基于TMS320C6711B DSP的中心定位算法設(shè)計(jì) (1)

　　1.6 輸出電路

　　系統(tǒng)根據(jù)輸入的圖像，由C6711進(jìn)行處理后得出一個(gè)衛(wèi)星姿態(tài)角信息。該姿態(tài)角信息由C6711輸出到PC機(jī)的RS-232口，由于通信的信息量少，所以可以利用C6711的多通道緩沖串口McBSP，在不擴(kuò)展其他硬件的情況下，用軟件實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸格式。發(fā)送時(shí)，發(fā)送轉(zhuǎn)換子程序把每一個(gè)數(shù)據(jù)位擴(kuò)展成16位的UART字，并把這些已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)塊放入發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)在適當(dāng)?shù)牡胤郊由掀鹗嘉缓徒K止位(如圖2所示)，然后EDMA把數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)傳給McBSP，而McBSP幀同步發(fā)生器負(fù)責(zé)連續(xù)地移出這些數(shù)據(jù)[4];接收時(shí)，EDMA從McBSP讀入已經(jīng)擴(kuò)展過的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，然后再調(diào)用壓縮子程序把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成原來的字節(jié)形式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件接口簡(jiǎn)單，只需增加一個(gè)CMOS電平與RS232電平的電平轉(zhuǎn)換電路。

　　2 圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)

　　中心定位圖像處理算法設(shè)計(jì)以輸入圖像格式320×240像素、1024灰度級(jí)/像素為基礎(chǔ)，包括濾波、判斷地平圈是否進(jìn)入視場(chǎng)、邊緣檢測(cè)和精確定中心幾個(gè)部分。

　　2.1 濾波

　　探測(cè)器可能存在小于1%的壞單元，其灰度值主要為0或1023，壞元區(qū)范圍小于3×3。壞元的存在有可能對(duì)邊緣檢測(cè)帶來誤差，再加上采集到的圖像數(shù)據(jù)信噪比較低，所以采用二維中位數(shù)濾波[5]。其做法是：對(duì)于一幀圖像，采用從上到下、從左到右的方法，移動(dòng)3×3的窗口，在每一個(gè)位置，將有9個(gè)圖像像素出現(xiàn)在窗口中，對(duì)這9個(gè)像素灰度值進(jìn)行排序，使用快速排序法找到處于正中的像素值，把這個(gè)值賦給3×3窗口的中心像素。使用這種方法可以有效濾除區(qū)域不大于2×2的突發(fā)性干擾，從而提高算法精度。

　　2.2 判斷地平圈是否進(jìn)入視場(chǎng)

　　當(dāng)衛(wèi)星初始進(jìn)入軌道時(shí)，在地平儀初始狀態(tài)下可能探測(cè)不到地球，這時(shí)需啟動(dòng)搜索程序控制衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)以搜索地球。因此，必須對(duì)所得的地平圈圖像采用逐行掃描的搜索方法以判斷地球是否進(jìn)入視場(chǎng)。

　　2.3 邊緣檢測(cè)

　　邊緣提取首先檢測(cè)圖像局部特性的不連續(xù)性，然后再將這些不連續(xù)的邊緣像素連成完備的邊界。邊緣的特性是沿邊緣走向的像素變化平緩，而垂直于邊緣方向的像素變化劇烈。從這個(gè)意義上說，提取邊緣的算法就是檢測(cè)符合邊緣特性的邊緣像素的數(shù)學(xué)算子。

　　由于地球的輻射存在不均勻性，所以地平高度與采用的地平檢測(cè)方式有關(guān)。其差別在于對(duì)應(yīng)不同的地平檢測(cè)方式，具體的地平高度隨地球輻射變化程度不同。本文采用比例門限法檢測(cè)地平圈。具體算法如下：以粗略地心為起點(diǎn)，以0.5度為間隔取720條射線?？紤]到只需掃描地球輻射過渡帶，所以每條射線的掃描起點(diǎn)距粗略地心為100個(gè)單位，間隔一個(gè)單位進(jìn)行一次采樣。由于該采樣點(diǎn)的坐標(biāo)不是整型，所以利用雙線性內(nèi)插得到采樣點(diǎn)的灰度值，依次判斷采樣點(diǎn)，一邊記錄灰度最大值，一邊判斷該灰度值是否小于最大值的一半。當(dāng)條件成立時(shí)，掃描停止，算出灰度值為最大值的50%所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，即地平點(diǎn)坐標(biāo)。掃完720條射線后，所有的地平點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)地平圈。該算法對(duì)接近過渡帶的點(diǎn)進(jìn)行雙線性內(nèi)插，提高了程序執(zhí)行效率。檢測(cè)出的地平點(diǎn)坐標(biāo)是浮點(diǎn)數(shù)，提高了地平判定精度，有利于減小測(cè)量地心的誤差。

　　2.4 精確定中心

　　精確定中心是算法中最關(guān)鍵的部分，方法的好壞直接影響地心的精度。一般有霍夫變換法、面積積分和三點(diǎn)均值法等。精確定位采用面積積分法。根據(jù)微積分理論，對(duì)于一個(gè)封閉區(qū)域D，其重心坐標(biāo)可用如下公式得到：

　　式中，x和y代表單元點(diǎn)的坐標(biāo)，ρ(x，y)代表單元點(diǎn)的密度，D代表整個(gè)區(qū)域。

　　當(dāng)ρ(x，y)=1時(shí)，區(qū)域的重心和形心重合，S表示區(qū)域的面積。為了能夠用計(jì)算機(jī)計(jì)算區(qū)域的中心位置，必須對(duì)上面的公式離散化。離散化后的公式為：

　　式中， R(θ)表示對(duì)應(yīng)θi～θi+1范圍內(nèi)的幅值變化規(guī)律。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　把CCD拍攝到的圖像數(shù)據(jù)送入該系統(tǒng)處理，每處理完一幀圖像就會(huì)從串口輸出一個(gè)姿態(tài)角信息。表1是四幀圖像的處理結(jié)果。從表1可以看出算法的精度優(yōu)于0.1的指標(biāo)要求，算法處理時(shí)間約為0.49秒，滿足一秒處理一幀的實(shí)時(shí)要求。

　　實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖像采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及輸出。系統(tǒng)具有很好的升級(jí)性和擴(kuò)展性。采用DSP處理器，增強(qiáng)了系統(tǒng)的處理能力，提高了系統(tǒng)處理速度，保證了工作的實(shí)時(shí)性要求。采用貼片器件，既減小了PCB板的尺寸，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，中心定位算法通過對(duì)原始圖像濾波、判斷目標(biāo)是否進(jìn)入視場(chǎng)、邊緣檢測(cè)和精確定中心大大提高了地平儀的測(cè)量精度。