用于海洋搜救的多片DSP圖像處理識(shí)別系統(tǒng)

　　引言

　　海上搜救服務(wù)是國(guó)家應(yīng)急救援體系的重要組成部分，也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。采用先進(jìn)的搜索系統(tǒng)是提高搜救行動(dòng)有效性的重要手段之一。通常情況下搜索系統(tǒng)采用雷達(dá)或者光電成像系統(tǒng)，因?yàn)楣鈭D像傳感器具有很高的分辨率，在能見度理想的情況下，觀測(cè)距離可達(dá)20~40km，但它的缺點(diǎn)就是在較大程度上依賴良好的天氣及日照條件。而紅外圖像傳感器具有穿透煙、霧、霾、雪等能力，可彌補(bǔ)這一不足，因此采用紅外、可見光成像和DSP圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成的光電搜索系統(tǒng)。

　　根據(jù)海洋搜救的性質(zhì)，該系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本能力：

　　·較高的可疑目標(biāo)檢測(cè)能力；

　　·較高的海洋背景抗干擾能力；

　　·具有一定的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤能力。

　　基于以上考慮，本文設(shè)計(jì)了由二片TMS320F2812和八片TMS320C6416T構(gòu)成的圖像處理系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)指標(biāo)要求

　　·可見光視頻輸入：CCIR/EIA或PAL/NTSC視頻信號(hào)

　　·紅外視頻輸入：CCIR/EIA

　　·視頻輸出：VGA或標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出

　　·視頻AD轉(zhuǎn)換精度：12bit

　　·視頻顯示DA轉(zhuǎn)換精度：10bit

　　·圖像處理幀速率：大于30Hz

　　·可檢測(cè)“目標(biāo)”的最小象素?cái)?shù)：3×3

　　系統(tǒng)方案

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)視頻采集，通過XINTF接口與多片6416-HPI接口連接，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸。各6416采取流水工作模式，通過EMIFB接口輸出處理后的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過顯示電路，由監(jiān)視器顯示輸出圖像。

　　系統(tǒng)采用可拓展結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際需要確定6416圖像處理單元數(shù)目。通常采用四個(gè)或八個(gè)6416圖像處理單元。

　　系統(tǒng)軟件對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和邊緣檢測(cè)，檢測(cè)可疑目標(biāo)并進(jìn)行識(shí)別。

　　單視頻輸入時(shí)，可選擇四個(gè)或八個(gè)6416圖像處理單元構(gòu)成圖像處理機(jī) 。

　　雙視頻輸入工作時(shí)序圖如圖2所示。每個(gè)視頻通道擁有四個(gè)6416圖像處理單元，分別采用流水工作模式，每片6416處理一幅圖像的最大周期為4幀，兩組的處理結(jié)果輸出給圖像顯示模塊處理。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　硬件系統(tǒng)由三部分組成：視頻采集電路、圖像處理電路及顯示電路。硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖3所示。

　　視頻采集電路

　　基于2812-DSP的視頻信號(hào)采集原理框圖如圖4所示，其中包括視頻預(yù)處理模塊和2812 模塊。視頻預(yù)處理模塊包括Y/C分離、電平鉗位、同步分離、幅度調(diào)整處理電路。2812-DSP片上A/D以12.5M的速度采集視頻信號(hào)，達(dá)到了極限采樣速率(采樣間隔時(shí)間為80ns)。

　　Y/C分離、視頻鉗位、同步分離電路原理圖見圖5。

　　TMS320C6416T子模塊

　　此模塊是本系統(tǒng)處理部分的核心模塊。按照通用性強(qiáng)、接口清晰簡(jiǎn)捷、資源引出最大化、兼顧構(gòu)建多6416系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想來(lái)設(shè)計(jì)6416子模塊，如圖6所示。通過EMIFA接口擴(kuò)展了兩片4M×32bit SDRAM, 可一次讀寫64bit數(shù)據(jù)。

　　圖像傳輸接口設(shè)計(jì)

　　圖像數(shù)據(jù)通過2812-DSP-XINTF(16bit)/6416-DSP-HPI(32bit)接口傳輸，采用一片CPLD將2812-DSP兩次輸出結(jié)果拼接成32bit。優(yōu)化2812-DSP-XINTF寄存器可使HPI接口傳輸速率達(dá)到最大。對(duì)XINTF寄存器的具體優(yōu)化值見表1。

