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基于FPGA的实时视觉跟踪系统的研究

作　者: 王鹏
导　师: 张志杰
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: FPGA 视觉跟踪 硬件实现 卡尔曼滤波 目标检测
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


计算机视觉领域当中，视觉跟踪一直以来占有举足轻重的地位，同时它也是视频监控应用研究领域的核心技术课题。近年来，相关科学技术突飞猛进，视觉跟踪技术也有了长足的发展，并且伴随视频监控技术的发展，实时监控系统对于图像处理的速度有了更高的要求。这种情况下，能够进行并行运算的可编程逻辑器件拥有了无可比拟的性能和优势，越来越多的受到各方的关注和重视。鉴于此，文章采用了FPGA作为所设计的系统的核心处理器，选择的芯片为XC4VSX25，其隶属于Xilinx公司，这款视觉跟踪系统，对比于传统的以ARM为核心的处理平台和以DSP或者PC作为算法运算核心器件的处理平台，设计更加灵活，速度更快，便于升级，方便随时更改设计内容。文章的内容主要由以下几个方面构成：（1）搭建基于FPGA的视觉跟踪系统的硬件平台。从视频数据流的获取开始，一直到最终显示，中间涉及到的各个模块的架构，包括采集、显示、帧存等。完成这些工作才能进行运动物体的检测，进而实现运动物体的跟踪。（2）系统采用的视频解码芯片为TVP5150，它是通过I2C总线来进行配置的。文章利用FPGA的两个管脚并使用Verilog HDL语言编写I2C总线控制器对其初始化，配置完成之后，TVP5150即生成标准的YCbCr4:2:2信号。（3）系统使用的DDR芯片型号为MT46V16M16，FPGA对其操作前首先要设计DDR控制器，才能方便进行读写操作，用于完成背景帧参数的计算和存储。（4）使用硬件描述语言编写运动目标检测算法模块。（5）对二值化灰度图像做卡尔曼滤波，预测下一帧中运动物体的位置和参数。（6）各模块的功能仿真，以及使用Chipscope软件对各数据测试。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 课题背景和意义  10-11
  1.2 研究现状  11-13
  1.3 视觉跟踪系统的硬件选择  13
  1.4 作者工作内容及论文结构安排  13-15
    1.4.1 作者所做的工作  13-14
    1.4.2 论文的内容架构  14-15
第二章 视觉跟踪相关基础理论  15-26
  2.1 视频相关知识  15-20
    2.1.1 视频扫描方式及同步  15-16
    2.1.2 视频信号的格式种类  16-17
    2.1.3 颜色空间的相关知识  17-20
  2.2 数字视频标准 ITU-R BT656  20-23
  2.3 运动检测的相关算法  23-25
    2.3.1 光流法  23-24
    2.3.2 帧差法  24
    2.3.3 背景差分法  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 硬件平台与设计流程  26-33
  3.1 开发平台简介  26-30
    3.1.1 FPGA 简介  26-29
    3.1.2 FPGA 开发平台  29-30
  3.2 FPGA设计流程  30-32
  3.3 本章小结  32-33
第四章 系统设计  33-61
  4.1 系统总体架构  33-34
  4.2 配置视频芯片  34-42
    4.2.1 I2C 总线  34-35
    4.2.2 TVP5150 芯片电路  35
    4.2.3 SAA7121 芯片电路  35-36
    4.2.4 I2C 对 TVP5150 和 SAA7121 的配置  36-39
    4.2.5 ADV7123 芯片电路  39-42
  4.3 YCBCR 向 RGB 色彩空间转换  42-46
    4.3.1 BT656 格式转换为 BT601 格式  43-44
    4.3.2 YCbCr4:2:2 转 YCbCr4:4:435  44
    4.3.3 颜色空间转换模块  44
    4.3.4 行缓存  44-45
    4.3.5 VGA 控制模块  45-46
  4.4 图像预处理  46-47
  4.5 DDR 帧存模块  47-53
    4.5.1 DCM 模块  49
    4.5.2 DDR 控制模块  49-52
    4.5.3 DDR 接口模块  52-53
  4.6 运动目标提取  53-55
  4.7 图像后处理  55-56
  4.8 运动目标的跟踪  56-60
    4.8.1 提取运动物体的特征  56-58
    4.8.2 计算中值点  58
    4.8.3 运动估计  58-60
  4.9 本章小结  60-61
第五章 系统各模块的仿真和测试  61-66
  5.1 I2C 配置模块仿真和 YCBCR 视频信号  61-62
    5.1.1 I2C 模块仿真  61-62
    5.1.2 YCbCr 视频信号  62
  5.2 VGA 控制信号  62-63
  5.3 YUV_TO_RGB 转换模块  63
  5.4 DDR 控制器的仿真测试  63-64
  5.5 运动检测  64-66
第六章 总结和展望  66-68
  6.1 总结  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-72
硕士研究生期间的论文及成果  72-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 逻辑电路
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