本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种红外运动目标检测及其三维信息叠加的装置和方法。

背景技术：

自20世纪下半叶以来，计算机视觉(computer version，CV)技术逐渐发展壮大，同时，伴随着数字图像相关的软硬件技术在人们生活中的广泛使用，数字图像已经成为当代社会信息来源的重要构成因素。因此，研究人员越来越关注如何通过视觉传感器与计算机技术的协同配合来模拟出人类对三维世界图像的采集、处理和分析。红外运动目标检测作为图像处理和计算机视觉学科的重要分支，近年来也成为理论与应用的研究热点，它的目的就是如何快速、准确地检测出监控视频中的运动目标，为后续跟踪等处理打下基础。其应用也十分广泛，从工业检测到军事应用，从医学图像到安全监视，众多领域均有涉及。

光学一直是科技创新的重头戏，但是其升级往往停留在像素、感光等二维层面，而忽视了物理世界中的第三维信息(尺寸、距离等几何数据)，导致计算机只能实现影像记录和平面图像特征识别，分析算法难度极大。随着三维(Three Dimension，3D)成像技术的成熟，光学逐渐拉开了由二维向三维升级的帷幕，即在二维的基础上，实现像素景深的叠加，拍摄的同时记录下对象的立体信息，使得计算机得到空间三维数据，并能够复原完整的三维世界，实现各种智能的三维定位。与光学升级类似，运动目标检测算法的创新也仅限于二维层面，大都致力于增强图像的信噪比、积累目标能量，以提高目标检测能力，这样往往忽略了目标的第三维信息。

目前，绝大多数运动目标检测类文献都致力于提出新的算法或者如何改进已有算法，而忽略了被测目标的第三维信息(距离、方位等)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种红外运动目标检测及其三维信息叠加的装置和方法，成功检测出运动目标的同时又避免失去其第三维信息，且检测结果全面、装置操作控制简便、灵活。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种红外运动目标检测及其三维信息叠加的装置，包括红外摄像头、VGA显示器、GPS接收机和控制电路；其中，

红外摄像头用于采集含有运动目标的红外图像；

VGA显示器用于显示控制电路输出的图像；

GPS接收机用于实时定位待测目标并采集其方位信息；

控制电路包括视频解码模块、视频D/A转换模块、串口模块和FPGA核心板；视频解码模块用于解码红外摄像头采集的视频信号；视频D/A转换模块用于将数字信号转换成模拟信号并输出给VGA显示器；串口模块用于接收GPS接收机发送的数据，并送往FPGA核心板；FPGA核心板用于解析串口模块发送的数据包，检测运动目标并将其方位信息叠加至检测图像中。

进一步地，所述红外摄像头、VGA显示器、GPS接收机和控制电路一体化设置，工作时，红外摄像头垂直向下拍摄运动目标。

进一步地，所述FPGA核心板包括GPS数据解析模块、运动目标检测模块和方位信息叠加模块；GPS数据解析模块包括NIOS II软核处理器的搭建，与GPS接收机之间通过串口连接，用于实时解析GPS接收机发送的数据包；运动目标检测模块用于实时检测运动目标；方位信息叠加模块用于将目标方位信息叠加至检测图像中并输出，最终由VGA显示器显示。

一种红外运动目标检测及其三维信息叠加的方法，步骤如下：

步骤1，红外摄像头采集可见光图像，并通过视频编码模块将图像信号送往FPGA核心板；

步骤2，FPGA核心板读取数字图像信号并进行运动目标检测；

步骤3，GPS接收机采集运动目标的方位数据，并通过串口送往FPGA核心板；

步骤4，FPGA核心板内部软核处理器NIOS II对GPS数据包进行解析，并将解析后的GPS数据叠加至目标检测结果中得到最终的数字图像信号；

步骤5，将步骤4所得数字图像信号传给视频D/A转换模块，视频D/A转换模块将数字图像信号转换成模拟信号送往VGA显示器。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)在有效检测出红外运动目标的同时直接显示其方位信息，实现了二维检测图像与第三维定位信息的叠加，可以帮助研究人员更加全面地了解目标的运动状态，为后续跟踪、分析处理提供原始信息；(2)在FPGA硬件实现目标检测算法的基础上结合了嵌入式处理器NIOS II，用于解析GPS数据包，可以自主定制处理系统，更加灵活方便；(3)整套装置可以集成于一体，具有结构紧凑、小型化的优点。

附图说明

图1是本发明基于FPGA的红外运动目标检测及其三维信息叠加装置的整体结构示意图。

图2是本发明正常工作时整个装置与待测目标的相对位置关系示意图。

图3是本发明中红外摄像头采集到的含有运动目标的红外图。

图4是本发明中对红外图像进行目标检测后的输出图。

图5是本发明在检测图像中叠加入运动目标的方位信息(经度、纬度)以及装置拍摄时间的结果图。

具体实施方式

一种红外运动目标检测及其三维信息叠加的装置，包括红外摄像头、VGA显示器、GPS接收机和控制电路；其中，

红外摄像头用于采集含有运动目标的红外图像；

VGA显示器用于显示控制电路输出的图像；

GPS接收机用于实时定位待测目标并采集其方位信息；

控制电路包括视频解码模块、视频D/A转换模块、串口模块和FPGA核心板；视频解码模块用于解码红外摄像头采集的视频信号；视频D/A转换模块用于将数字信号转换成模拟信号并输出给VGA显示器；串口模块用于接收GPS接收机发送的数据，并送往FPGA核心板；FPGA核心板用于解析串口模块发送的数据包，检测运动目标并将其方位信息叠加至检测图像中。

