智能目標跟蹤系統設計方案

摘 要：
　　通過借鑒嵌入式系統在電子技術、信號處理以及計算機等領域應用的成功經驗，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合，設計一種基于嵌入式PIC32單片機的目標檢測與跟蹤系統，可以實現目標檢測跟蹤系統的小型化，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迅速發展成為現代信息處理領域中一項非常重要的技術，也是無人機野外戰場偵察技術中的重點和難點，并在許多領域內發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。由于嵌入式系統具有體積小巧，便于攜帶等一系列PC 機無法替代的優點，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中實現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，本系統具有體積小、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的研究進行了有益的嘗試。
　　系統總體方案
　　本課題研究的是無人機在復雜背景環境下對目標的檢測和跟蹤的嵌入式實現問題，目標跟蹤系統是利用一個可移動的圖像處理設備實現圖像中運動物體的檢測和跟蹤，解決了軍用和工業等方面發展對目標跟蹤系統的小型化要求。
　　1.主要研究以下方面的內容：
　?。?）嵌入式視覺跟蹤系統的硬件設計
蹤系統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，本系統采用USB攝像頭作為采集目標圖像的設備，采用PIC32內核開發板作為中央控制器，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。
　?。?）嵌入式視覺跟蹤系統的軟件設計
　　針對被跟蹤目標的特點，設計實時識別與跟蹤算法，利用嵌入式系統軟件MPLAB IDE集成開發環境具體開發系統的數據接收，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，實現對運動目標的識別與跟蹤。
　?。?）仿真實驗，調試
　　在設計好的嵌入式實驗平臺上進行跟蹤實驗，經過反復調試，直到測試跟蹤的效果達到預期的要求。
　　2 研究方案
　　根據以上研究內容，將目標的檢測和跟蹤方案的嵌入式實現分成硬件和軟件兩部分。
　　嵌入式視覺跟蹤系統的硬件方案：
　　系統硬件結構圖如圖1所示：
　　
　　圖1系統硬件結構圖
　　系統總體硬件結構如圖1所示。在PIC32嵌入式系統平臺上移植并配置MPLAB IDE集成開發環境，針對平臺和應用的特點，制作合適的文件系統，編寫應用程序。運動目標經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，調整攝像頭位姿，使攝像頭對準運動目標，實現實時跟蹤。實時性好和體積小巧是本嵌入式跟蹤系統追求的目標。
　　嵌入式視覺跟蹤系統的軟件方案：
　?。?）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
　　為初始化數據存儲器中的變量，鏈接器創建一個數據初始化映像。這個映像必須在啟動時、在應用程序正確獲取控制權之前復制到RAM 中。crt0.o 中的啟動代碼執行運行時環境的初始化。
　?。?）32 位外設函數庫
　　32 位軟件和硬件外設函數庫為設置和控制32 位外設提供了函數和宏。 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。
　?。?）標準C 函數庫（包含數學函數）
　　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集成開發環境
　　MPLAB 集成開發環境 （IDE） 是一個采用Microchip 的PICmicro 和 dsPIC開發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環境，并且包含很多可進行快速應用開發和調試的免費軟件。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的專用程序。本系統應用程序流程如圖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，建立內存映射，讀取圖像數據，對圖像進行處理，關閉設備。圖像采集有兩種方式：內存映射（mmap）和直接讀取設備（read）。前者將設備文件映射到內存，繞過I/O訪問，使得讀取速度更快，但是占用更多系統資源?？紤]系統實時性，因此采用內存映射方式。