基于软硬协作决策的目标检测传感系统设计与实现

纪辉进 凃玉珊 刘荷花

摘 要： 针对远距离低信噪比条件下视觉传感目标检测困难的问题，设计并实现一种多传感器下的基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测系统。系统以FPGA控制模块作为核心模块，主要用于传感器图像信息的采集、传递、存储以及控制。利用链路口发送模块对传感器信号进行转换和缓存。将USB设备作为整个系统的基础设备，主要负责整个系统信号数据的传输。通过片内存储器对系统的程序及数据进行保存，有效实现目标检测。软件设计过程中，引入动态时空特性下的软硬协作决策机制，并详细分析，给出目标检测的程序代码，仿真实验结果表明，所提系统具有很高的可靠性和实用性。

关键词： 多传感器； 动态时空特性； 软硬协作； 目标检测

中图分类号： TN98?34； F127 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）08?0100?04

Design and implementation of target detection sensing system based on

soft and hard cooperative decision

JI Huijin1， TU Yushan2， LIU Hehua3

（1. College of Information Technology， Hubei Polytechnic Institute， Xiaogan，432200， China； 2. Xiaogan Branch of SINOPEC， Xiaogan 432200， China；

3. Department of Computer Science， Taiyuan University， Taiyuan 030032， China）

Abstract： Since it is difficult to detect the remote vision sensing targets under the condition of low SNR， a multi?sensor target detection system based on the hard and soft collaborative decision with dynamic time?space characteristic was designed and implemented. The FPGA control module is adopted as the core module of the system， which is mainly used for the sensor image information acquisition， transmission， storage， and control. The delivery module at link port is used for sensor signal conversion and cache. The USB devices serve as the basic ones of the whole system to take charge of signal data transmission of the entire system. The on?chip memory is used to store the program and data of the system to achieve target detection effectively. In the process of software design， the hard and soft collaborative decision?making mechanism under dynamic space?time characteristics was introduced. A detailed analysis and the program code for target detection are o given. The simulation results show that the proposed system has high reliability and practicability.

Keywords： multi?sensor； dynamic space?time characteristic； hard and soft collaboration； target detection

0 引 言

随着科技的逐渐发展，有效实现目标检测在监视系统、交通监管控制、识别和跟踪等领域具有重要意义[1?3]。而传感器节点在其微小的体积中可集成数据采集、数据处理以及无线通信等多种功能，可避免由于受到外界环境的干扰，导致目标检测结果不准确[4?7]，成为相关学者研究的重点课题，受到越来越广泛的关注[8?10]。本文主要研究多传感器基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测系统，为有效实现目标检测提供可靠的依据。

1 系统总体的逻辑结构设计

本系统整体包括FPGA控制模块、链路口发送模块、USB设备、片内存储器以及多传感器基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测模块，系统结构如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 核心主控模块的设计与实现

控制模块是本文系统的核心模块，主要用于传感器图像信息的采集、传递、存储以及控制。主要由传感器信号、双端口RAM、数据转换器、读地址发生器、地址计数器、控制信号发生器以及显示驱动组成，具体硬件结构如图2所示。

为了减少成本，采用EP1C6Q240C6，其属于Altera公司生产的Cyclone系列FPGA，1.5 V内核电压供电，内有92 117 b存储区间，能够给出两个锁相环和双倍数据传输速率的接口电路。其以240个引脚的FPQF封装形式为170个用户I/O引脚以及5 870个逻辑单元提供服务。最高能够支持高达200 MHz的数据传输，同时支持压缩配置码流。

2.2 链路口发送模块的设计

链路口发送模块主要负责对传感器信号进行转换和缓存，具体硬件结构如图3所示。

在FPGA传输数据的过程中，控制模块将传感器信号发送至链路口，同时开启数据转换模块以及FIFO数据缓存模块。数据转换模块将从链路口发送过来的4位宽数据变成32位宽数据，同时缓存在FIFO中。每次传输的数据量固定不变，主要取决于FIFO的深度。对于32 b×4 185的FIFO而言，每次FPGA接收完4 185个数据后，即对接收模块进行“清零”处理，再重新进行下一批数据的接收。

2.3 接口设备的设计

USB设备是整个系统的基础接口设备，主要负责整个系统信号数据的传输。具体硬件结构如图4所示。

采用Cypress公司生产的EZ?USB FX2作为USB设备的芯片，其为世界上第一款集成USB 2.0的微处理器芯片，硬件资源充分。不仅如此，EZ?USB芯片应用广泛，开发也比较容易。

考虑到本文硬件系统设计指标，选择控制传输模式作为芯片的工作方式。

2.4 片内存储器的设计

片内存储器主要负责对系统的程序及数据进行保存。具体硬件结构如图5所示。

片内存储器采用二级高速缓存结构，系统的程序以及数据均具有独立的高速缓存。二级存储器被称作L2，其为一个统一的程序/数据空间，能够实现共享。由于片内数据存储器没有总线竞争以及访问速度不匹配问题，因此DSP对片内存储器的访问速度较高。为了充分利用片内存储器，将其设置成All SRAM 模式，从而增强访问效率，缓解DSP数据传输瓶颈。

3 系统软件的设计

3.1 基于动态时空特性的理论模型

本文通过动态时空特性方法对目标进行检测，首先将亮度值相减的结果和阈值进行比较，从而实现目标区域的检测，检测规则为：

[R（x，y）=0， In（x，y）-Bn（x，y）

式中：[In（x，y）]，[Bn（x，y）]分别用于描述当前帧以及背景帧在点[（x，y）]处的亮度值；[T]用于描述阈值，最后可获取仅含有目标的图像。[T]值主要取决于外界环境。背景、光线的改变以及阈值的确定将导致检测结果中某些属于背景区域的像素点成为检测目标。一般情况下，上述区域较小同时分布不连续，可通过3×3矩阵算子完成结果图像[R（x，y）]的形态学处理，实现误检目标区域的补偿。通过求出所有目标区域的面积，删除面积低于规定值的区域，获取仅含有检测目标的区域。

3.2 程序代码的实现

设计主体部分由硬件实现，软件部分的工作主要为硬件初始化和目标检测。主程序流程图如图6所示。

图6 系统软件设计流程图

设计的多传感器基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测系统的软件，在Windows 2000环境下，通过 Visual C++ 6.0 实现，具体的软件程序设计流程如下：

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4 仿真实验结果

为了验证本文多传感器基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测系统的有效性，需要进行相关的实验分析。实验相关参数如表1所示。

表1 相关参数

本文分别采用多传感器基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测系统和传统系统对某地某时刻出现的人进行检测，获取的结果如图7，图8所示。

分析图7，图8可以看出，与传统系统相比，采用本文系统得到的检测结果更加准确，验证了本文系统的可靠性。为了进一步验证本文系统的有效性，对本文系统和传统系统的虚警概率进行统计，得到的结果如图9所示。

分析图9可以看出，本文系统的虚警概率远远低于传统系统，同时本文系统得到的曲线较传统系统更加稳定，说明本文系统具有很高的实用性。

5 结 论

本文设计并实现一种多传感器基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测系统。系统将FPGA控制模块作为核心模块，主要用于传感器图像信息的采集、传递、存储以及控制，利用链路口发送模块对传感器信号进行转换和缓存，将USB设备作为整个系统的基础设备，主要负责整个系统信号数据的传输，通过片内存储器对系统的程序及数据进行保存，有效实现目标检测。软件设计过程中，对多传感器基于动态时空特性软硬协作决策的目标检测系统进行了详细分析，并给出目标检测的程序代码，仿真实验结果表明，所提系统具有很高的可靠性和实用性。

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