數(shù)字圖像注入式紅外目標捕獲跟蹤訓練仿真

宋振豐,李 巖,于 洋

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033; 2.中國科學院研究生院,北京 100039)

1 引 言

軍隊靶場訓練基地用于跟蹤高速運動目標的主要手段是光電跟瞄設備。對于光電跟瞄系統(tǒng)而言,操作訓練需要與外部目標環(huán)境緊密配合,因此,訓練所需的目標環(huán)境構(gòu)建成為訓練操作手和對光電跟瞄設備仿真檢測的關(guān)鍵因素之一。但如果通過現(xiàn)場飛行試驗來構(gòu)造目標環(huán)境,則訓練成本過大,還會受天氣等環(huán)境因素的影響。因此,低成本、高效率地完成操作訓練是目前靶場訓練基地極為關(guān)注的問題。

圖1 目標跟蹤訓練系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of target tracking training

注入式仿真試驗可以在不開啟紅外相機的情況下完成跟蹤訓練任務,其投資少、見效快,已成為有限條件下的理想訓練手段。本文提出一種利用數(shù)字圖像注入來構(gòu)建目標環(huán)境,完成目標跟蹤仿真訓練任務的圖像注入式紅外目標跟蹤仿真訓練方法。該方法不體現(xiàn)紅外圖像的逼真度,而在于注重光電跟瞄設備對目標跟蹤訓練的性能,其關(guān)鍵技術(shù)是目標動態(tài)飛行的構(gòu)建和閉環(huán)仿真訓練(即自動跟蹤)的實現(xiàn)。本文采用實測數(shù)據(jù)和理論計算相結(jié)合,實現(xiàn)了模擬目標的動態(tài)飛行;將被試系統(tǒng)編碼器輸出數(shù)據(jù)和目標運動方程綜合處理,控制閉環(huán)系統(tǒng)的延時,精確仿真目標像素位置,實現(xiàn)了閉環(huán)仿真訓練。

2 系統(tǒng)組成

目標跟蹤訓練系統(tǒng)主要由數(shù)字圖像生成模塊、數(shù)字圖像注入模塊和跟蹤訓練控制模塊組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

(1)數(shù)字圖像生成模塊

數(shù)字圖像生成模塊是整個仿真試驗系統(tǒng)研制的難點,其主要用途有:(1)接收主控計算機發(fā)送來的訓練參數(shù),如圖像畫幅大小,幀頻等;(2)實時接收由跟蹤訓練控制模塊發(fā)送來的目標區(qū)域在數(shù)字圖像畫幅中的像素大小和像素位置,調(diào)用背景畫幅數(shù)據(jù)并在背景中實時合成目標;(3)將數(shù)字圖像實時送給數(shù)字圖像注入模塊。

(2)圖像注入模塊

數(shù)字圖像注入模塊提供圖像注入接口,并負責數(shù)字圖像數(shù)據(jù)通信控制,其通信和接口應與被試系統(tǒng)一致,設計中采用 Camera Link接口形式。

(3)跟蹤訓練控制模塊

跟蹤訓練控制模塊的主要任務:(1)接收主控計算機發(fā)送來的訓練參數(shù),如仿真目標的飛行速度、距離以及光學設備參數(shù)等,實時采集并解算出跟蹤設備編碼器輸出的方位角A和俯仰角E;(2)仿真試驗設定 (如模擬目標的飛行軌跡)和仿真試驗進程控制;(3)目標運動軌跡實時計算,并將計算出的目標在畫幅中的像素大小和像素位置發(fā)送到數(shù)字圖像生成模塊。

3 目標動態(tài)飛行的構(gòu)建

模擬目標跟蹤訓練系統(tǒng)是基于目標脫靶量來實現(xiàn)的。在實際工作過程中,目標的運動和跟蹤設備對象無關(guān),跟蹤設備的視軸跟隨目標視線運動并構(gòu)成閉環(huán)工作狀態(tài)。在數(shù)字圖像注入式跟蹤仿真訓練中,目標像素位置 (可以認為是目標脫靶量理論值)基于目標運動軌跡和跟蹤設備編碼器輸出值計算得到,其值計算的精度和速度是關(guān)系到能否達到自動跟蹤訓練的決定因素,從控制學角度來看,是否影響跟蹤設備的傳遞函數(shù)。

a)虛擬空間坐標系的建立

可假定跟蹤設備工作站點為大地坐標,并以工作站點為原點建立虛擬空間直角坐標系o-xyz。

b)目標空間坐標計算

在模擬訓練實驗中,必須考慮目標的幾何形狀,而不能把目標當成一個質(zhì)點,在描述目標的空間坐標時,以目標的幾何中心 (形心)作為參考點。目標的空間坐標用o-xyz下直角坐標 (x,y,z)描述,如圖2所示。在模擬訓練試驗前,需要給定目標運行參數(shù),在訓練過程中,根據(jù)給定的目標運動參數(shù)和試驗進程時間實時計算目標的空間坐標值。

