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基于 FPGA 的运动目标检测与躲避系统
目 录
摘 要....................................................................................................................................................1
第一章 绪论........................................................................................................................................3
1.1 研究目的与意义...................................................................................................................3
1.2 国内外研究现状与趋势.......................................................................................................4
1.3 主要研究内容.......................................................................................................................5
1.4 作品难点与创新...................................................................................................................6
1.4.1 难点............................................................................................................................6
1.4.2 创新点........................................................................................................................6
第二章 系统方案论证与设计............................................................................................................7
2.1 系统方案论证.......................................................................................................................7
2.2 系统整体架构.......................................................................................................................8
第三章 硬件系统设计......................................................................................................................10
3.1 硬件开发平台.....................................................................................................................10
3.2 FPGA 开发流程..................................................................................................................12
3.3 OV5640 视频图像数据采集模块......................................................................................15
3.3.1 OV5640 摄像头.......................................................................................................15
3.3.2 视频图像数据采集..................................................................................................18
3.4 DDR3 数据缓存模块.........................................................................................................21
3.4.1 DDR3 存储单元结构及原理..................................................................................21
3.4.2 DDR3 引脚说明......................................................................................................23
3.5 HDMI 显示模块.................................................................................................................28
3.6 丝杆滑台模块.....................................................................................................................31
3.6.1 步进电机..................................................................................................................31
3.6.2 十字滑台..................................................................................................................32
第四章 系统算法分析......................................................................................................................34
4.1 SCCB 协议..........................................................................................................................34
4.2 RGB565 到灰度图像的格式转换......................................................................................37
4.3 DDR3 读写控制..................................................................................................................39
4.3.1 DDR3 的工作原理..................................................................................................39
4.3.2 DDR 的掩码功能....................................................................................................42
4.4 帧间差分算法.....................................................................................................................44
4.5 形态学处理方法分析.........................................................................................................46
4.6 边框设计.............................................................................................................................48
4.7 HDMI 协议.........................................................................................................................49
4.8 躲避运动控制.....................................................................................................................52
4.9 本章小结.............................................................................................................................54
第五章 系统测试与功能实现..........................................................................................................54
第六章 总结......................................................................................................................................56
参考文献...........................................................................................................................................57
1
摘 要
本设计中使用 FPGA 作为计算单元实现视频处理算法与躲避控制系统。基
于 FPGA 具有处理速度快和并行处理能力的优点,FPGA 作为一种现场可编程
门阵列,其内部互联了海量的逻辑门组合,以及一些常用硬核甚至 DSP 模块。
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,在视频图
像处理方向扮演了一个非常重要的角色。
本设计基于 XILINX 公司的 ARTIX-7 系列芯片 xc7a35t 开发板和 OV5640
摄像头、HDMI 显示屏以及十字形的丝杆滑台搭建了一套硬件平台用以动态目
标的检测跟踪与危险躲避。本系统主要由 5 个模块构成:OV5640 视频图像数
据采集模块、DDR3 读写控制模块、图像数据处理模块、HDMI 显示模块、躲
避控制模块。本文采用 Verilog HDL 硬件描述语言进行编程,先完成了对
OV5640 摄像头的驱动,通过采用 SCCB 协议配置 OV5640 摄像头,得到
RGB565 格式的像素信息,然后进行灰度化处理。通过 DDR 的掩码功能在
DDR3 之中缓存两帧图像,再读取缓存数据进行帧差计算。帧差后的图像经过
先腐蚀后膨胀的数学形态学处理之后,进行坐标值检测及 RGB 图像加框处理,
并最终在 HDMI 显示屏上显示跟踪结果,同时根据移动目标的位置模拟控制卫
星的躲避。
根据分析结果对算法进行硬件电路设计,最终以 FPGA 为平台实现了灰度
化、帧差、腐蚀、膨胀、边框检测、加边框等算法,并展示了其使用效果。最
后对其结果进行了实时性分析,证实了在 FPGA 上采用合适的算法搭建系统能
2
实时、准确的检测跟踪动态目标,并且实时地根据移动目标的位置模拟控制卫
星的躲避。
关键字:FPGA;动态目标检测;帧间差分;实时图像处理;卫星躲避
Abstract
In this design, FPGA is used as a computing unit to realize video processing
algorithm and avoidance control system./Based on the advantages of fast processing
speed and parallel processing ability, FPGA, as a field programmable gate array,
interconnects a large number of logic gate combinations, as well as some commonly
used core and even DSP modules./It can detect dynamic targets faster and more
accurately, which is very suitable for real-time image data processing, and plays a
very important role in the direction of video image processing.
This design is based on XILINX company's ARTIX-7 series chip XC7A35T
development board and OV5640 camera, HDMI display and cross - shaped screw
slide platform to build a hardware platform for dynamic target detection, tracking and
danger avoidance./This system is mainly composed of 5 modules: OV5640 video
image data acquisition module, DDR3 read-write control module, image data
processing module, HDMI display module, avoidance control module./In this paper,
Verilog HDL hardware description language is used for programming. First, the
OV5640 camera is driven. By using SCCB protocol to configure the OV5640 camera,
the pixel information in RGB565 format is obtained, and then the grayscale
processing is carried out./Two frames of grayscale image are cached in DDR3 through
the mask function of DDR, and then the cached data are read to calculate the frame
difference.The image after frame difference is processed by the mathematical
morphology of first corrosion and then expansion, then the coordinate value is
detected and the RGB image is framed./Finally, the tracking result is displayed on the
3
HDMI display screen, and the satellite avoidance is simulated according to the
position of the moving target./
According to the analysis results, the hardware circuit design of the algorithm is
carried out. Finally, the algorithms of grayscale, frame difference, corrosion,
expansion, border detection and border addition are realized on the FPGA platform,
and its application effect is shown./Finally, the real-time analysis of the results proves
that the system based on FPGA can detect and track the dynamic target in real time
and accurately, and simulate and control the satellite avoidance according to the
position of the moving target in real time.
Keywords:FPGA;Dynamic target detection;Inter-frame difference;Real-time
image processing;Satellite to avoid
第一章 绪论
1.1 研究目的与意义
在国家军事防御中,动态的目标跟踪及防御躲避具有很强的实用性,军事
防御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。在未来的实际应用中,
动态目标跟踪及防御躲避系统能在军事领域发挥更重要作用,例如,在宇宙中,
卫星能够实时、准确的检测并跟踪动态目标,并且能够实时的控制卫星对移动
目标进行躲避,将有效的避免卫星遭遇破坏,同时对国家军事防御的加固提供
了安全保障。
随着数字电路的飞速发展,FPGA 的出现为数字图像处理在算法和结构上
带来新的解决方法和设计思路,这是因为图像中的所有像素都可以执行相同的
操作,非常适合于采用 FPGA 的并行架构通过硬件实现。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,
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