进一步地，所述红外摄像头、VGA显示器、GPS接收机和控制电路一体化设置，工作时，红外摄像头垂直向下拍摄运动目标。

进一步地，所述FPGA核心板包括GPS数据解析模块、运动目标检测模块和方位信息叠加模块；GPS数据解析模块包括NIOS II软核处理器的搭建，与GPS接收机之间通过串口连接，用于实时解析GPS接收机发送的数据包；运动目标检测模块用于实时检测运动目标；方位信息叠加模块用于将目标方位信息叠加至检测图像中并输出，最终由VGA显示器显示。

一种红外运动目标检测及其三维信息叠加的方法，步骤如下：

步骤1，红外摄像头采集可见光图像，并通过视频编码模块将图像信号送往FPGA核心板；

步骤2，FPGA核心板读取数字图像信号并进行运动目标检测；

步骤3，GPS接收机采集运动目标的方位数据，并通过串口送往FPGA核心板；

步骤4，FPGA核心板内部软核处理器NIOS II对GPS数据包进行解析，并将解析后的GPS数据叠加至目标检测结果中得到最终的数字图像信号；

步骤5，将步骤4所得数字图像信号传给视频D/A转换模块，视频D/A转换模块将数字图像信号转换成模拟信号送往VGA显示器。

实施例1

结合图1，本发明红外运动目标检测及其三维信息叠加的装置，包括红外摄像头、VGA显示器、GPS接收机和控制电路，其中，控制电路包括视频解码模块、视频D/A转换模块、串口模块和FPGA核心板。装置工作前，将红外摄像头连接至视频解码模块，VGA显示器连接至视频D/A转换模块，GPS接收机与FPGA核心板之间通过串口连接；将计算机上编好的程序通过JTAG2下载口下载至FPGA核心板，给系统供电后即可正常工作。

红外摄像头选用的是以GWIR 02 03X1AD型非制冷红外焦平面为核心的非制冷红外成像系统，由220V正常交流电压供电，用于探测含有运动目标的红外图像。

VGA显示器选用的是深圳优诺科数码科技有限公司生产的BNC/VGA/AV多功能监控显示器，由220V正常交流电压供电，用于显示电路板输出的图像。

GPS接收机选用的是和芯星通公司推出的BDS/GPS双模定位模块UM220-III NL，采用2.7V～3.6V直流电压供电，用于实时定位待测目标并采集其方位信息，输出的数据遵循NMEA-0183协议。

视频解码模块选用的是Techwell公司生产的TW2867视频解码芯片，可输入4路复合视频信号(装置工作时只需一路视频输入)，PAL/NTSC/SECAM自动识别，输出BT656，可多路复用总线，负责将红外摄像头采集到的视频信号进行解码并送入FPGA核心板。

视频D/A转换模块选用了ADI公司生产的ADV7123视频D/A转换芯片，主要用于将FPGA核心板传过来的PAL制格式的数字信号转换成模拟信号并送入VGA显示器进行显示。

串口模块用于接收GPS接收机发送的数据，并送往FPGA核心板。

FPGA核心板选用的是Altera公司生产的Cyclone IV系列的EP4CE30F23C6高性能核心板，并搭载两片DDR2SDRAM，用于缓存图像数据；设计人员在计算机端编写好程序后，通过JTAG下载口将程序下载至核心板。核心板负责对整个系统各个模块的时序驱动进行控制，对视频解码模块送入的数字图像信号进行运动目标检测，并将检测图像数据存储在DDR2SDRAM中，同时解析由串口模块送入的GPS数据包，然后将目标的方位信息叠加至检测图像中，最后制成PAL制格式的数字信号传给视频D/A转换模块。

结合图2，工作时，我们将一体化的装置放置在无人机上，并垂直向下俯拍运动目标。由于是对静止背景下的运动目标进行检测，因而系统工作时，要求无人机与地面保持相对静止，这样，GPS接收机接收到的GPS数据可近似认为是运动目标的方位信息。

结合图3，这是一张由红外摄像头拍摄的红外图像，场景为雨中行人。

结合图4，这是一张目标被成功检测后的输出图像，红外摄像头将拍摄后的图像送往视频解码模块，解码后再送入FPGA核心板，由FPGA核心板进行目标检测。

结合图5，左上角为叠加的目标三维数据，包含拍摄时间、目标所在位置的经纬度；GPS接收机通过串口向FPGA核心板源源不断地发送含有目标方位信息的数据包，数据包由FPGA核心板内部嵌入式处理器NIOS II进行解析，得到目标的方位数据，FPGA核心板将这些数据叠加至检测图像中，完成三维成像。