基于SOPC的实时运动目标检测与跟踪系统

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法，并做出改进。运动目标跟踪是确定序列帧中的目标位置，得到运动轨迹。卡尔曼滤波算法是一种快速有效，计算量小的目标跟踪算法，具有实
８］时性和鲁棒性好的特点［。综合考虑以上因素，
本文采用基于累积差分更新的背景减除法和卡尔曼滤波算法，设计并实现了一种基于ＳＯＰＣ的运动目标检测与跟踪系统。
ＲｅａｌｔｉｍｅＭｏｖｉｎｇＯｂｊｅｃｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＳＯＰＣ
１１２１ＬＩＹｕｅｊｉｎｇ，ＸＩＥＷｅｉｃｈｅｎｇ，ＳＨＩＹｉｘｉｎｇ，ＣＨＥＮＣｈａｎｇｍｉｎ
９］３３２１６个逻辑单元，１０５个Ｍ４Ｋ块［，３５个１８×
区域。本系统采用算法复杂度较小的背景减除法，其原理是将当前帧与背景模型差分，缺点是对场景的变化特别敏感。因此，建立并维持一个良好的背景模型是准确提取运动物体的关键。本系统采用累积差分更新法建立背景模型，能较好地去除噪声干扰。
重庆理工大学学报９２视频序列中运动目标检测与跟踪是智能视频监控（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｉｄｅｏｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ）系统的重要研究内容，目前在该领域已经开展了大量研究。视ＳＡＭ研究了对混乱环境下的人觉监控重大项目Ｖ和车辆进行连续跟踪的问题。实时视频监控系统
图１系统硬件结构
２运动目标检测
运动目标检测是目标跟踪的前提，通过对视频序列图像进行处理，提取出图像中的运动物体
１系统硬件结构
系统采用Ａｌｔｅｒａ公司第二代低成本可编程门阵列系列ＣｙｃｌｏｎｅＩＩＥＰ２Ｃ３５Ｆ６７２Ｃ６ＦＰＧＡ作为核心处理芯片，该芯片采用９０ｎｍ低ｋ绝缘工艺，６７２脚ＢＧＡ封装，最多后４７５个Ｉ／Ｏ口供用户使用。
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＸｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３９，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６４，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０１０－１２－０２
基金项目：四川省重点学科基金资助项目（ＳＺＤ０５０３－０９－０）作者简介：李月静（１９８５ —），男，重庆人，硕士研究生，主要从事图像处理、嵌入式系统的研究；谢维成（１９７３ —），男，副教授，硕士生导师，主要从事信号检测与信息处理的研究。
２的ＩＣ总线配置模块来进行初始化和控制。系统
场景中的人进行识别并监控其活动的问题。智能视频监控系统正在向智能化、实时化、小型化发展，系统各类算法日益复杂，实时性要求也越来越高。可编程片上系统ＳＯＰＣ（ｓｙｓｔｅｍｏｎａｐｒｏｇｒａｍ）是一种基于ＦＰＧＡ的软硬件均可编程ｍａｂｌｅｃｈｉｐ的嵌入式单片系统，能在一个系统中实现多个微处理器，具有高速处理和并行多任务的能力，以及灵活编程设计的特性。在ＳＯＰＣ中实现运动目标检测与跟踪系统，可以极大地提高系统性能。运动目标检测是将目标区域从图像中提取，常用的算法有帧差法，背景减除法，光流法等。帧
基于ＳＯＰＣ的实时运动目标检测与跟踪系统
李月静１，谢维成１，石一兴２，陈昌敏１
（１．西华大学电气信息学院，成都６１００３９；２．四川大学电子信息学院，成都６１００６４）
摘要：设计了一种以ＦＰＧＡ为核心处理器件的实时运动目标检测与跟踪系统，采用基于累积差分更新的背景减除法检测运动目标，卡尔曼滤波和直方图匹配算法对目标进行跟踪。实验结果表明，该系统能对静态背景视频序列中的运动目标实时有效地进行检测和跟踪。关键词：视频序列；检测与跟踪；ＳＯＰＣ；背景减除；卡尔曼滤波中图分类号：ＴＰ３９１文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－８４２５（２０１１）０４－００９１－０６
(ｉ ) ＝ｐ (ｉ )·Ｇ (ｉ ) Ｐ，ｊ，ｊ，ｊ
２２ ) －( ｉ１＋ｊ (ｉ ) ＝Ｇｅｘｐ，ｊ２２２ π σ ２ σ
由于当前帧更能反映背景变化情况，且随着帧数的增加，背景波动纹理增多，误差增大，因此选择适当的权值 ω ， ω １２以及计数值Ｑ是建立背景较模型的关键。背景模型随帧图像实时更新，好地消除了场景变化带来的干扰。２．２．２运动目标提取建立背景模型ＣＢ将当前帧图像Ｐｋ后，ｋ与背
［２］Ｗ４针对夜晚和光线较差的室外环境，研究了对
