摘要：本文介绍了一种采用数字信号处理器TMS320C25为核心器件构成的视频测量跟踪板。

关键词：电视跟踪 匹配跟踪 图像处理

视频测量跟踪是光电测量跟踪系统中的一个重要组成部分，该部分的性能的好坏，对于光电测量跟踪系统的总体性能，有着较大的影响。例如视频测量跟踪的跟踪波门的稳定性，可以直接影响到光电测量跟踪系统的跟踪稳定性；视频测量跟踪的对弱小目标信号提取的灵敏度，可以影响到光电测量跟踪系统的作用距离。因此，提高视频测量跟踪的性能，是提升光电测量跟踪系统总体性能的一个必不可少的环节。

在几年前，笔者曾以TI公司的数字信号处理器TMS320C25为核心器件，并采用现场可编程器件EPLD，研制成功了一种体积小重量轻元器件少可靠性较高实用性较好成本低的视频测量跟踪器。该视频测量跟踪器主要硬件也就是一张电路板（该板的大小尺寸为 3 0 0 m m× 1 7 0 m m）。本文简称视频测量跟踪板。下面，笔者对该视频测量跟踪板作些介绍。

　　该视频测量跟踪板的硬件构成如图１所示。

　　视频信号经 A / D 转换为图象数字量， 数字图象数据在波门的范围内依照地址产生器的地址按照一定的顺序存入双端口存储器 R A M 。

数字信号处理器T M S 3 2 0 C 2 5　执行程序存储器的程序，对双端口 R A M　中的数字图象数据进行处理，这种处理包括目标与背景的分割、随机孤立噪声信号的剔除、目标的形心计算及跟踪、图像的匹配计算及跟踪等。数字信号处理器还完成操控状态的循环检测、各种字符图形生成、与主机进行数据通讯等工作。

接口部分的电路用双端口存储器构成，其作用是实现与主机的数据中转传输包括测偏数据控制数据等数据的中转传输。

波门电路的作用是根据波门数据形成空心波门和实心波门。空心波门送至视频复合电路供显示用；实心波门分为场实心波门和行实心波门，可用作选通或形成图像数据的存储地址。

视频复合电路的作用是将空心波门、电十字线、字符图形与视频信号复合起来，供监视器显示。

操控键有上下左右操控按键和形心/匹配跟踪的选择按键。

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图1 视频测量跟踪板硬件构成

1.工作总流程

系统开机复位后，首先进行一些必要的初始化，然后送一固定波门数据，形成一固定波门。数字信号处理器对波门范围内的图象数据进行处理计算，建立起分割目标和背景的阈值。然后根据建立起的阈值对波门内的图像数据进行目标和背景的分割。若在波门内没有分割出目标，则按照程序设定的搜索顺序，使波门跳移到新的位置，并在新的波门内生成新的阈值，再进行新一轮的目标与背景的分割。若在波门内的图象数据中分割出了目标，则判断是进行形心跟踪还是匹配跟踪。若是形心跟踪则根据得到的目标像元的位置数据计算得到目标相对于视场中心的形心测偏数据，根据这一数据得到下一场波门的位置数据。若是进行匹配跟踪，则将波门内的图像与模板图像依序进行匹配，找到最佳匹配点，这个最佳匹配点对应的位置也就是波门内的目标图像相对于视场中心的测偏数据，根据这一数据得到下一场波门应处的位置数据。初始图像模板的建立有自动方式和手动方式两种方式。自动方式是在自动搜索的过程中，将最初搜索到非平板图像作为模板图像，手动方式是以手动方式移动波门框住的图像为模板。总的工作总流程参见图2所示。

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图2 工作流程简图

2. 形心跟踪

数字信号处理器T M S 3 2 0 C 2 5　 对波门内的数字图像处理得到分割背景和目标的阈值，根据该阈值再从波门内的数字图像中分割出目标象元。然后根据分割出的目标象元，计算目标的形心。

分割背景和目标的阈值的每行的基值可以通过计算波门内各行象素的平均值得到，即：

(略)

式中的f（i,j）为象素的幅值数据，N 表示象素的总数，T 表示阈值的基值。

黑或白目标的分割可根据下式：

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上式中的Δ为偏移值。

B _i,j= 1则表示波门内第i 行第j 列的象素为白目标象素，B _i,j= 0 则表示波门内第j 列第i 行的象素为背景。

H _i，j = 1 则表示波门第i 行第j 列的象素为黑目标象素，H _i,j= 0 则表示波门内第i行第j列的象素为背景象素。

目标在视场中的形心数据可用下式计算：

上式中的N _j ，表示波门内第 j 列的目标象素的累计数，N _i 表示波门内第 i 行的目标象素的累计数，X _{B M H} 表示波门的行前沿位置数据，X _{B M V} 表示波门的场前沿位置数据。X _{Z ，}Y _Z 表示目标的形心数。

