摘 要：
　　通過借鑒嵌入式系統(tǒng)在電子技術(shù)、信號(hào)處理以及計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，在分析目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于嵌入式PIC32單片機(jī)的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)的小型化，智能化，并以具體飛行目標(biāo)為例進(jìn)行了目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤。
　　研究目的
　　隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)軍用和民用設(shè)備需求的不斷擴(kuò)大及要求的不斷提高，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤技術(shù)已經(jīng)迅速發(fā)展成為現(xiàn)代信息處理領(lǐng)域中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，也是無人機(jī)野外戰(zhàn)場(chǎng)偵察技術(shù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并在許多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著不可替代的作用。目前，基于PC 機(jī)的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤技術(shù)已趨于成熟，但其在嵌入式平臺(tái)的應(yīng)用研究還處于初級(jí)階段。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小巧，便于攜帶等一系列PC 機(jī)無法替代的優(yōu)點(diǎn)，因此如何對(duì)飛行目標(biāo)進(jìn)行有效檢測(cè)和跟蹤并且在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)是目前急需解決的課題。針對(duì)以上問題本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有體積小、實(shí)時(shí)性好并且可對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行有效實(shí)時(shí)跟蹤的特點(diǎn)。也為開展實(shí)時(shí)化微型化的嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)的研究進(jìn)行了有益的嘗試。
　　系統(tǒng)總體方案
　　本課題研究的是無人機(jī)在復(fù)雜背景環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤的嵌入式實(shí)現(xiàn)問題，目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)是利用一個(gè)可移動(dòng)的圖像處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)圖像中運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)和跟蹤，解決了軍用和工業(yè)等方面發(fā)展對(duì)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的小型化要求。
　　1.主要研究以下方面的內(nèi)容：
　?。?）嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
蹤系統(tǒng)的解決方案可以滿足設(shè)備功能的要求。
　　針對(duì)小型化的實(shí)際需求，本系統(tǒng)采用USB攝像頭作為采集目標(biāo)圖像的設(shè)備，采用PIC32內(nèi)核開發(fā)板作為中央控制器，以及云臺(tái)、云臺(tái)控制器等外圍設(shè)備，形成完整的視覺反饋跟蹤系統(tǒng)。
　　（2）嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　針對(duì)被跟蹤目標(biāo)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)識(shí)別與跟蹤算法，利用嵌入式系統(tǒng)軟件MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境具體開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收，特征識(shí)別和反饋控制等軟件模塊，采用MPLAB C32 C編譯器將目標(biāo)跟蹤的算法編譯實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤。
　?。?）仿真實(shí)驗(yàn)，調(diào)試
　　在設(shè)計(jì)好的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，直到測(cè)試跟蹤的效果達(dá)到預(yù)期的要求。
　　2 研究方案
　　根據(jù)以上研究?jī)?nèi)容，將目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤方案的嵌入式實(shí)現(xiàn)分成硬件和軟件兩部分。
　　嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的硬件方案：
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
　　
　　圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
　　系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在PIC32嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上移植并配置MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境，針對(duì)平臺(tái)和應(yīng)用的特點(diǎn)，制作合適的文件系統(tǒng)，編寫應(yīng)用程序。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)經(jīng)USB攝像頭實(shí)時(shí)采集后，送入PIC32處理器，利用嵌入式處理器的強(qiáng)大運(yùn)算能力，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，完成目標(biāo)識(shí)別與定位，并控制云臺(tái)控制器，調(diào)整攝像頭位姿，使攝像頭對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。實(shí)時(shí)性好和體積小巧是本嵌入式跟蹤系統(tǒng)追求的目標(biāo)。
　　嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的軟件方案：
　?。?）MPLAB C32 C編譯器
　　C 代碼應(yīng)用程序：32 位語(yǔ)言工具庫(kù)位于MPLAB C32 C 編譯器安裝目錄的pIC32mx\lib 子目錄中，默認(rèn)情況下存放在：C：\Program Files\Microchip\MPLAB C32\pic32mx\lib可以通過MPLAB C32 鏈接器將這些庫(kù)直接鏈接到應(yīng)用程序中。
　?。?）啟動(dòng)代碼
　　為初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的變量，鏈接器創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)初始化映像。這個(gè)映像必須在啟動(dòng)時(shí)、在應(yīng)用程序正確獲取控制權(quán)之前復(fù)制到RAM 中。crt0.o 中的啟動(dòng)代碼執(zhí)行運(yùn)行時(shí)環(huán)境的初始化。
　?。?）32 位外設(shè)函數(shù)庫(kù)
　　32 位軟件和硬件外設(shè)函數(shù)庫(kù)為設(shè)置和控制32 位外設(shè)提供了函數(shù)和宏。 這些庫(kù)是特定于處理器的，形式為libmchp_peripheral_Device.a，其中Device 為32 位器件型號(hào)。
　　（4）標(biāo)準(zhǔn)C 函數(shù)庫(kù)（包含數(shù)學(xué)函數(shù)）
　　提供了一套完整的符合ANSI-89 的庫(kù)。 標(biāo)準(zhǔn)的C 語(yǔ)言庫(kù)文件是libc.a （由MIPS Technologies 編寫）、libe.a 和libm.a。一個(gè)典型的C 應(yīng)用程序必須包含全部這三個(gè)庫(kù)，這三個(gè)庫(kù)在默認(rèn)情況下就被鏈接進(jìn)來，無需用戶指定。
　　1.MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境
　　MPLAB 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 是一個(gè)采用Microchip 的PICmicro 和 dsPIC開發(fā)嵌入式應(yīng)用的免費(fèi)集成工具箱。MPLAB IDE在32-bit 的MS Windows下運(yùn)行，是一個(gè)簡(jiǎn)單易用的開發(fā)環(huán)境，并且包含很多可進(jìn)行快速應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試的免費(fèi)軟件。MPLAB IDE同樣也充當(dāng)一個(gè)附加的Microchip和第三方軟件和硬件工具的圖形用戶界面。
　　2.實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤算法的應(yīng)用程序
　　應(yīng)用程序是針對(duì)需求編寫的僅適用于本系統(tǒng)的專用程序。本系統(tǒng)應(yīng)用程序流程如圖2所示。初始化后打開設(shè)備文件（攝像頭等），查詢和確認(rèn)設(shè)備性能，設(shè)置捕獲的圖像的寬和高，設(shè)置色深，建立內(nèi)存映射，讀取圖像數(shù)據(jù)，對(duì)圖像進(jìn)行處理，關(guān)閉設(shè)備。圖像采集有兩種方式：內(nèi)存映射（mmap）和直接讀取設(shè)備（read）。前者將設(shè)備文件映射到內(nèi)存，繞過I/O訪問，使得讀取速度更快，但是占用更多系統(tǒng)資源。考慮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，因此采用內(nèi)存映射方式。