實時紅外弱小目標(biāo)檢測跟蹤系統(tǒng)

1、實時紅外弱小目標(biāo)檢測跟蹤系統(tǒng)電子技術(shù)應(yīng)用2007年第1期楊燦軍1, 李建勛2，林志行2， 時間:2007年11月13日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:摘 要：關(guān)鍵詞：紅外熱成像儀? 雙DSPC6201? 目標(biāo)檢測與跟蹤?1 硬件原理硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了確保構(gòu)建的圖像處理系統(tǒng)可以達到原理樣機的要求，同時在實際條件又沒有合作飛機的前提下，將圖像處理系統(tǒng)的樣機功能分解為：高精度圖像的高速穩(wěn)定傳輸和實測數(shù)據(jù)的實時處理兩個部分。(1)針對Sofradir中波（35m）紅外熱成像儀，基于HEPC9母卡的雙DSP管理功能，采用雙DSPTMSC6201實現(xiàn)對圖像的并行處理，提高運算性能。同時采用一個FP

2、GA用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的時序和控制，其時序嚴格按照法國Sofradir中波紅外熱成像儀的實際時序(見圖4)，以驗證系統(tǒng)的高速穩(wěn)定通信能力。(2)基于HEPC9母卡的雙DSP管理功能，采用雙DSPTMSC6201實現(xiàn)對圖像的并行處理，提高運算性能，同時采用雙FPGA系統(tǒng)。一個FPGA用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的時序和控制，其時序嚴格按照法國Sofradir中波（35m）紅外熱成像儀的實際時序(見圖4)；而另一個FPGA用于與調(diào)用硬盤中存儲的實際測試數(shù)據(jù)一起模擬實際的測量環(huán)境。為實現(xiàn)每秒50幀的處理能力，采用了具有可編程序的板卡HERON-FPGA3S，實現(xiàn)對真實環(huán)境和實測數(shù)據(jù)的有效測試。?該系統(tǒng)可廣泛地應(yīng)用

3、于實際測試圖像的后期處理和檢測跟蹤算法的實際性能考核，具有極大的試驗和測試功能。實時紅外圖像處理系統(tǒng)由三部分組成：（1） 紅外成像儀紅外成像儀采用法國SOFTDIR生產(chǎn)的紅外頭部以及美國CEDIP公司生產(chǎn)的后續(xù)處理板卡組成。紅外攝像儀具有兩個輸出端口和一個RS232控制端口。一個輸出端口為模擬的視頻輸出端口，可以使用監(jiān)視器進行圖像的實時觀察。另一個輸出端口是RS422平衡式差分數(shù)字信號輸出端口。RS232串行控制端口用來控制攝像頭的性能參數(shù)，如：調(diào)節(jié)數(shù)字圖像的輸出速率（25幀/秒、50幀/秒和100幀/秒可選）、圖像的積分時間以及校正圖像以達到最佳的成像效果。(2) 圖像的接收和處理模塊紅外圖

4、像的接收和處理板卡及芯片采用英國HUNT公司生產(chǎn)的板卡HEPC9和HERON-FPGA3S以及HERON4。HEPC9是一塊母卡，作為HUNT公司各種處理板卡的載體，采用環(huán)形的HEART總線來規(guī)劃各個模塊的通訊功能，通過PCI總線與主機通訊。HERON-FPGA3S是一塊FPGA板卡，用于解析紅外攝像儀的電平信號和接收紅外圖像數(shù)據(jù)。HERON4是TIC6201DSP板卡，負責(zé)對紅外弱小目標(biāo)的檢測和識別。另外還需要一個由多個MC3486組成的板卡模塊將紅外攝像儀的RS422差分信號轉(zhuǎn)換為TTL單端信號。（3） 系統(tǒng)控制和顯示模塊整個系統(tǒng)的控制和顯示部分由PC機完成，這里使用ADLINK公司的工控

