基于ZYNQ的机载地面目标跟踪器设计

发布时间：2020-08-23 07:59

【摘要】：机载地面目标跟踪因其不受信号传输干扰,不依赖地面人员控制的特点,在视频航拍、户外救援、交通疏导、军事侦查等领域有着广泛的应用。机载地面目标跟踪任务具有目标尺寸小、场景复杂、目标距离及尺度改变等特点,对跟踪算法的鲁棒性提出了更高的要求。然而鲁棒性效果好的目标跟踪算法若要在功耗、负载能力受限的机载处理平台上实现实时跟踪,需要机载计算平台具备强大的计算能力。本课题为解决机载地面目标跟踪任务中跟踪鲁棒性及实时性的矛盾,选择计算复杂度较小的核化相关滤波(Kernelized Correlation Filter,KCF)跟踪算法并进行了改进,提升其跟踪鲁棒性。基于ZYNQ UltraScale+多核异构片上系统(Multiprocessor System-on-Chip,MPSoC)设计了机载地面目标跟踪计算平台,在兼顾跟踪鲁棒性的情况下实现了良好的实时跟踪效果。首先,本文在对当前主流跟踪算法进行比较和分析后,以满足跟踪精度及跟踪成功率为前提,从提升跟踪速度的角度出发,设计了基于KCF的目标跟踪算法,针对KCF方法无法自适应尺度变化的问题,设计尺度自适应策略,给出了提升尺度自适应跟踪能力的改进KCF方法。其次,基于ZYNQ UltraScale+MPSoC设计了机载地面目标跟踪计算平台。基于高层次综合技术,针对跟踪器的实时性要求,对改进KCF跟踪算法的计算过程进行并行性优化,以提高跟踪器的运行速度。将并行优化后跟踪算法导出为IP核(Intellectual Property core),并以此为基础设计片上系统并开发相应的嵌入式应用程序及人机交互界面。最终搭建了功能完备的机载地面目标跟踪器系统,实现从视频流接入到跟踪结果输出的完整跟踪过程。最后,设计详尽的测试实验,基于ZCU102评估板使用UAV123数据集对跟踪器的跟踪精度、跟踪成功率、不同分辨率下的跟踪效果及片上系统功耗等多方面性能进行了全面测试。测试结果表明,本课题设计的机载地面目标跟踪器能够实现对地面目标的实时、准确跟踪,同时够很好的适应跟踪目标的尺度变化,跟踪的器各项性能均满足设计指标要求。本课题设计了鲁棒性强、实时性好、处理速度快的机载地面目标跟踪器,具有明确的实用价值。同时,对图像处理的其他任务需求同样具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V247;TP391.41
【图文】：

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图 3-7 模块的性能分析视图时间轴显示从输入到输出的长时间漂移，如红色箭头所示，由于画面有限只截取了时间轴起始部分截图，而这种漂移一直持续直到了循环边界。这种现象的产生通常由于 I/O 或者 RAM 的带宽产生了限制所致，因此更进一步观察资源占用情况发现 mapArray 数组的带宽产生了严重的限制。图 3-8 模块的资源分析视图mapArray[i][j][k]为一个三维数组，用于存储梯梯度直方图计算结果，其中i，j 分别表示单元的行和列，k 为梯度方向。由于在计算每个梯度单元时将同时计

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图 3-7 模块的性能分析视图时间轴显示从输入到输出的长时间漂移，如红色箭头所示，由于画面有限只截取了时间轴起始部分截图，而这种漂移一直持续直到了循环边界。这种现象的产生通常由于 I/O 或者 RAM 的带宽产生了限制所致，因此更进一步观察资源占用情况发现 mapArray 数组的带宽产生了严重的限制。

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文mapArray 数组的大规模读写。默认情况下数组在映射后仅被综合为一个双端口的 RAM 存储器，由于无法及时得到数据，导致并行性无法被充分发挥，由此产生了大规模的延迟。为解决这一问题，添加 ARRAY_PARTITION 指令，对数组进行分割优化。由于梯度直方图的计算过程以单元为循环单位，每个单元同时计算有符号和无符号两组特征，因此有针对性的将 mapArray 的方向维度进行展开，在消除数据瓶颈的情况下避免盲目对数组进行完全的展开，造成对逻辑资源的浪费。从优化后的资源占用情况看，数据瓶颈被很好的克服，产生了大吞吐率的数据通路。

【参考文献】