Implemantação do algoritmo de subtração de fundo para detecção de objetos em movimento, usando sistemas reconfiguráveis

Abstract

Atualmente, o mercado e a comunidade acadêmica têm requerido aplicações baseadas no processamento de imagens e vídeo com varias restrições de tempo real. Por outro lado, a detecção de objetos em movimento é uma etapa muito importante em aplicações de robótica móvel e segurança. Com o fim de encontrar um desenho alternativo que permita o rápido desenvolvimento de sistemas de detecção de movimento em tempo real, este trabalho propõe uma arquitetura hardware para a detecção de objetos em movimento baseada no algoritmo de subtração do fundo, sendo implementado em FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Para alcançar isto, foram executados os seguintes passos: (a) a imagem de fundo (em níveis de cinza) é armazenada em uma memoria SRAM externa, (b) é aplicada uma etapa de filtragem passa-baixa nas imagens de fundo e no quadro atual, (c) é realizada a operação de subtração entre as duas imagens, e (d) é aplicado um filtro morfológico sobre a imagem resultante. Posteriormente é calculado o centro de gravidade do objeto para ser enviado para um computador (via interface RS-232 desenvolvida no processador embarcado Nios II da Altera Corp.). Adicionalmente, o sistema foi implementado sobre um robô móvel para a calibração e validação de um sensor de distâncias baseado em um sistema de visão omnidirecional. Tanto os resultados práticos da detecção de movimento como os resultados de síntese têm demostrado a viabilidade dos FPGAs na implementação dos algoritmos propostos sobre uma plataforma de hardware. O sistema implementado fornece um pixel (picture element) processado por cada ciclo de relógio da FPGA depois de um período de latência, sendo 32 vezes mais rápido do que o mesmo algoritmo implementado em software (isto foi testado utilizando o sistema operacional de tempo real xPC Target da MathWorks). _________________________________________________________________________ ABSTRACT

Currently, both the market and the academic communities have required applications based on image and video processing with several real-time constraints. On the other hand, detection of moving objects is a very important stage in mobile robotics and surveillance applications. In order to achieve an alternative design that allows the rapid development of real time motion detection systems this work proposes a hardware architecture for motion detection based on the background subtraction algorithm, which is implemented on FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). For achieving this, the following steps are executed: (a) a background image (in gray-level format) is stored in an external SRAM memory, (b) a low-pass filter is applied to both the stored and current images, (c) a subtraction operation between both images is obtained, and (d) a morphological filter is applied over the resulting image. Afterward, the gravity center of the object is calculated and sent to a PC (via RS-232 interface developed on Nios II embedded processor from Altera Corp.). Additionally, the system was implemented on a mobile robot for calibration and validation of a distance sensor based on a omnidirectional vision system. Both the practical results of the motion detection system and synthesis results have demonstrated the feasibility of FPGAs for implementing the proposed algorithms on a hardware platform. The implemented system provides one processed pixel per FPGA’s clock cycle (after the latency time) and speed-ups the software implementation (using the real-time xPC Target OS from MathWorks) by a factor of 32.