智能目標跟蹤系統(tǒng)設計方案

摘 要：
　　通過借鑒嵌入式系統(tǒng)在電子技術、信號處理以及計算機等領域應用的成功經(jīng)驗，在分析目標檢測與跟蹤算法的基礎上，將目標檢測與跟蹤算法與嵌入式技術相結(jié)合，設計一種基于嵌入式PIC32單片機的目標檢測與跟蹤系統(tǒng)，可以實現(xiàn)目標檢測跟蹤系統(tǒng)的小型化，智能化，并以具體飛行目標為例進行了目標的識別和跟蹤。
　　研究目的
　　隨著現(xiàn)代社會對軍用和民用設備需求的不斷擴大及要求的不斷提高，運動目標的識別和跟蹤技術已經(jīng)迅速發(fā)展成為現(xiàn)代信息處理領域中一項非常重要的技術，也是無人機野外戰(zhàn)場偵察技術中的重點和難點，并在許多領域內(nèi)發(fā)揮著不可替代的作用。目前，基于PC 機的目標檢測與跟蹤技術已趨于成熟，但其在嵌入式平臺的應用研究還處于初級階段。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小巧，便于攜帶等一系列PC 機無法替代的優(yōu)點，因此如何對飛行目標進行有效檢測和跟蹤并且在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)是目前急需解決的課題。針對以上問題本文設計了一個基于嵌入式的目標檢測與跟蹤系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有體積小、實時性好并且可對運動目標進行有效實時跟蹤的特點。也為開展實時化微型化的嵌入式機器視覺系統(tǒng)的研究進行了有益的嘗試。
　　系統(tǒng)總體方案
　　本課題研究的是無人機在復雜背景環(huán)境下對目標的檢測和跟蹤的嵌入式實現(xiàn)問題，目標跟蹤系統(tǒng)是利用一個可移動的圖像處理設備實現(xiàn)圖像中運動物體的檢測和跟蹤，解決了軍用和工業(yè)等方面發(fā)展對目標跟蹤系統(tǒng)的小型化要求。
　　1.主要研究以下方面的內(nèi)容：
　?。?）嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的硬件設計
蹤系統(tǒng)的解決方案可以滿足設備功能的要求。
　　針對小型化的實際需求，本系統(tǒng)采用USB攝像頭作為采集目標圖像的設備，采用PIC32內(nèi)核開發(fā)板作為中央控制器，以及云臺、云臺控制器等外圍設備，形成完整的視覺反饋跟蹤系統(tǒng)。
　?。?）嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的軟件設計
　　針對被跟蹤目標的特點，設計實時識別與跟蹤算法，利用嵌入式系統(tǒng)軟件MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境具體開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收，特征識別和反饋控制等軟件模塊，采用MPLAB C32 C編譯器將目標跟蹤的算法編譯實現(xiàn)，實現(xiàn)對運動目標的識別與跟蹤。
　?。?）仿真實驗，調(diào)試
　　在設計好的嵌入式實驗平臺上進行跟蹤實驗，經(jīng)過反復調(diào)試，直到測試跟蹤的效果達到預期的要求。
　　2 研究方案
　　根據(jù)以上研究內(nèi)容，將目標的檢測和跟蹤方案的嵌入式實現(xiàn)分成硬件和軟件兩部分。
　　嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的硬件方案：
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
　　
　　圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
　　系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在PIC32嵌入式系統(tǒng)平臺上移植并配置MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境，針對平臺和應用的特點，制作合適的文件系統(tǒng)，編寫應用程序。運動目標經(jīng)USB攝像頭實時采集后，送入PIC32處理器，利用嵌入式處理器的強大運算能力，對采集到的圖像進行處理，完成目標識別與定位，并控制云臺控制器，調(diào)整攝像頭位姿，使攝像頭對準運動目標，實現(xiàn)實時跟蹤。實時性好和體積小巧是本嵌入式跟蹤系統(tǒng)追求的目標。
　　嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的軟件方案：
　?。?）MPLAB C32 C編譯器
　　C 代碼應用程序：32 位語言工具庫位于MPLAB C32 C 編譯器安裝目錄的pIC32mx\lib 子目錄中，默認情況下存放在：C：\Program Files\Microchip\MPLAB C32\pic32mx\lib可以通過MPLAB C32 鏈接器將這些庫直接鏈接到應用程序中。
　?。?）啟動代碼
　　為初始化數(shù)據(jù)存儲器中的變量，鏈接器創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)初始化映像。這個映像必須在啟動時、在應用程序正確獲取控制權(quán)之前復制到RAM 中。crt0.o 中的啟動代碼執(zhí)行運行時環(huán)境的初始化。
　?。?）32 位外設函數(shù)庫
　　32 位軟件和硬件外設函數(shù)庫為設置和控制32 位外設提供了函數(shù)和宏。 這些庫是特定于處理器的，形式為libmchp_peripheral_Device.a，其中Device 為32 位器件型號。
　　（4）標準C 函數(shù)庫（包含數(shù)學函數(shù)）
　　提供了一套完整的符合ANSI-89 的庫。 標準的C 語言庫文件是libc.a （由MIPS Technologies 編寫）、libe.a 和libm.a。一個典型的C 應用程序必須包含全部這三個庫，這三個庫在默認情況下就被鏈接進來，無需用戶指定。
　　1.MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境
　　MPLAB 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 是一個采用Microchip 的PICmicro 和 dsPIC開發(fā)嵌入式應用的免費集成工具箱。MPLAB IDE在32-bit 的MS Windows下運行，是一個簡單易用的開發(fā)環(huán)境，并且包含很多可進行快速應用開發(fā)和調(diào)試的免費軟件。MPLAB IDE同樣也充當一個附加的Microchip和第三方軟件和硬件工具的圖形用戶界面。
　　2.實現(xiàn)目標跟蹤算法的應用程序
　　應用程序是針對需求編寫的僅適用于本系統(tǒng)的專用程序。本系統(tǒng)應用程序流程如圖2所示。初始化后打開設備文件（攝像頭等），查詢和確認設備性能，設置捕獲的圖像的寬和高，設置色深，建立內(nèi)存映射，讀取圖像數(shù)據(jù)，對圖像進行處理，關閉設備。圖像采集有兩種方式：內(nèi)存映射（mmap）和直接讀取設備（read）。前者將設備文件映射到內(nèi)存，繞過I/O訪問，使得讀取速度更快，但是占用更多系統(tǒng)資源?？紤]系統(tǒng)實時性，因此采用內(nèi)存映射方式。