局布线，只能 说明设计符合一定的语法规范，但其是否满足设计者的功能要求并不能保证，这需要 设计者通过仿真对设计进行验证。仿真的目的就是在软件环境下，验证电路的行为和 设想中的是否一致。仿真一般分为功能仿真和时序仿真。功能仿真是在设计输入完成 后，综合、布局布线之前的仿真，功能仿真也被称为前仿真。它是在不考虑电路的逻 辑和门的时间延迟，检验电路在理想环境下的行为和设计构想的一致性。时序仿真在 综合、布局布线之后，又称后仿真。时序仿真将布局布线的延时信息反标注到设计网 表中，布局布线之后生成的仿真时延文件不仅包含门延时，还包含实际布线延时，所 以布线之后仿真最准确，能较好地反映芯片的实际工作情况。 5 编程和配置。编程和配置是在全编译成功后，对a l t e m 器件进行编程和配置， 它包括a s s e m b l e ( 生成编程文件) 、p r o g r a m m e r ( 建立包含设计所用器件名称和选项 的链式文件) 、转换编程文件等。配置，又称为加载或下载，是对f p g a 内容进行编 程的一个过程。当f p g a 工作时，