圖2 目標直角坐標系Fig.2 Target rectangular coordinate

假設A、B為兩條理論航跡,(x0,y0,z0)為目標起始點,z0為目標起始高度,假定目標在飛行進程中高度不變,則飛行過程中目標位置滿足

式(1):

式中vx、vy為目標在x方向和y方向的速度,為了滿足截距d,vx、vy應滿足:

由式 (2)可以計算出目標在x方向和y方向的速度,如式 (3)所示:

式 (3)中v為目標飛行速度,為已知參數(shù),由主控計算機提供。

c)目標像素大小和像素位置的計算

目標相對觀測點的距離RT、方位角AT、俯仰角ET計算公式如式 (4)所示:

根據(jù)式 (4)計算的目標方位角AT、俯仰角ET,比照編碼器數(shù)值得到設備的實際指向A、E來判斷目標是否在跟蹤設備的視場內(nèi),若 |A-AT|＜w,|E-ET|＜w(w為跟蹤設備的半視場角),則目標在視場內(nèi),脫靶量為:

則根據(jù)光學系統(tǒng)參數(shù)可以計算得到:

目標像素尺寸為:

以像素為單位的目標脫靶量為:

式中a×a為 CCD尺寸,n×n為 CCD像元數(shù),f為光學系統(tǒng)焦距,l為目標尺寸。

上面介紹了目標像素大小和位置的計算方法,它是形成目標模擬訓練的基礎(chǔ)。無論是目標軌跡的計算精度還是跟蹤設備編碼器輸出的測試精度都非常高,其誤差帶來的對目標像素位置取值精度的影響可以忽略。影響目標像素位置取值精度的關(guān)鍵是時序精度,也就是說能否將數(shù)字圖像生成、注入帶來的延時控制在 0附近。

4 數(shù)字圖像生成及圖像注入接口

為達到目標跟蹤訓練的性能和自動跟蹤的精度,目標跟蹤訓練系統(tǒng)對數(shù)字圖像生成速度提出了很高的要求。為滿足此要求,本文采用 FPGA直接生成圖像數(shù)據(jù)信號的方法,該方法通過 Verilog HDL語言編程產(chǎn)生邏輯電路,反應時間快,數(shù)字圖像信號連續(xù)、穩(wěn)定、可靠,實時性高。通過調(diào)用存儲器中的圖像背景,實時接收目標像素大小和位置信息,在背景像素中實現(xiàn)目標的定位輸出。

圖3 圖像注入接口時序圖Fig.3 Timing diagram of image inject interface

圖像注入接口采用標準的 Camera Link相機接口,Camera Link是在 Channel Link的基礎(chǔ)上增加了一些相機控制信號和串行通信信號,定義出標準的接頭,也就是標準化信號線,讓 Camera及影像卡的信號傳輸更簡單化,同時提供 3種構(gòu)架,即基本構(gòu)架 (Based Configuration)、中階構(gòu)架 (Medium Configuration)及完整構(gòu)架 (Full Configuration),本文采用基本構(gòu)架配置模式。

傳輸數(shù)據(jù)時使用的視頻同步信號固定不變,分別為:

幀同步信號 FVAL:當 FVAL為高電平時,正輸出一幀有效數(shù)據(jù);

行同步信號 LVAL:當 LVAL為高電平時,正輸出一個有效像元行 (在兩個有效像元行中間,LVAL會跳過幾個無效的像素點,可在實際應用時設定跳過的像素點數(shù));

數(shù)據(jù)有效信號 DVAL:當 FVAL和 LVAL為高時,DVAL為高電平,正輸出有效的數(shù)據(jù);

SPARE為備用信號。

設計中使用了 FVAL和 LVAL信號,當 FVAL和LVAL信號都為高電平時,圖像信號源數(shù)據(jù)在像素時鐘信號 PIXCLK的控制下一次發(fā)送。其接口信號時序如圖3所示。

