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本文基于xilinx公司的ARTIX-7系列芯片xc7a35t和cmos摄像头ov7725以及VGA显示屏搭建了一套硬件平台用以动态目标的检测跟踪。使用vivado软件设计了各个系统模块的功能,本系统主要由5个模块构成:ov7725视频图像数据采集模块、数据缓存模块、DDR3读写控制模块、图像数据处理模块、VGA显示模块。本文采用Verilog HDL硬件描述语言进行编程,先完成了对摄像头ov7725的驱动,通过摄像头采集的图像转为RGB565格式通过数据缓存模块存入DDR3之中,再通过数据缓存模块取出并通过背景差分法进行动态目标的检测,在进行先腐蚀后膨胀的数学形态学处理之后,采用基于颜色特征的匹配算法进行动态目标的跟踪,并最终在VGA显示屏上显示跟踪结果。实验结果表明,在FPGA上采用合适的算法搭建系统能实时、准确的检测并跟踪动态目标。
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基于FPGA的运动目标检测跟踪算法研究与实现
学生姓名: 班级:
指导老师:
摘要:随着科技的发展,数据处理技术在进步,视频图像处理技术被更多的人注意和
关注,智能监控系统更是重中之重,而动态目标跟踪技术是智能监控系统中的关键。基
于FPGA具有处理速度快和并行处理能力的优点,它能更快更准的检测动态目标,非常
适合用于实时的图像数据处理,在智能监控系统中扮演了一个非常重要的角色。
本文基于xilinx公司的ARTIX-7系列芯片xc7a35t和cmos摄像头ov7725以及
VGA显示屏搭建了一套硬件平台用以动态目标的检测跟踪。使用vivado软件设计了各
个系统模块的功能,本系统主要由5个模块构成:ov7725视频图像数据采集模块、数
据缓存模块、DDR3读写控制模块、图像数据处理模块、VGA显示模块。本文采用
Verilog HDL硬件描述语言进行编程,先完成了对摄像头ov7725的驱动,通过摄像头
采集的图像转为RGB565格式通过数据缓存模块存入DDR3之中,再通过数据缓存模块
取出并通过背景差分法进行动态目标的检测,在进行先腐蚀后膨胀的数学形态学处理之
后,采用基于颜色特征的匹配算法进行动态目标的跟踪,并最终在VGA显示屏上显示
跟踪结果。实验结果表明,在FPGA上采用合适的算法搭建系统能实时、准确的检测并
跟踪动态目标。
关键词:FPGA;动态目标跟踪;实时图像处理;Verilog HDL;背景差分
指导老师签名:
Research and Implementation of Motion Target Detection and
Tracking Algorithms Based on FPGA
Student name : Class:
Supervisor:
A b s t r a c t:W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y a n d t h e p r o g r e s s o f d a t a
p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , m o r e a n d m o r e p e o p l e p a y a t t e n t i o n t o v i d e o i m a g e p r o c e s s i n g
technology. Intelligent monitoring system is the most important, and dynamic target tracking
t e c h n o l o g y i s t h e k e y o f i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g s y s t e m . B a s e d o n t h e a d v a n t a g e s o f f a s t
processing speed and parallel processing ability, FPGA can detect dynamic targets faster and
more accurately, and is very suitable for real-time image data processing, and plays a very
important role in intelligent monitoring system.
This paper builds a hardware platform for dynamic target detection and tracking based on
Xilinx ARTIX-7 series chip xc7a35t, CMOS camera ov7725 and VGA display screen. Viado
software is used to design the functions of each system module. The system mainly consists
of five modules: ov7725 video image data acquisition module, data buffer module, DDR3
read and write control module, image data processing module and VGA display module. In
this paper, Verilog HDL hardware description language is used to program. First, the driver
o f t h e c a m e r a o v 7 7 2 5 i s c o m p l e t e d . T h e i m a g e c a p t u r e d b y t h e c a m e r a i s c o n v e r t e d t o
RGB565 form at. T he image is store d in DDR3 through the d a ta buffer modu le. The n, the
dynamic target is detected by the data buffer module and the background difference method.
After the mathematical morphological processing of corrosion and expansion, the dynamic
target is detected by the method based on the RGB565 format. The matching algorithm of
color feature is used to track the dynamic target, and the tracking result is displayed on the
VGA display. The experimental results show that the system can detect and track dynamic
targets in real time and accurately by using appropriate algorithms on the FPGA.
