基于FPGA+DSP的视频目标跟踪系统设计与实现

摘要

视频目标跟踪技术是一门综合学科的先进技术，它融合了跟踪控制、人工智能、图像处理等多个领域的先进内容。经过多年的深入研究和发展，视频目标跟踪技术已经被广泛的应用在现代军事、智能监控、智能交通和人机交互等领域中，并且在国内外中越来越受到重视。本文设计了一种基于FPGA+DSP的视频目标跟踪系统，对系统的工作原理进行了深入研究。在确定总体方案的前提下，进行系统的硬件设计，在硬件的基础上完成视频目标检测算法和跟踪控制算法的设计。最终将算法在硬件中实现，完成对移动目标遥控小车的实时跟踪，本文的具体工作如下：
　　(1)视频目标跟踪系统总体规划和硬件设计。首先对视频目标跟踪系统的工作原理进行详细介绍，在工作原理的基础上明确本次课题的总体设计方案。接着对系统的组成部分进行论述，介绍每个部分所要完成的具体功能。最后将视频目标跟踪系统分为视频采集系统和稳定控制系统分别进行硬件设计。
　　(2)基于FPGA的视频采集与实时显示。以FPGA为控制器，使用Verilog硬件描述语言设计视频采集模块、SDRAM控制器模块和VGA显示模块，并对各模块的功能进行介绍，最后通过ModelSim-Altera工具对各模块的输入输出端口进行时序仿真。
　　(3)视频目标检测算法设计及FPGA实现。首先对图像处理中的常用滤波处理算法、图像的形态学处理和视频目标检测算法进行了介绍，对提取的灰度图像进行滤波后，使用背景差分法将背景图像和视频目标进行分离，将分离后的图像进行腐蚀和膨胀处理后，根据像素扫描原理得到视频目标的平均坐标。使用FPGA完成编写视频目标检测方案，并根据计算出的平均横坐标和纵坐标得到跟踪偏差角数据，最后使用UART通信将跟踪偏差角传送给DSP控制器。
　　(4)跟踪控制算法设计及DSP实现。对视频目标跟踪系统各模块建立数学模型，由各模块的数学模型得出跟踪回路的数学模型。利用PID原理对跟踪控制回路的数学模型进行校正，得到最合适的PID控制参数。将跟踪控制系统闭环回路的输出作为控制电机的输入量，完成电机的跟踪控制。使用DSP控制器完成系统中各传感器数据的采集，以及跟踪控制算法的实现。
　　(5)系统测试及验证。系统正常工作后，在跟踪过程中通过串口通信实时的将视频目标的横坐标平均值和纵坐标平均值传送给上位机。选取多组数据并绘图后，发现视频目标的中心位置始终位于视频图像的中心位置附近。实验结果表明：移动目标始终处在摄像头拍摄的中间位置，完成了对遥控小车的实时跟踪。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2相关技术的研究与发展状况

1.3论文主要研究内容及各章节安排

第2章 视频目标跟踪系统总体规划和硬件设计

2.1视频目标跟踪系统的总体设计

2.2视频采集系统硬件设计

2.3稳定控制系统硬件设计

2.4本章小结

第3章 基于FPGA的视频采集与实时显示

3.1视频采集设计

3.2 SDRAM控制器设计

3.3 VGA显示设计

3.4本章小结

第4章 视频目标检测算法设计及FPGA实现

4.1常用的滤波处理算法

4.2图像的形态学处理

4.3视频目标检测算法

4.4视频目标检测方案

4.5本章小结

第5章 跟踪控制算法设计及DSP实现

5.1跟踪控制系统建模

5.2电机框架数学模型参数辨识

5.3跟踪控制算法设计

5.4跟踪控制方案

5.5本章小结

第6章 系统测试及验证

6.1系统实物和硬件电路

6.2系统跟踪性能测试

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果

致谢

附录