3．匹配跟踪

在匹配跟踪的过程中， D S P 则将新一场的波门内的图象与原始模板图象进行逐点进行比对， 计算出新一场的波门内图象与原始模板图象的最佳匹配位置数据，然后根据最佳匹配位置数据，形成下一场的跟踪波门数据和测偏数据。

匹配处理的图像虽然仅是波门中的一部分图像，但是如果按部就班地进行匹配处理，所需要进行处理的图像数据量仍然很大，花费的时间仍然会不少，通常至少要用去两场以上的时间才能完成一个回合的图像匹配处理，这样就会使得匹配跟踪的速度较慢。可以说匹配跟踪的速度问题，对于采用一般的数字信号处理器如TMS320C25的视频测量跟踪板来说是一个较大的难点。为了解决这一问题，笔者采取了一种“粗判向”的技术。所谓“粗判向”即是预先根据抽取出的某些图像特征数据，粗略判断最佳匹配点相对于波门中心的大致方向，然后根据判得的方向，进行有选择的匹配计算，这样即可减少一些计算量，节省一些时间，提高匹配跟踪速度。该跟踪板现在实现的匹配跟踪的处理计算，可在当场即20毫秒的时间内完成。

在实际跟踪过程中，波门内的目标图象会出现形状大小等各种变化，若不及时更新图象模板，则会使跟踪波门的抖动较大，甚至造成目标的丢失。因此在波门内的目标图象变化的过程中，需要自动适时对模板进行更新。

模板图象的更新周期，不是固定不变的。模板图象在什么时候更新，取决于波门内的目标图像变化量。当波门内的目标图像变化量大于设定的某一阈值时，才进行模板图象的更新。

4．波门引导方式

该视频测量跟踪板的波门引导方式分为手控引导、主机引导、程控引导三种引导方式。手控引导是通过按动上下左右操控键将波门移到所需的位置；主机引导是根据主机发过来的波门引导数据，使波门跳到对应的位置；程控引导是在没有手控引导和主机引导的操作并且波门内没有目标时，波门按照程序规定的顺序路径自动移动位置，搜索目标。

5．串口字符生成方法

该视频测量跟踪板直接通过数字信号处理器TMS320C25的串口生成字符脉冲。该视频测量跟踪板数字信号处理器TMS320C25的生成字符的串口时钟频率为5MHz。由于这种5MHz的时钟与视频行同步脉冲保持着一定的锁相或同步，因此，与原始视频复合显示的字符没有明显的锯齿状或扭曲状。由于该板没有附加专门的字符生成电路，而是充分利用了TMS320C25的串口，而且常用的字符库也存储在程序存储器EPROM内，这样就使字符生成电路部分非常简洁。

1.具有手控引导、主机引导、程控引导三种引导波门搜索目标及捕获目标功能。

2.具有字符、数据显示功能，即可在波门内或波门右侧显示各种字符、 数据等。

3.具有形心跟踪匹配跟踪的功能。

4.处理图像的分辨率为256×256象元。最高测量精度±1个象元。

5.测量跟踪的目标与背景的最低对比度：5%。

6.稳定测量跟踪小目标的最小压行数：1?行。

7.匹配测量跟踪目标的数据处理时间小于 2 0 m s 。

笔者研制的这种视频测量跟踪板，在功能上相对于过去研制的跟踪板，多了一个匹配跟踪的功能，这种匹配跟踪功能具有较好的跟踪适应性。采用这种匹配跟踪可以锁定跟踪过去采用边沿跟踪或者形心跟踪无法跟上或跟好的目标图像。另外，工作在这种匹配跟踪状态下时，还可具有较强的抗噪声干扰的跟踪性能。当现场的某种随机干扰的噪声幅度高于目标信号时，也可以保持一定时间内的跟踪。

笔者研制的这种视频测量跟踪板所采用的数字信号处理芯片并不是比较高档的器件(其硬件成本较低)，但是由于笔者采用了某些有效实用的提高性能的技术，因此，该视频测量跟踪板具有较高的性能价格比，该板具有可得以更多的应用的潜力。

老刘撰文于2000年4月