K e y w o r d: F P G A ; D y n a m i c T a r g e t T r a c k i n g ; R e a l - t i m e i m a g e p r o c e s s i n g ;
Verilog HDL; Background subtraction
目录
第1章引言................................................................................................................................1
1.1课题背景与选题意义..................................................................................................1
1.2国内外研究现状..........................................................................................................1
1.3论文研究内容及结构安排..........................................................................................2
第2章动态目标跟踪系统设计................................................................................................3
2.1硬件开发平台..............................................................................................................3
2.2视频图像数据采集模块..............................................................................................5
2.2.1 I2C配置寄存器模块........................................................................5
2.2.2 OV7725时序.................................................................................9
2.3数据缓存模块............................................................................................................12
2.3.1DDR3工作原理.............................................................................12
2.3.2 数据读写控制...............................................................................13
2.4显示模块....................................................................................................................19
第3章 动态目标检测跟踪算法分析....................................................................................21
3.1动态目标检测算法分析............................................................................................21
3.2数学形态学处理方法分析........................................................................................21
3.3动态目标跟踪算法分析............................................................................................22
第4章 基于FPGA的动态目标检测跟踪系统的实现..........................................................22
4.1动态目标检测的FPGA实现.....................................................................................22
4.2数学形态学处理的FPGA实现.................................................................................25
4.3动态目标跟踪的FPGA实现.....................................................................................25
4.4实验结果和分析........................................................................................................27
第5章 总结与展望................................................................................................................31
5.1总结............................................................................................................................31
5.2展望............................................................................................................................31
参考文献................................................................................................................................32
致谢........................................................................................................................................34
附录........................................................................................................................................35
第1章引言...........................................................................................1
1.1课题背景与选题意义.........................................................................1
1.2国内外研究现状...............................................................................1
1.3论文研究内容及结构安排..................................................................2
第2章动态目标跟踪系统设计...........................................................4
2.1硬件开发平台..................................................................................4
2.2视频图像数据采集模块.....................................................................6
2.2.1 I2C配置寄存器模块..............................................................................6
2.2.2 OV7725时序......................................................................................9
2.3数据缓存模块................................................................................12
2.3.1 DDR3工作原理..................................................................................12
2.3.2 数据读写控制....................................................................................13
2.4显示模块......................................................................................19
第3章动态目标检测跟踪算法分析.................................................21
3.1动态目标检测算法分析...................................................................21
3.2数学形态学处理方法分析................................................................22
3.3动态目标跟踪算法分析...................................................................22
第4章基于FPGA的动态目标检测跟踪系统的实现.......................23
4.1动态目标检测的FPGA实现................................................................23
4.2数学形态学处理的FPGA实现...........................................................25
4.3动态目标跟踪的FPGA实现..............................................................26
4.4实验结果和分析.............................................................................27
第5章总结与展望.............................................................................32
5.1总结.............................................................................................32
5.2展望.............................................................................................32
参考文献...........................................................................................33
致谢...................................................................................................35
附录...................................................................................................36
第1章引言
1.1课题背景与选题意义
近年来智能监控系统越来越受公众的关注,彻底走入大家的视野,每个领域都或多
或少有它的身影,社会与公众的安全因此受到保障。比较常见的是交通流量监控,住宅
监控以及各种财务监控。智能监控系统市场飞速增长的同时,其核心的动态目标检测与
跟踪技术也慢慢被大家所了解。自然界的图像都是连续的模拟信号,其中运动的物体往
往是监控的重点,在智能监控系统中,我们需要将运动的物体作为目标提取出来进行跟
踪与监控,达到安全预防的效果。而在动态目标检测系统中,需要判断是否存在运动物
体,如果有则还要判断它的位置、颜色、形状、速度等信息,这样才能完整地对一个运
动物体进行信息采集与处理。
然而在很多动态目标检测跟踪系统中,图像数据量太大,很难达到延时低的实时图
像处理的功能,而FPGA有着处理速度快、并行处理的优点,适用于解决图像数据量大
难以实时处理的难题。这使得FPGA在图像数据处理领域应用的越来越广泛。同时,由
于FPGA还有着高可靠性,高集成度,低功耗等优点,在未来的发展中,应用FPGA进
行智能监控系统是一个重要的方向
[1]
。
在实际生活中,动态的目标检测和跟踪具有很强的实用性,动态监测这一领域也得
到了科研界的广泛关注。目前,对动态目标跟踪算法的研究已经比较成熟,但利用硬件
实现该算法仍是当前的热点
[2]
。在未来的实际应用中,动态目标检测系统能在众多领域
发挥更重要作用,例如,在智能交通系统中不仅能够对实时的监控视频,而且能对异常
的事件进行预判,有助于交通流量管理并能够降低交通事故的发生率;在安防视频监控
中,对移动目标进行检测能够及时发现环境的异常情况,在很多场合能够减少损失甚至
杜绝意外的发生;在机器人视觉处理中,动态的目标跟踪可以用来采集感兴趣的目标或
是躲避障碍物
[3]
,能让实际应用拥有更强的直观性。运动目标检测技术不仅适用于交通
领域,还可以在商场、住宅和广场等公共场所的智能监控系统中发挥。
1.2国内外研究现状
智能监控系统应用在了各种重要的安全保障场所,能保障人们与财务的安全,与各
个行业都息息相关。虽然我国比较国外对动态目标跟踪重视比较晚,但现在也加大了人
力物力进行这方面的研究。
目前在国内,如北京航空航天大学、西安电子科技大学、上海交通大学等对智能监
控系统有所研究,而国内在这方面研究处理领先地位的是中国科学院北京自动化研究所
下属的模式识别国家重点实验室,他们深入研究了行为模式识别、场景监控、运动监控
并 且 在 原 有 的 理 论 基 础 上 , 设 计 了 一 套 完 全 原 创 的 交 通 监 控 原 型 系 统
(VSTART,Visual Surveillance Star)
[4]
。
而在国外,发达国家拥有资金和技术优势,他们在这一领域的研究领先于我们。早
在1997年,麻省理工大学和卡内基梅隆大学就在资助下自主研发了重点监控高危地区
的智能监控系统(VSAM,Vidio Surveillance and Monitoring)
[5]
。近年来,美国航
1
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