5、機PENTIUM 866，內(nèi)存128MB。2 各子模塊具體實現(xiàn)2.1 Hunt Engineering 產(chǎn)品簡介8 （1）母卡HEPC9HEPC9是一個可以集成4個HERON模塊的主板卡，各個模塊之間的連接關(guān)系是可編程的，具體由network文件規(guī)定。母卡具有6個32bit的同步虛擬輸入FIFO，6個32bit的同步虛擬輸出FIFO，模塊之間通過這些虛擬的FIFO進行連接。虛擬FIFO是母卡中環(huán)形HEART總線的一部分,如圖2所示，通過令牌環(huán)（標(biāo)志位）的設(shè)置分配數(shù)據(jù)的傳輸帶寬和時間片，這部分功能對于用戶是透明的。每個FIFO的同步時鐘可以達到60M100MHz，使FIFO的輸入輸出速度可以達到

6、4100MBps。?（2）HERON-FPGA3SHERON-FPGA3S可編程邏輯芯片在系統(tǒng)中用于接收紅外攝像儀圖像數(shù)據(jù)，并具有存儲功能。具有200K門，最大時鐘頻率可達180MHz，I/O帶寬達400MBps。（3）HERON4-DSPC6201這是一塊基于TI公司TIC6201DSP的HERON系列的板卡，具有200MHz主頻的16位定點DSP，采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有64KB的片內(nèi)程序存儲器PROM和64KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器IDRAM。HERON4DSP板卡增加了512KB的片外突發(fā)存儲器SBSRAM和16MB的片外動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM。DSP具有八條流水線，可以使指令并行執(zhí)行，這對于大

7、數(shù)據(jù)量的圖像處理非常重要。2.2 系統(tǒng)的邏輯構(gòu)成實時紅外圖像處理系統(tǒng)在邏輯上要完成一個完整的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示過程。其邏輯構(gòu)成如圖3所示。?母卡通過編寫network文件下載到母卡的存儲器中，修改特定的標(biāo)志寄存器，實現(xiàn)拓撲連接方式。這里的兩片DSP采用流水線處理方式，即兩者協(xié)同完成同一圖像處理工作的先后兩部分，以提高處理速度。在一些情況下，也可以將兩塊DSP描采取并行處理的方式，即兩塊DSP同時處理不同的數(shù)據(jù)。（1）FPGA圖像數(shù)據(jù)的采集模塊紅外攝像儀的邏輯時序如圖4所示。圖中：幀控信號FRAME高電平有效，在FRAME信號上升沿后出現(xiàn)第一幀數(shù)據(jù)時鐘；行控信號LINE_VALID上升沿有效，

8、在其上升沿后每行數(shù)據(jù)有效，則時鐘信號CLOCK上升沿像素信息有效；數(shù)據(jù)信號PIXEL_DATA共有14對數(shù)據(jù)線，產(chǎn)生14位數(shù)據(jù)，每行有320個時鐘，每幀有240行，一幀總共具有32024076 800個14bit的有效像素信息。（2） DSP數(shù)字圖像處理模塊這是整個系統(tǒng)的核心模塊，其功能是利用采集到的圖像數(shù)據(jù)進行數(shù)字圖像的處理。利用HUNT公司的嵌入式模塊“Create New HREONAPI project”，可以建立一個完整的基于以上硬件結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)程序框架。該軟件框架基于TIDSP的DSP/BIOS結(jié)構(gòu)，是一種小型的嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以對DSP系統(tǒng)的各種資源（如內(nèi)存、信號量等）進行規(guī)

9、劃管理。本系統(tǒng)中DSP圖像處理模塊的整體框圖如圖5所示。?通過FPGA上的標(biāo)志寄存器協(xié)調(diào)DSP和FPGA之間的通訊，在準備接收圖像數(shù)據(jù)之前，清空接收FIFO，然后通過串口HSB使能FPGA的發(fā)送允許標(biāo)志位通知FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收圖像到幀存之后，同樣通過HSB設(shè)置這個標(biāo)志使FPGA停止發(fā)送。（3）主機控制顯示模塊這部分是運行于PC機上的程序。其作用是完成整個系統(tǒng)的控制模塊和顯示模塊功能。紅外攝像儀所拍攝的數(shù)字圖像具有14位的像素精度，雖然是有利于圖像處理精度，但由于無法在一般的顯卡上顯示超過256級灰度的灰度圖像，因此有必要采用先灰度均衡再線性映射的方法，將14位的高精度圖像壓縮為8位的灰度

