1 引 言

紅外熱成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到廣泛的應用。但是通常的熱成像系統(tǒng)的瞬時視場都很小，為了擴大視界通常采用光機掃描機構(gòu)，掃描機構(gòu)的引入使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜化。而且由于掃描速率的限制，容易造成目標動態(tài)信息的丟失。隨著紅外廣角鏡頭的出現(xiàn)，克服了光機掃描的缺點。此時，實時超大視場紅外圖像處理成為目標檢測、目標識別和目標跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)。由于紅外鏡頭的視場角大，在像面上所成的紅外圖像產(chǎn)生了畸變和漸暈，使得目標在邊緣視場較中央視場信號微弱，需要對圖像進行畸變和漸暈的校正處理。在大視場紅外圖像處理的數(shù)據(jù)量大，實時紅外圖像處理系統(tǒng)必須具有高速的運算能力。本文采用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)設計的實時超大視場紅外圖像處理系統(tǒng)能夠滿足高速采樣數(shù)據(jù)流快速存取、快速運算的實時性要求。

2 系統(tǒng)主要芯片的功能特點

根據(jù)實時紅外圖像處理系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中的DSP芯片選用了Ti 公司的TMS320C6414芯片，其具有強大的運算能力和出色的對外接口能力。該芯片CPU主頻為600MHz，數(shù)據(jù)處理能力峰值可達4800MIPS（每秒48億條指令）。采用了VelociT1.2結(jié)構(gòu)，由8個相互獨立的功能單元構(gòu)成。包含兩組通用寄存器組，每組含有32個32位寄存器。片內(nèi)采用2級存儲器結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)部集成了多種外圍設備：擴展的直接存儲器訪問（EDMA），外部存儲器接口EMIFA（64bit）和EMIFB（16bit，主機口（HIP），3個多通道緩沖串口（McBSP），定時器等。

為協(xié)調(diào)各種不同功能芯片間的運作，并完成圖像預處理工作，減輕DSP的負擔。系統(tǒng)采用了Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列的XC2V2000芯片，系統(tǒng)門密度為2M，內(nèi)嵌專用硬件乘法器，內(nèi)嵌1008Kbit的Block RAM，可用來配置RAM、FIFO、雙口RAM，以及包含8個數(shù)字時鐘管理模塊（Digital Clock Manager DCM）其頻率范圍24MHz~420MHz。

3 系統(tǒng)的組成

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。首先，對輸入的數(shù)字視頻信號進行采集，提取有效的數(shù)據(jù)單元。接著，對采集到的數(shù)據(jù)進行圖像預處理。然后，進行圖像處理，完成檢測跟蹤算法，實現(xiàn)對目標的檢測與跟蹤。最后，輸出模擬視頻圖像到監(jiān)視器，以便觀察跟蹤效果。

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由四部分組成：FPGA模塊，DSP模塊，擴展存儲模塊和模擬視頻輸出模塊構(gòu)成。

（1） FPGA模塊：

系統(tǒng)采用了可編程芯片F(xiàn)PGA，協(xié)調(diào)各種具有不同功能芯片的運作。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

FPGA主要完成如下四方面工作：圖像采集，圖像預處理，配置輸入緩存及輸出緩存。

① 圖像采集：根據(jù)探測器輸出的數(shù)字視頻信號的場同步（Vsync），行同步（Hsync）以及主時鐘（MC），通過計數(shù)器計數(shù)判斷何時出現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)單元，發(fā)送控制信號采集有效數(shù)據(jù)單元。

② 圖像預處理：對采集到的有效數(shù)據(jù)單元，進行高效率的圖像濾波預處理以除去系統(tǒng)噪聲。

③ 輸入緩存：該模塊是由FPGA的Block RAM 配置成輸入緩沖存儲器 。預處理后的有效數(shù)據(jù)單元，可以連續(xù)不間斷地寫入 。并通過 的半滿標志位（HF）觸發(fā)TMS320C6414的EMDA同步事件，使用EDMA控制器將原先所存儲的數(shù)據(jù)，通過PDT（Peripheral Device Transfer）的傳輸方式，直接將 中的存儲的數(shù)據(jù)以EDMA方式導入SDRAM中，以供后續(xù)的圖像處理。

④ 輸出緩存：該模塊也是由FPGA的Block RAM 配置成輸出緩沖存儲器 。外部產(chǎn)生的視頻特征信號觸發(fā)TMS320C6414 的EMDA通道，使得圖像數(shù)據(jù)從DSP片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器向 傳輸。同時， 中以前存儲的數(shù)據(jù)在時鐘的作用下連續(xù)地被送往圖像輸出模塊進行編碼。

（2）DSP模塊：

本系統(tǒng)中采用主頻為600MHz的TMS320C6414芯片為核心，完成目標的檢測和跟蹤算法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：

DSP芯片主要完成如下功能：

① 通過EMIFA口，擴展數(shù)據(jù)存儲空間，存儲待處理的圖像數(shù)據(jù)；通過EMIFB 擴展程序存儲空間。

② 從外部數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中調(diào)入圖像數(shù)據(jù)，運行系統(tǒng)的檢測和跟蹤算法，檢測運動目標，并確定其方位。

③ 根據(jù)運算結(jié)果，通過多通道緩沖串口0（McBSP0），控制伺服系統(tǒng)動作。

④ 通過多通道緩沖串口1（McBSP1），實現(xiàn)人機接口功能。

⑤ 與FPGA建立即時通信，實現(xiàn)系統(tǒng)程序模塊間的調(diào)度與協(xié)調(diào)。

（3）擴展存儲模塊：

主要擴展了外部數(shù)據(jù)存儲器SDRAM（MT48LC4M16A2）和外部程序存儲器FLASＨ（MBM29LV800TA），SDRAM是通過DSP的EMIFA口擴展的存儲空間，主要用來存儲待處理數(shù)字圖像，采用環(huán)形存儲結(jié)構(gòu)，每次讀緩沖區(qū)，取到的總是未被讀取的最舊的一幀圖像。當緩沖區(qū)滿后，除非將其中的一些數(shù)據(jù)讀走，以空出空間，否則新的圖像幀將會丟失。FLASH　用于存儲跟蹤算法的應用程序及FPGA的配置文件，當DSP復位后則完成DSP的初始化，F(xiàn)PGA的配置并運行應用程序?qū)崿F(xiàn)檢測和跟蹤功能。

（4）視頻輸出模塊：

通過EDMA方式，從DSP的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器將圖像數(shù)據(jù)調(diào)入輸出緩沖 ，從 不間斷地輸出數(shù)字單元至編碼器（SAA7120）進行編碼轉(zhuǎn)換模擬視頻信號，輸出到監(jiān)視器，以便觀察圖像檢測與跟蹤算法的效果。

4 結(jié)論

本文使用高性能的DSP（TMS320C6414）和可編程邏輯器件FPGA（Virtex-Ⅱ系列的XC2V2000），結(jié)合了模塊化設計思想，設計了超大視場紅外目標實時檢測與跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很好的重構(gòu)性、實時性及可靠性。通過反復試驗表明，該實時紅外檢測系統(tǒng)對IR109機芯輸出的數(shù)字視頻信號（每場320×240有效像素，每個像素14bit，場頻50Hz）能夠進行實時處理，對超大視場中的運動點目標、面目標完成檢測和跟蹤功能。跟蹤無延時，主要技術(shù)指標均能滿足項目的要求，具有很好的應用前景。

責任編輯：gt