ＳＰ算法，实现比真正ＤＳＰ更快的数字种成熟的Ｄ信号处理。本系统采用ＣＣＤ摄像机输出ＰＬＡ制式模拟信号，扫描输出像素７２０× ５７６，行扫描频率１５６２５ｋＨｚ，场扫描频率５０Ｈｚ，视频解码器ＡＤＶ７１８１Ｂ将模拟信号转换成ＹＣｂＣｒ４：２：２格式数字信号，在ＤＭＡ控制器控制下通过Ａｖａｌｏｎ总线，送到ＳＲＡＭ图像储存空间以及ＳＤＲＡＭ系统运行主存，通过图像检测和跟踪模块处理后，将图像数据由ＹＣｂＣｒ转换成ＲＧＢ格式，再通过ＡＤＶ７１２３视频编码器将数据转换成模拟视频信号，输出到ＶＧＡ显示器上显示。视频编解码器由ＦＰＧＡ构建
第２５卷第４期
重庆理工大学学报（自然科学）
２０１１年４月
Ａｐｒ．２０１１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．４
１８的硬件乘法器，由其构建的ＤＳＰ核，能使用各
李月静，等：基于ＳＯＰＣ的实时运动目标检测与跟踪系统９３２．１图像序列预处理系统获取的图像经解码后，首先需将亮度信号Ｙ与色度信号Ｃｂ，Ｃｒ分离，使图像转换为灰度图像。然后对图像进行滤波，消除图像中存在的干扰和噪声。本系统采用３× ３处理窗口对图像进ห้องสมุดไป่ตู้高斯平滑滤波，算法如下：
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｈａｓｂｅｅｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｒｅｑｕｉｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｉｄｅｏｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔｒｅｌｅｖａｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘ．Ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｖｉｎｇｏｂｊｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇ，ｉｔａｌｗａｙｓｕｔｉｌｉｚｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｎａｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｃｈｉｐ（ＳＯＰＣ）ｗｉｔｈｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔｆｌｏｗｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｖｉｎｇｏｂｊｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｅｄｂｙＦＰＧＡａｓｃｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｕｐｄａｔｉｎｇｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｍｏｖｉｎｇｏｂｊｅｃｔ．ＴｈｅＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒａｎｄｈｉｓｔｏｇｒａｍｍａｔｃｈｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄｆｏｒｏｂｊｅｃｔｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｔｉｍｅｌｙｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｂｊｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇｆｏｒｖｉｄｅｏｓｅｑｕｅｎｃｅｉｎｓｔａｔｉｃｓｃｅｎｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏｓｅｑｕｅｎｃｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇ；ＳＯＰＣ；ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ；Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ
３－４］差法对于目标运动速度有要求［，背景减除法５］对于场景变化特别敏感［，光流法计算相当复６－７］杂［。因此应该根据实际情况选择合适的算
处理器由ＮｉｏｓＩＩ软核下载到ＦＰＧＡ实现，系统上电后由ＥＰＣＳ１６进行引导和配置，系统主程序储存在ＦＬＡＳＨ中。系统硬件结构如图１所示。