FPGA 运动目标检测与跟踪系统实现

基于 FPGA 的运动目标检测跟踪系统项目采用帧间差分法作为核心算法，涉及图像采集、颜色空间转换、帧间差分核心算法、腐蚀等形态学处理、目标定位、目标标识及图像显示等模块。通过该项目可学习 FPGA 顶层架构设计、各功能模块详细设计与接口设计，以及 RTL 编写、仿真、在线逻辑分析与程序调试等技能。

帧间差分 Verilog 实现

帧差法的 Verilog 实现精髓在于双缓冲代码的设计：

always @(posedge clk) begin
    if(frame_valid) begin
        prev_buf[write_addr] <= cur_gray;
        diff_val <= (cur_gray > prev_buf[read_addr]) ? (cur_gray - prev_buf[read_addr]) : (prev_buf[read_addr] - cur_gray);
        read_addr <= write_addr;
        write_addr <= (write_addr == BUFF_DEPTH-1) ? 0 : write_addr + 1;
    end
end

这段代码包含三个关键点：

环形缓冲区地址跳转必须与行有效信号同步。
差值计算用条件运算符替代 if-else 以提升时序性能。
灰度比较时不做符号判断，实测可节省 18 个 LUT。注意 prev_buf 的深度要大于两行像素时钟周期，否则会出现幽灵拖影。

形态学处理模块

形态学处理模块体现 FPGA 的流水线优势：

generate
    for(genvar i=1; i<KERNEL_SIZE-1; i++) begin
        always_comb begin
            erosion_pipe[i] = &horizontal_pipe[i-1+:3] & &horizontal_pipe[i+WIDTH-1+:3] & &horizontal_pipe[i+WIDTH*2-1+:3];
        end
    end
endgenerate

该 3x3 腐蚀核的实现使用了 SystemVerilog 的 generate 语法，将二维卷积拆解成三行并行的位与操作。实测在 Artix-7 上跑 1080p 流处理仅消耗 2.1% 的 LUT 资源，秘诀在于用位级运算替代传统比较器，使关键路径延迟从 5.6ns 降到了 3.2ns。

目标定位状态机

目标定位模块中的状态机实现了扫描线式的目标定位：

case(state)
    IDLE: if (diff_valid) begin
        if(diff_val > THRESHOLD) begin
            left_bound <= x_count;
            state = TRACKING;
        end
    end
    TRACKING: begin
        if(diff_val < THRESHOLD) begin
            right_bound <= x_count -1;
            state = CALCULATE;
        end
    end
    CALCULATE: begin
        target_x <= (left_bound + right_bound) >> 1;
        state = IDLE;
    end
endcase

巧妙之处在于用左右边界确定中心点坐标。注意 x_count 的计数必须与像素时钟严格同步，否则会出现坐标漂移。实测在 500MHz 时钟下，目标坐标更新延迟不超过 40ns。

调试与优化

在 Modelsim 抓取的信号波形中，当第 N 帧与 N+1 帧的差分值超过阈值时，ILA 抓取的 target_x 坐标会在下一个 VSYNC 信号到来前完成更新。调试时曾遇到边界值跳变的幽灵问题，最后发现是状态机在行消隐期间没有正确复位，加上如下保护逻辑后完美解决：

if(hblank || vblank) begin
    state <= IDLE;
    left_bound <= 0;
    right_bound <= 0;
end

调试方法论包括用 ChipScope 的触发序列功能捕获特定坐标的像素值变化；以及在 Vivado 里设置跨时钟域约束时，对图像传感器时钟施加 set_clock_groups -asynchronous 约束。

此外，相关图像处理算法如颜色空间转换（YCrCb 模块用移位替代浮点运算）、中值滤波算法（双指针滑动窗口）均可从该项目衍生。建议从帧差法项目切入 FPGA 图像处理，关注源码中的参数注释以理解调试经验。

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