本實(shí)用新型涉及嵌入式技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備。

背景技術(shù)：

目標(biāo)跟蹤技術(shù)一直是計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一，其在軍事偵察、精確制導(dǎo)、火力打擊、戰(zhàn)場評估以及安防監(jiān)控等諸多方面均有廣泛的應(yīng)用前景。

近年來目標(biāo)跟蹤技術(shù)發(fā)展取得了很大進(jìn)步。研發(fā)出了多個性能優(yōu)良的跟蹤器，可以在簡單場景中實(shí)時跟蹤目標(biāo)。應(yīng)用假設(shè)可以使跟蹤的問題簡單化( 如平滑的運(yùn)動、少量阻塞、光照恒定性、高對比度背景等) ，但這些假設(shè)在現(xiàn)實(shí)場景中是不存在的，限制了其在自動化監(jiān)控、人機(jī)交互、視頻檢索、交通監(jiān)控、車輛導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。目標(biāo)跟蹤的難點(diǎn)在于：目標(biāo)外觀隨時間而變化，如尺度變化、旋轉(zhuǎn)、超平面旋轉(zhuǎn)、光照變化引起的目標(biāo)顏色劇烈及不均勻變化、非剛體形變、視角變化引起的外觀變化等；背景復(fù)雜多變，使建模難度增加且目標(biāo)容易淹沒在背景中；多個目標(biāo)出現(xiàn)咬合阻塞現(xiàn)象的處理；由于相機(jī)不穩(wěn)、相機(jī)幀頻、傳感器等原因造成高速運(yùn)動目標(biāo)的模糊；完全遮擋或丟失后造成的時間不連續(xù)，而后目標(biāo)重新出現(xiàn)。

深度學(xué)習(xí)的提出使得人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重新成為機(jī)器學(xué)習(xí)最重要的算法之一。通過深度學(xué)習(xí)的方法構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)抽取特征是目前目標(biāo)和行為識別中得到關(guān)注的研究方向。由于深度學(xué)習(xí)可以無監(jiān)督地從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到特征，而這種學(xué)習(xí)方式也符合人類感知世界的原理，因此當(dāng)訓(xùn)練樣本足夠多的時候，深度學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)到的特征具有語義特征，更適合目標(biāo)跟蹤與識別。谷歌虛擬人腦，百度大腦等深度學(xué)習(xí)框架是人工智能在目標(biāo)識別上的重要運(yùn)用。但是深度學(xué)習(xí)在目標(biāo)跟蹤上的運(yùn)用面臨功耗，規(guī)模，速度的問題。因此目前基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)跟蹤很難在現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備。

技術(shù)方案如下：

一種基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備，嵌入到被控對象上，目標(biāo)跟蹤設(shè)備包括：

攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊；

識別前方圖像中的跟蹤目標(biāo)并根據(jù)選取的跟蹤目標(biāo)產(chǎn)生跟蹤控制信號的FPGA開發(fā)板；

實(shí)時顯示經(jīng)FPGA開發(fā)板識別的前方圖像中的目標(biāo)圖像并從中選取跟蹤目標(biāo)的LCD顯示屏模塊；

攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊安裝到被控對象上方，攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸端口與FPGA開發(fā)板IO端口連接，F(xiàn)PGA開發(fā)板與LCD顯示屏模塊雙向連接，F(xiàn)PGA開發(fā)板的控制信號輸出端口連接被控對象的控制輸入端。

標(biāo)跟蹤的FPGA開發(fā)板，F(xiàn)PGA開發(fā)板包括兩部分：目標(biāo)識別模塊和控制信號輸出模塊；目標(biāo)識別模塊的輸入端連接攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端，控制信號輸出模塊的輸入端連接目標(biāo)識別模塊的輸出端，控制信號輸出模塊的輸出端連接被控對象的控制輸入端；

目標(biāo)識別模塊，識別的前方圖像中的目標(biāo)圖像：對攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊采集的被控對象前方圖像數(shù)據(jù)，采用過分割的方式將圖像分割成多個小圖像，并按照顏色相似、紋理相似有限合并等合并規(guī)則對過分割的小圖像進(jìn)行合并處理，產(chǎn)生1000~2000個候選目標(biāo)圖像；用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對每個候選目標(biāo)圖像進(jìn)行深度特征提取，再將每個候選目標(biāo)圖像提取的深度特征送入各目標(biāo)分類器中進(jìn)行目標(biāo)識別，得到多個目標(biāo)圖像。

控制信號輸出模塊，以前方圖像的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立二維直角坐標(biāo)系，如果跟蹤目標(biāo)在原點(diǎn)的左側(cè)則輸出向左的方向控制信號給被控對象，如果跟蹤目標(biāo)在原點(diǎn)的右側(cè)則輸出向右的方向控制信號給被控對象，如果跟蹤目標(biāo)在原點(diǎn)的正前方則輸出直行方向控制信號給被控對象。

