基于Nios Ⅱ软核的运动目标跟踪系统设计

　　近年来，随着现场可编程逻辑阵列(fpga)的发展，采用niosⅱ软核处理器在fpga上设计一种运动目标检测跟踪的片上系统成为可能。事实上，采用niosⅱ处理器的自定义指令，并用硬件实现部分算法，可以大大提高数据的处理速度，较好的实时性。同时，在外围电不变的情况下，通过改变fpga内部的电设计，能使系统功能升级和增强。下面介绍一种基于niosⅱ软核处理器的运动目标检测跟踪系统的设计方法。

　　运动目标检测跟踪系统可根据应用场合定制为不同的功能，而且不同的功能只需要在nios中写入相应的c语言程序即可，不需要再做硬件板，非常方便。下面介绍一种比较通用的运动目标检测跟踪系统。该系统的结构框图如图1所示。

　　本文设计的运动检测跟踪系统主要包括三个模块：图象采集模块、运动目标检测跟踪模块以及数据通信模块。

　　该模块主要包括摄像头和外扩sram。本系统采用的图像传感器是hv7131r，hv7131r是韩国现代公司采用0．3μm工艺生产的cmos传感器，其有效像素大于30万个，功率损耗低于90 mw。hv7131r配置方便，可通过标准的i2c接口设置芯片内部的控制寄存器，控制图像的时间、分辨率、帧率、rgb增益、水平／垂直镜像等。hv7131r输出10位的rgb原始数据，一般采用高8位。

　　该模块采用的fpga选择altera公司stratix系列的ep1s25。该芯片的片上资源比较丰富，有25660个逻辑单元(le)，1944576 bits的ram，10个dsp模块，6个数字锁相环(dpll)，用户可用的i／o最多达到702个。我们在ep1s25中嵌入nios软核，控制连接在外部总线上的sram和flash，用它的以太网模块单元控制以太网接口芯片lan9lc11。

　　其中fpga是主芯片。从图1可以看到，在1片fpga中包含了nios处理器、sram控制器、sdram控制器、flash控制器、uart以及摄像头和外扩sram控制器的用户逻辑模块。这正体现了nios的优势。实际上将很多资源集中在fpga中为设计pcb带来了很大便利，而且系统的更改也变得非常容易，只要重新在fpga中添加不同的模块就可以了。例如在sram中存储嵌入式系统所用的向量表、数据和程序等。而flash则用于在系统掉电的情况下存储程序和数据。

　　根据实际情况选择用以太网或gprs把运动目标检测跟踪后的结果发送到主控制站。在有以太网连接的条件下优先选用以太网连接，可以提供相对较高的传输速率和可靠性，在没有以太网的条件下选用gprs连接进行通信。同时，如果用户需要，也可以直接在lcd上显示。

　　在图像处理和机器视觉领域，运动目标检测跟踪算法的研究比较热门，近年来出现了许多新的算法，但可以归结为以下四大类：光流场分析算法、主动轮廓算法、统计模型算法以及图像差分算法。前三种方法与第四种方法相比，具有精度高，定位准的优点。但算法的复杂性较高，目前难以在硬件平台上实现实时处理，因此，本系统采用了差分算法。我们主要针对背景和摄像机都静止这一特定应用场合，选用了背景消减的运动检测和跟踪算法。这种算法的关键在于背景重建，在此我们应用帧间平均的背景重建方法，为了克服背景消减算法噪声较大的先天不足，我们采用了形态学滤波方法去除噪声。整个算法的实现过程如图2所示。

　　式中：bay,n(x，y)为第n帧估计背景中(x,y)点的像素值，in(x，y)为第n帧原始图象中(x，y)点的像素值。其中，背景是随着n增加逐渐恢复的，所以背景恢复过程并不影响图象处理结果的实时传输。显然，n越大，背景恢复越真实，我们可以控制n的大小来调整处理时间和处理效果之间的平衡。实验证明：n等于64时足可以得到比较好的效果。

　　我们使用nios ⅱ的定制指令，可以将一个复杂的标准指令序列简化为一个用硬件实现的单一指令，从而简化系统软件设计并加快系统运行速度。在运动目标检测跟踪算法中，对运动图像的处理数据运算量大，循环数目多，而nios ⅱ的定制指令个数已增加到256个，可以使用定制指令完成许多循环内的数据处理，从而加速数据处理的速度。定制指令逻辑和nios ⅱ的连接在sopc builder。中完成。nios ⅱ cpu配置向导提供了一个可添加256条定制指令的图形用户界面，在该界面中导入设计文件，设置定制指令名，并分配定制指令所需的cpu时钟周期数目。系统生成时，nios ⅱ ide为每条用户指令产生一个在系统头文件中定义的宏，可以在c或c++应用程序代码中直接调用这个宏。

　　本文的运动目标检测跟踪系统利用32位niosⅱ软核处理器在fpga上来完成设计，大大减小了系统的体积，而且在pc机上开发的程序可移植到niosⅱ处理器上来实现片上系统。从而方便地把用户需要的接口和自定义逻辑加入到系统中去。本文介绍的方法体现了sopc嵌入式系统的灵活性。因此，这种方法能够有效地缩短开发周期，同时能够延长产品的生命周期，还可以不断地在原有产品的基础上进行升级设计.

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