用于海洋搜救的多片DSP圖像處理識別系統(tǒng)的實現(xiàn)

引言

海上搜救服務(wù)是國家應(yīng)急救援體系的重要組成部分，也是國家經(jīng)濟發(fā)展的重要保障。采用先進的搜索系統(tǒng)是提高搜救行動有效性的重要手段之一。通常情況下搜索系統(tǒng)采用雷達或者光電成像系統(tǒng)，因為光圖像傳感器具有很高的分辨率，在能見度理想的情況下，觀測距離可達20~40km，但它的缺點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：

·較高的可疑目標檢測能力；
·較高的海洋背景抗干擾能力；
·具有一定的目標識別和跟蹤能力。

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

系統(tǒng)指標要求

·可見光視頻輸入：CCIR/EIA或PAL/NTSC視頻信號
·紅外視頻輸入：CCIR/EIA
·視頻輸出：VGA或標準視頻輸出
·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“目標”的最小象素數(shù)：3×3

系統(tǒng)方案

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖
采用TMS320F2812實現(xiàn)視頻采集，通過XINTF接口與多片6416-HPI接口連接，實現(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)實際需要確定6416圖像處理單元數(shù)目。通常采用四個或八個6416圖像處理單元。

系統(tǒng)軟件對圖像數(shù)據(jù)進行濾波和邊緣檢測，檢測可疑目標并進行識別。
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單視頻輸入時，可選擇四個或八個6416圖像處理單元構(gòu)成圖像處理機 。

雙視頻輸入工作時序圖如圖2所示。每個視頻通道擁有四個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。

圖2 雙視頻輸入模式時序圖
系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)計總體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件整體框圖
視頻采集電路

基于2812-DSP的視頻信號采集原理框圖如圖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，達到了極限采樣速率(采樣間隔時間為80ns)。

圖4 視屏采集原理框圖
Y/C分離、視頻鉗位、同步分離電路原理圖見圖5。

圖5 Y/C分離、視頻鉗位、同步分離電路原理圖
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、接口清晰簡捷、資源引出最大化、兼顧構(gòu)建多6416系統(tǒng)的設(shè)計思想來設(shè)計6416子模塊，如圖6所示。通過EMIFA接口擴展了兩片4M×32bit SDRAM, 可一次讀寫64bit數(shù)據(jù)。

圖6 TMS320C6416T子模原理圖
圖像傳輸接口設(shè)計

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接口傳輸速率達到最大。對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。標準SVGA接口信號包括：行同步信號（VGA_Hs）、場同步信號（VGA_Vs）以及紅、綠、藍三路模擬信號。VGA所需的時序同步信號由CPLD產(chǎn)生，所需的模擬信號由視頻D/A轉(zhuǎn)換器ADV7123實現(xiàn)。顯示接口電路框圖如圖7所示。

圖7 顯示接口電路圖
由CPLD對各個6416圖像處理單元數(shù)據(jù)輸出接口(EMIFB)總線進行總線仲裁，實現(xiàn)各個6416單元的圖像數(shù)據(jù)分時輸出。

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

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。分為三個主要部分：圖像預(yù)處理、可疑目標提取及目標識別。

圖8 軟件流程圖

圖9 系統(tǒng)PCB板
圖像預(yù)處理

圖像濾波(多模板復合濾波算法)

對比常用的多種濾波算法，其共同特征是：某種濾波算法只對部分噪聲有效；在較好地抑制噪聲的同時，難以保持圖像清晰度。而采用多模板復合濾波算法，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(改進的sobel算子)

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

這種改進的sobel算子使得邊緣檢測更加準確，但處理一幀圖像的運算量較大。采用改進的sobel算子進行圖像邊緣檢測處理后，將圖像二值化。改進的sobel算子不但檢測出了全部可疑目標，并且受海浪的影響較小。

可疑目標提取與跟蹤

為減少運算數(shù)據(jù)量，采用二次標記的方法提取可疑目標：

·利用貼標簽算法進行預(yù)標記，統(tǒng)計出物體數(shù)目并記錄其所在位置；

·根據(jù)上位機提供的模板信息，提取可疑目標；

·進行二次標記，僅標記已提取的可疑目標；

·對提取出的可疑目標進行跟蹤。

目標識別與跟蹤

當提取的可疑目標（一般是指象素數(shù)較少的小目標）達到一定的象素數(shù)后，采用Hu不變矩特征對可疑目標進行目標識別。
對數(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值最大處對應(yīng)的點作為匹配點。

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

結(jié)論

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

·成功實現(xiàn)了2812視頻數(shù)據(jù)采集；

·系統(tǒng)硬件的可拓展性增強了系統(tǒng)的通用性；

·軟件算法實際應(yīng)用效果明顯。

該系統(tǒng)（PCB板見圖9）還可實現(xiàn)對搜救目標的被動測距、可見光和長波紅外圖像的雙波段圖像融合等功能。另外，系統(tǒng)的強大處理能力和存儲空間，使其能在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。