有益效果：

使用攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊采集攝像頭前方圖像信息，圖像數(shù)據(jù)信息通過USB傳輸?shù)交趯?shí)現(xiàn)神經(jīng)單元網(wǎng)絡(luò)的FPGA開發(fā)板，該USB采用USB3.0版本，可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)實(shí)時快速傳輸，圖像傳輸?shù)膶?shí)時性，有效性，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)單元網(wǎng)絡(luò)的FPGA開發(fā)板處理圖像數(shù)據(jù)，識別目標(biāo)，將產(chǎn)生的識別信息，一方面，F(xiàn)PGA開發(fā)板擺脫傳統(tǒng)的嵌入式的串行計(jì)算模型，利用自身硬件資源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的硬件并行計(jì)算，可快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤等算法，快速地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別，控制信號的產(chǎn)生，使得跟蹤的實(shí)時性更強(qiáng)；另一方面，F(xiàn)PGA開發(fā)板具有現(xiàn)場可編程特性，當(dāng)面對更復(fù)雜場景，識別更復(fù)雜目標(biāo)時，該設(shè)備可修改神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大小，F(xiàn)PGA開發(fā)板將圖像信息顯示在LCD顯示屏模塊上，用戶通過觸摸LCD顯示屏模塊選擇被跟蹤目標(biāo)，該設(shè)備具有良好的交互性，方便使用，并且FPGA開發(fā)板將產(chǎn)生的控制信號與被控制物體相連，實(shí)現(xiàn)被控制物體的目標(biāo)跟蹤。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備連接框圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做詳細(xì)說明。

如圖1所示的一種基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備，嵌入到被控對象上，目標(biāo)跟蹤設(shè)備包括：

攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊；

識別前方圖像中的跟蹤目標(biāo)并根據(jù)選取的跟蹤目標(biāo)產(chǎn)生跟蹤控制信號的FPGA開發(fā)板；完成前方圖像數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)和處理，并產(chǎn)生控制信號，輸出至被控對象。

實(shí)時顯示經(jīng)FPGA開發(fā)板識別的前方圖像中的目標(biāo)圖像并從中選取跟蹤目標(biāo)的LCD顯示屏模塊；

攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊安裝到被控對象上方，攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸端口與FPGA開發(fā)板IO端口連接，F(xiàn)PGA開發(fā)板與LCD顯示屏模塊雙向連接，F(xiàn)PGA開發(fā)板的控制信號輸出端口連接被控對象的控制輸入端。

具體地，攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊能夠完成圖像數(shù)據(jù)初步處理工作，即利用opencv（Open Source Computer Vision Library）實(shí)現(xiàn)圖像的消除抖動。攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的圖像數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)紽PGA開發(fā)板，該USB采用USB3.0版本，可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)實(shí)時快速傳輸。

具體地，所述FPGA開發(fā)板是用硬件描述語言描述實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的FPGA開發(fā)板，F(xiàn)PGA開發(fā)板包括兩部分：目標(biāo)識別模塊和控制信號輸出模塊；目標(biāo)識別模塊的輸入端連接攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端，控制信號輸出模塊的輸入端連接目標(biāo)識別模塊的輸出端，控制信號輸出模塊的輸出端連接被控對象的控制輸入端；

目標(biāo)識別模塊，識別的前方圖像中的目標(biāo)圖像：對攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊采集的被控對象前方圖像數(shù)據(jù)，采用過分割的方式將圖像分割成多個小圖像，并按照顏色相似、紋理相似有限合并等合并規(guī)則對過分割的小圖像進(jìn)行合并處理，產(chǎn)生1000~2000個候選目標(biāo)圖像；用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對每個候選目標(biāo)圖像進(jìn)行深度特征提取，再將每個候選目標(biāo)圖像提取的深度特征送入各目標(biāo)分類器中進(jìn)行目標(biāo)識別，得到多個目標(biāo)圖像。

控制信號輸出模塊，以前方圖像的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立二維直角坐標(biāo)系，如果跟蹤目標(biāo)在原點(diǎn)的左側(cè)則輸出向左的方向控制信號給被控對象，如果跟蹤目標(biāo)在原點(diǎn)的右側(cè)則輸出向右的方向控制信號給被控對象，如果跟蹤目標(biāo)在原點(diǎn)的正前方則輸出直行方向控制信號給被控對象。

以被控對象為智能小車為例，將基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備嵌入到智能小車中：首先安裝攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊，校準(zhǔn)光軸位置，使得攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的鏡頭光軸與智能小車的中心軸方向一致，在智能小車的中心處安裝FPGA開發(fā)板以及LCD顯示屏模塊，將攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸端口與FPGA開發(fā)板的IO端口相連，將控制信號輸出端口連接到智能小車的電機(jī)驅(qū)動上，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將智能小車的電源連接到基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備的電源端口。打開基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備的電源開關(guān)，在LCD顯示屏模塊中選擇跟蹤的目標(biāo)，按下確定鍵，然后打開智能小車啟動開關(guān)，智能小車自動跟蹤目標(biāo)。

以被控對象為飛行器為例，將基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備嵌入到飛行器中：首先安裝攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊，校準(zhǔn)光軸位置，使得攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的鏡頭光軸與飛行器的中心軸成45度角，方向向下，保證對地有一定的視角寬度，在飛行器的中心處安裝FPGA開發(fā)板以及LCD顯示屏模塊，將攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸端口與FPGA開發(fā)板的IO端口相連，將控制信號輸出端口連接到飛行器的電機(jī)驅(qū)動上，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將飛行器的電源連接到基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備的電源端口。使用流程：打開基于FPGA的目標(biāo)跟蹤設(shè)備的電源開關(guān)，在LCD顯示屏模塊中選擇跟蹤的目標(biāo)，按下確定鍵，然后打開飛行器啟動開關(guān)，飛行器自動跟蹤地面目標(biāo)。

以上通過特定的具體實(shí)例說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容了解本說明中未詳盡闡述的優(yōu)點(diǎn)和功效。本實(shí)用新型還可以通過另外不同的具體實(shí)例加以實(shí)施或者運(yùn)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員可在不違背本實(shí)用新型精神的情況下靈活運(yùn)用。