　　圖像顯示

　　采用VGA監(jiān)視器顯示圖像處理結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)SVGA接口信號(hào)包括：行同步信號(hào)（VGA_Hs）、場(chǎng)同步信號(hào)（VGA_Vs）以及紅、綠、藍(lán)三路模擬信號(hào)。VGA所需的時(shí)序同步信號(hào)由CPLD產(chǎn)生，所需的模擬信號(hào)由視頻D/A轉(zhuǎn)換器ADV7123實(shí)現(xiàn)。顯示接口電路框圖如圖7所示。

　　由CPLD對(duì)各個(gè)6416圖像處理單元數(shù)據(jù)輸出接口(EMIFB)總線進(jìn)行總線仲裁，實(shí)現(xiàn)各個(gè)6416單元的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)輸出。

　　兩片采用“乒乓存取”工作方式的SRAM組成了圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每片SRAM存放一幀圖像，由CPLD控制。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。分為三個(gè)主要部分：圖像預(yù)處理、可疑目標(biāo)提取及目標(biāo)識(shí)別。

　　圖像預(yù)處理

　　圖像濾波(多模板復(fù)合濾波算法)

　　對(duì)比常用的多種濾波算法，其共同特征是：某種濾波算法只對(duì)部分噪聲有效；在較好地抑制噪聲的同時(shí)，難以保持圖像清晰度。而采用多模板復(fù)合濾波算法，可較好地解決這一問題，為邊緣提取奠定了基礎(chǔ)。

　　邊緣檢測(cè)(改進(jìn)的sobel算子)

　　常用邊緣檢測(cè)算法受海面波紋的影響較為嚴(yán)重。相比之下，sobel算子效果較好，但也存在漏檢邊緣點(diǎn)的情況。本算法在傳統(tǒng)sobel算子兩個(gè)模板的基礎(chǔ)上，增加了六個(gè)模板，用下述八個(gè)模板對(duì)每個(gè)像素分別進(jìn)行運(yùn)算，然后取其中最大值替代該像素的值。

　　這種改進(jìn)的sobel算子使得邊緣檢測(cè)更加準(zhǔn)確，但處理一幀圖像的運(yùn)算量較大。采用改進(jìn)的sobel算子進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)處理后，將圖像二值化。改進(jìn)的sobel算子不但檢測(cè)出了全部可疑目標(biāo)，并且受海浪的影響較小。

　　可疑目標(biāo)提取與跟蹤

　　為減少運(yùn)算數(shù)據(jù)量，采用二次標(biāo)記的方法提取可疑目標(biāo)：

　　·利用貼標(biāo)簽算法進(jìn)行預(yù)標(biāo)記，統(tǒng)計(jì)出物體數(shù)目并記錄其所在位置；

　　·根據(jù)上位機(jī)提供的模板信息，提取可疑目標(biāo)；

　　·進(jìn)行二次標(biāo)記，僅標(biāo)記已提取的可疑目標(biāo)；

　　·對(duì)提取出的可疑目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

　　目標(biāo)識(shí)別與跟蹤

　　當(dāng)提取的可疑目標(biāo)（一般是指象素?cái)?shù)較少的小目標(biāo)）達(dá)到一定的象素?cái)?shù)后，采用Hu不變矩特征對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。

　　對(duì)數(shù)字圖像f(x，y)，p+q階矩(mpq)和中心矩(μpq)定義為

　　其中p和q是非負(fù)的整數(shù)。圖像的（p+q）階歸一化的中心矩定義為：

　　利用二階和三階歸一化的中心矩求出七個(gè)Hu不變矩組：

　　A(x，y)則為位置(x，y)處不變矩的相關(guān)值。取A值最大處對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。

　　由于不變矩描述的是圖像的統(tǒng)計(jì)特性，滿足對(duì)平移、伸縮、旋轉(zhuǎn)等變化的不變性，因而廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別等領(lǐng)域。該算法的不足之處是計(jì)算量大。而僅僅處理局部可疑目標(biāo)區(qū)域圖像數(shù)據(jù)的方法，可以大大減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量。對(duì)識(shí)別后的目標(biāo)加框并跟蹤。

　　結(jié)論

　　·成功實(shí)現(xiàn)了用于海洋搜救的多片DSP圖像處理識(shí)別系統(tǒng)；

　　·成功實(shí)現(xiàn)了2812視頻數(shù)據(jù)采集；

　　·系統(tǒng)硬件的可拓展性增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性；

　　·軟件算法實(shí)際應(yīng)用效果明顯。

　　該系統(tǒng)（PCB板見圖9）還可實(shí)現(xiàn)對(duì)搜救目標(biāo)的被動(dòng)測(cè)距、可見光和長(zhǎng)波紅外圖像的雙波段圖像融合等功能。另外，系統(tǒng)的強(qiáng)大處理能力和存儲(chǔ)空間，使其能在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。