10、圖來顯示，以達到人機界面顯示的功能。3 弱小目標(biāo)檢測跟蹤及在DSP上的實現(xiàn)紅外序列圖像中運動的弱小目標(biāo)的檢測算法包括形態(tài)學(xué)濾波和能量特征匹配兩部分，即基于能量特征的弱小目標(biāo)檢測方法。同時還包括利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)進行多幀積累實現(xiàn)的序列圖像跟蹤，從而實現(xiàn)了對低信噪比的復(fù)雜序列圖像的實時、有效的檢測和跟蹤4。在實時紅外圖像處理系統(tǒng)中，由于圖像數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)間相關(guān)性高，需要滿足嚴格的實時性要求，因此需要對圖像處理算法及程序進行基于數(shù)字信號處理器（DSP)的優(yōu)化編程，從而大大提高算法的運行速度，來滿足系統(tǒng)的實時性能。TI公司的C6x系列DSP5，具有很高的運算速度和良好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，完全可以滿足圖像的實時處理要

11、求。3.1 算法結(jié)構(gòu)的優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法針對具體的處理算法具有特殊性，這部分的優(yōu)化與DSP的結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系，優(yōu)化的目的是使算法本身具有良好的時間空間復(fù)雜度和簡單的邏輯結(jié)構(gòu)。如在圖像處理中，通常要實現(xiàn)一個NX-N的二維數(shù)字濾波。在不做任何優(yōu)化的情況下，得到一個結(jié)果要進行N2l次內(nèi)存讀寫，內(nèi)存操作耗時長，需要占用專用的功能單元，因而成為功能提高的瓶頸。因此通常對該二維模板進行線形化，即先對源圖進行一個N1的一維濾波，再對中間結(jié)果圖也進行N1的一維濾波，從而得到最終的結(jié)果圖。這樣只需要進行 2(N+1)次內(nèi)存讀寫操作就可以得到一個結(jié)果。當(dāng)N比較大時（如1111高斯平滑），程序的性能有明顯提高。3.

12、2 DSP程序的結(jié)構(gòu)優(yōu)化DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有特殊性，如果程序的編寫能夠在一定程度上與DSP的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，利用C編譯器的優(yōu)化功能就可以在程序級的基礎(chǔ)上大大提高算法的性能48。具體如下：?(1) 盡量使用int 類型中間變量在圖像處理程序中，數(shù)據(jù)通常為8bit的變量，而C6XDSP的內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)通道為32bit，在圖像處理的濾波、卷積等過程中，需要較多的中間變量，如果采用8bit的中間變量存儲方式，勢必迫使編譯器使用額外的數(shù)據(jù)調(diào)整指令，因此采用32bit的中間變量具有最好的效率。?(2) 使用移位代替除法運算DSP中的移位運算具有硬件支持，由一條指令完成，而除法運算使用程序?qū)崿F(xiàn)，比較復(fù)雜耗時。

13、DSP的浮點運算往往采用調(diào)用子函數(shù)方法，效率低，編譯器無法進行軟件流水優(yōu)化，而采用移位運算可以代替一些定值的浮點運算,如：for(I=0;I10);? ?以上兩條程序完成同樣的功能，但是第一條含有浮點數(shù)的乘法，運行時間為222 775;第二條只有定點數(shù)的乘法和移位運算,運行時間僅為881，可見效率差距非常大。?(3) 使用C6x內(nèi)聯(lián)函數(shù)C6x編譯器內(nèi)部提供了許多指令，可以在單周期內(nèi)完成許多復(fù)雜的函數(shù)功能，從而提高了代碼的運行速度。如:?“飽和加法”：int sadd(int a, int b)int result;result = a + b;if (a b) & 0x80000000) =

