接上篇
     差分后直接得到的圖像包含噪點，會影響真實目標的 判斷，在本設計中對差分圖像經過了腐蝕和膨脹兩個形態學 處理。腐蝕和膨脹均為3x3大小的檢測窗口，按順序掃描差 分圖像，示意圖如圖6。腐蝕的目的是去除孤立的運動像素 點或塊，在3x3畫面中，檢測到任何一個沒有被標記的像素 點，則全部去掉標記。膨脹是為了增強運動目標的連通性， 與腐蝕相反，檢測到任意一個標記點，則全部標記。
在圖像周邊檢測區域內，設置等間隔的掃描線，只有 運動的物體會被掃描到，并根據掃描線的數量和掃描到的運 動像素點位置，確定目標進入畫面的位置和輪廓大小，同時 給出發現目標的標志信號，啟動下一級粒子濾波算法對已有 目標的跟蹤。

5.2 目標選擇
紅外遙控信號如圖7所示。 按下紅外遙控器按鍵后， 紅外遙控器向DE2-115板上的IR接收器發送紅外遙控信號。 FPGA對IR接收器收到的信號進行解碼處理。默認狀態為空 閑狀態，當IR DATA在空閑狀態，出現230000個低電平，進 入Guidance狀態。Guidance狀態下，出現210000個低電平， 進入數據解碼狀態。當檢測到低電平時，計數清零；檢測到 高電平時開始計數，一旦計數到20000，則將比特位數加1。 高電平數若超過41500，則判斷該比特位是1。反之，比特位 為0。比特位數共32位，高八位是次八位的反碼，用于檢驗

圖7  紅外遙控  

圖8  基于粒子濾波的多目標跟蹤硬件結構設計

數據的正確性。
5.3 基于粒子濾波的多目標跟蹤算法
基于粒子濾波的多目標跟蹤硬件結構設計如圖8所示。 首先，介紹對于單一運動目標通過粒子濾波算法，實現運動 目標跟蹤的流程。
初始化，將計算目標與各粒子的顏色直方圖的RAM清 零。進入自動檢測模塊，一旦檢測到運動物體，將物體的中心位置與目標框的長寬輸入到目標顏色直方圖統計模塊。
將RGB信號轉化為HSV顏色空間中的H分量，以H分量 為目標的特征，統計目標H分量出現的次數，生成目標顏色 直方圖統計模塊。H分量在0-360間變化，將H分量的值作為 RAM地址，每出現一個H分量，將其對應的RAM地址中的內 容讀出，然后加一，再寫入該地址，完成第一幀目標H分量 直方圖統計。第 一 幀 統 計 完 目 標 直 方 圖 后 ， 在 目 標 周 圍 撒 隨 機 粒 子。第二幀統計隨機粒子直方圖，統計完成后，將每個粒子 與目標粒子的對應地址內的數據相乘后開根號再相加，獲得 隨機粒子的權重。找到權重最大的粒子，輸出該粒子的中心 點，作為目標中心點。
設置權重閾值，將每一個粒子的權重與閾值比較，若 小于該閾值，說明該粒子是目標的可能性非常小，下一幀的 隨機粒子預測中刪除該粒子，并將上述的最大權重粒子的中 心位置賦給該隨機粒子，這一過程稱為粒子重采樣。同時， 統計需要重采樣的粒子個數，若需要重采樣的粒子大于所設 置的閾值，則說明目標已丟失，跟蹤框消失，字幕提示Lost 字樣。反之，重采樣粒子小于閾值，系統判定目標仍在畫面 中，將權重最大的粒子中心作為跟蹤框中心，再根據自動 檢測輸出的跟蹤框長寬，畫出跟蹤框，字幕顯示Tracking字 樣。設置的重采樣粒子閾值越大，系統判斷目標丟失的可能 性越大。當目標處于跟蹤狀態時，在目標周圍撒隨機粒子； 當目標處于丟失狀態時，全屏撒隨機粒子，等待目標再次從 畫面中任意位置出現。
根據所設計的粒子濾波模塊導出QXP文件，生成對應 的IP核。在工程中添加QXP文件，通過.v文件將QXP文件中 輸入輸出端與工程中的模塊連接起來，實現IP核的調用。編 譯后生成的網表里，該模塊只顯示輸入輸出管腳，而無具體 的數字時序邏輯電路實現，但其能完成原先設計的數字電路 功能。系統中的其它運動目標可調用設計生成的粒子濾波 模塊，實現基于粒子濾波的多目標跟蹤硬件結構設計。在 FPGA片內資源允許的情況下，可復用多個粒子濾波模塊， 實現任意數量的目標跟蹤。

6  設計特點
6.1  基于邊緣檢測與幀間差分的運動目標檢測
使用邊緣檢測保留物體輪廓，減少圖像原始信息，減 少光照和陰影的干擾，并通過腐蝕和膨脹形態學處理，進一步提高幀間差分對運動目標判斷的準確性。幀間差分法計算
簡單，適合在FPGA上實現。由于本設計中只需要檢測剛進 入畫面的目標，所以幀間差分區域限定在畫面周邊區域，節 約FPGA的片內資源。
6.2  基于粒子濾波的改進目標跟蹤算法
在FPGA上實現粒子濾波算法，增加了粒子直方圖權重 閾值比較與重采樣粒子個數閾值比較。通過閾值比較，可以 判斷目標跟蹤與丟失狀態。當目標正在跟蹤時，只需在目標 周圍產生隨機粒子；當目標丟失時，在全屏范圍內產生隨機 粒子，若目標從屏幕中任意位置再次出現時，可以快速捕捉 到目標所在位置，繼續跟蹤目標。
6.3  目標跟蹤模塊的可復用性
生成基于粒子濾波的目標跟蹤算法的IP核，并對每一 個目標都調用該IP核，實現目標跟蹤模塊的復用。IP核的生 成與調用，不僅體現了目標跟蹤模塊的可復用性，而且體現 了目標數目的可擴展性。只要在FPGA片內資源允許的情況 下，可以增加需要跟蹤的目標的數目。借助FPGA的并行運 算機制，對多個目標同時進行粒子濾波處理，實現多目標跟 蹤。
6.4  友好的人機交互界面
在VGA顯示器上顯示多目標檢測與跟蹤結果，使用不 同顏色的跟蹤框與字幕，區分不同目標。將字幕與各目標當 前的跟蹤狀態同步，實時顯示各目標的跟蹤狀態。

7 總結
友晶科技的DE2-115開發板，提供了視頻輸入輸出接 口，板載的Altera公司Cyclone IV系列FPG A芯片與片外的 SDRAM為視頻處理提供了強大的處理能力和存儲空間，是 非常出色的FPGA多媒體教學與開發平臺。
通過四個月的學習，不僅研究了運動目標檢測與多目 標跟蹤的理論知識，而且將其應用到FPGA。加深了對FPGA 邏輯、時序、實時操作、并行機制等概念的理解，并通過實 踐掌握了狀態機、流水線操作、FPGA IP核使用、設計、調 用與Signal Tap II的使用。
在完成設計的過程中，通過查閱文獻、與組員以及指 導老師積極討論與溝通，解決了許多技術難題，培養了自學 精神、動手能力與團隊合作意識。
最后，再次感謝Altera與友晶科技提供了這次FPGA學
習、展示與交流的機會。