基于FPGA的视觉目标跟踪算法研究与实现

摘要

目标跟踪技术是机器视觉领域研究的热点内容之一，被广泛应用于军事、航空、医学等各个领域。经过多年研究，目标跟踪技术日趋成熟。FPGA即现场可编程门阵列具有并行处理的优势，非常适合对复杂的跟踪算法进行硬件加速，所以将FPGA应用于目标跟踪技术具有重要的学术意义和工程实践价值。 本文对多种目标检测及目标跟踪算法进行分析，选用帧间差分法检测运动目标，对检测出的目标采用模板匹配算法进行目标跟踪，并且在 Altera公司的 DE2_115开发平台上完成系统的设计。本文的主要内容如下： （1）首先对三种主流的目标检测算法：帧间差分法、背景差分法和光流法进行研究，分析它们进行目标检测的原理以及算法的适用环境，并决定采用帧间差分法进行目标检测。采用形态学的开运算滤除帧间差分法在画面中产生的空洞点和噪声点。 （2）对检测到的运动目标采用模板匹配算法进行跟踪。模板匹配算法主要分为：基于灰度的模板匹配算法和基于特征的模板匹配算法。针对基于灰度的模板匹配算法对噪声较为敏感，而基于特征的模板匹配算法匹配速度较慢的问题，提出一种基于边缘特征的二级模板匹配算法，该算法将传统的全局匹配变为二级匹配，提高匹配速度；一级粗匹配利用模板图像与窗口图像的均值，找出粗匹配点；二级精确匹配采用边缘以及边缘梯度信息计算SAD函数，从粗匹配点中找出精确匹配点。 （3）采用TRDB-D5M摄像头作为视频采集系统，Altera公司的DE2-115开发板作为硬件设计平台。将检测与跟踪算法用Verilog硬件描述语言进行设计，在Quartus II13.0的开发平台上对工程进行编译综合，最后用逻辑分析仪对系统分模块仿真，仿真结果证明该系统能满足设计要求。 为了检验算法的目标跟踪效果，对本文算法在MATLAB平台上进行编写仿真，实验结果表明，本文算法相较传统的算法抗噪能力更好，跟踪精度更高。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容及安排

第二章 运动目标检测及跟踪算法研究

2.1运动目标检测算法研究

2.2形态学滤波

2.3基于模板匹配的跟踪算法的研究

2.4 基于边缘特征的二级模板匹配算法

2.5 本章小结

第三章 基于FPGA的视觉目标跟踪系统的设计

3.1系统的总体设计方案

3.2硬件开发平台

3.3图像采集模块

3.4 图像缓存模块

3.5 图像显示模块

3.6 本章小结

第四章 运动目标检测与跟踪算法的FPGA实现

4.1运动目标检测算法的FPGA实现

4.2形态学滤波的FPGA实现

4.3运动目标外接矩形框

4.4 基于边缘特征的二级模板匹配算法的FPGA实现

4.5 实验结果分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