14、0)if (result a) & 0x80000000)result = (a 0) ? 0x80000000 : 0x7fffffff;return (result);這樣一個復(fù)雜的算法可以用一條內(nèi)聯(lián)函數(shù)_sadd( a,b)實現(xiàn)。?(4) 使用32bit數(shù)據(jù)類型訪問16bit數(shù)據(jù)由于C6x系列DSP具有32位的寄存器和內(nèi)部通道，在操作16bit的數(shù)據(jù)如short類型時，往往浪費一半的寄存器空間和通道帶寬。為了充分利用這些資源，編譯器設(shè)置了一些內(nèi)聯(lián)函數(shù)同時對兩個16bit的數(shù)據(jù)進行操作，如_add2、_sub2。short in1、 short in2 是兩個short類型的數(shù)組，具有N項

15、，以下是將兩者對應(yīng)項相加的操作。for (i = 0; i (N/2); i+)_amem4(&sumi) = add2(_amem4_const(&in1i), _amem4_const(&in2i);程序中，_amem4_const、_amem4將in1、in2和sum進行了32bit的對齊操作，然后同時進行兩個short數(shù)據(jù)的加法運算和讀取存儲運算，從而提高了運算效率。?(5) 使用restrict關(guān)鍵字消除內(nèi)存關(guān)聯(lián)為提高代碼效率,6編譯器總是盡可能多地安排指令并行,而指令能否并行取決于指令之間的相關(guān)性。對于編譯器而言,內(nèi)存讀寫指令之間是否獨立是很難判斷的,如下列程序:void vecs

16、um(short *sum, short *in1, short *in2, unsigned int N)int i;for (i = 0; i N; i+)sumi = in1i + in2i;程序中，sum的存儲對于in1、in2的讀取地址產(chǎn)生影響，只有等到sum存儲完畢以后，才可以再次進行in1、in2的讀取操作。這個問題叫做“別名問題”，因為sum可能和in1是一個地址，使其無法將讀取數(shù)據(jù)和寫結(jié)果的操作并行起來。為了讓編譯器放心地將讀取源數(shù)據(jù)和寫結(jié)果數(shù)據(jù)兩者并行操作，可以利用restrict變量申明當(dāng)前數(shù)組名（或指針）是指向這段內(nèi)存的惟一變量，如下列程序所示：void vecsum(

17、short *sum, short * restrict? in1, short * restrict in2, unsigned int N)int i;for (i = 0; i 2。4 系統(tǒng)測試本實驗采用法國Sofradir中波熱成像儀采集到的320240像素6733幀8位真實紅外對空序列圖像，截取其中的100幀數(shù)據(jù)驗證能量匹配濾波檢測與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)跟蹤算法的適用性。由于目標(biāo)很遠，此時的信噪比小于2，屬于典型的強雜波環(huán)境下的弱小目標(biāo)檢測問題。實拍紅外圖像的顯示如圖6所示。?本文介紹的系統(tǒng)成功實現(xiàn)了弱小目標(biāo)檢測和跟蹤程序的移植和優(yōu)化。針對紅外弱小目標(biāo)檢測和跟蹤的實時測試表明：該系統(tǒng)實時和有效檢

18、測跟蹤了每秒50幀，每幀320240像素，每像素14位的低信噪比的復(fù)雜序列圖像。參考文獻1?BRUNO M S, MOURA J F. Multiframe detector/tracker:optimal performance, IEEE Trans. AES, 2001,37(3):925.2 ?TZANNES A P, BROOKS D H. Point target detection in?IR image sequences: A hypothesis testing approach based?on target and clutter temporal profile modeling. Optical?Engineering, 2000,38(2):2270-2278.3 ?TZANNES A P, BROOKS D H. Detecting small moving?objects using temporal hypothesis testing. IEEE Trans. ?AES, 2002,38(2):570-585.4 ?田元，葉秀清.實時圖像處理中的DSP優(yōu)化編程，電子技術(shù)，2000,(10):43-46.5 ?Texas Instruments Incor