Camera Link接口器件 DS90CR287是專用的電平轉(zhuǎn)換器件,能將 28位 CMOS/TTL電平數(shù)據(jù)和一位像素時鐘信號分別轉(zhuǎn)換為 4組 LVDS數(shù)據(jù)流及一對 LVDS時鐘信號進行傳輸,由于采用差分傳輸方式,提高了傳輸距離及信號精度。

5 目標跟蹤訓練的硬件實現(xiàn)

目標跟蹤訓練系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。從圖中可以看出,目標模擬器硬件主要以 FPGA作為核心,由硬件實現(xiàn)復雜的算法通常比用軟件實現(xiàn)具有更高的速度和效率。Altera公司的 Nios軟核嵌入式處理器是一種可特許的通用 R ISC架構(gòu)的 CPU,也就是說,Altera公司以 IP核的方式將它提供給設計者,它可以與各種各樣的外設、定制指令和硬件加速單元相組合,構(gòu)造一個定制的可編程片上系統(tǒng) (System on Programmable Chip,SOPC)。

圖4 目標跟蹤訓練系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware architecture diagram of target tracking training system

定制 CPU和接口須根據(jù)設計要求使用 SOPC Builder來對Nios CPU進行定制,為了提高工作效率,設計中采用高性能內(nèi)核 (Nios II/f),該 CPU是包含有 2 kb數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) Cache和 4 kb的代碼Cache、CPU的指令長度為 32 bit。除了 Nios CPU之外,還需要用 SOPC Builder將外圍設備的接口添加進來.對于本設計來說,有如下接口:

1)串行通信接口 UART、DMA控制接口,通過DMA來接收串口數(shù)據(jù),也就是接收跟蹤設備的編碼器輸出值。

圖5 N IOS II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Nios II system structure

2)外部存儲器 SDRAM和 FLASH接口,SDRAM用來存放系統(tǒng)運行時的程序代碼、數(shù)據(jù)段、代碼段及堆棧段 (相當于計算機中的內(nèi)存),FLASH用來存放工程文件,以便在系統(tǒng)上電后自動加載代碼(相當于計算機中的硬盤),同時存放背景的圖像數(shù)據(jù)。

3)三態(tài)總線接口,起到數(shù)據(jù)總線的作用,將外設與 CPU連接起來。

4)P IO接口,用來與數(shù)字圖像生成模塊通信,由 3個 P IO接口來實現(xiàn),分別為 target_x、target_y和 target_pix。接口關(guān)系如圖5所示。

6 目標跟蹤訓練的軟件實現(xiàn)

目標模擬器的軟件實現(xiàn)分為兩個部分來完成,一部分由 Quartus II建立硬件邏輯工程文件,通過 SOPC Builder建立軟核。另一部分根據(jù)SOPC Builder建立的軟核文件使用 Nios II IDE來編寫軟核控制程序,用 C語言進行編寫控制程序。由于 Altera為 NiosⅡ處理器用戶提供硬件抽象層 (HAL)系統(tǒng)庫驅(qū)動程序,允許用戶使用 HAL應用程序接口 (API)函數(shù)訪問外設,所以用戶能方便地操作底層硬件。

在通常的設計中,使用中斷來接收串口數(shù)據(jù),每收到一個 8位數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生一個系統(tǒng)中斷,而本系統(tǒng)中串口數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包的形式來發(fā)送,如果仍采用中斷的方式接收,會給系統(tǒng)運行帶來很大負擔,也很難滿足實時性的要求,所以本設計采用DMA的方式來接收串口的數(shù)據(jù),每接收完一個數(shù)據(jù)包會自動產(chǎn)生一個系統(tǒng)中斷,不但大大提高了系統(tǒng)運行的效率,而且滿足了實時接收數(shù)據(jù),并實時處理系統(tǒng)的要求。

圖6 視頻同步信號時序Fig.6 Video sync signal timing

數(shù)字圖像生成模塊使用 Verilog HDL語言來編寫,這是考慮到系統(tǒng)要求數(shù)字圖像的幀頻為100 Hz,用 Nios II軟核來完成圖像數(shù)據(jù)的生成很難達到要求,而直接采用Verilog HDL語言可以在系統(tǒng)時鐘的工作頻率下工作,而且通過采樣系統(tǒng)時鐘,能夠嚴格控制數(shù)字圖像的生成。系統(tǒng)時鐘為 50 MHz,數(shù)字圖像時鐘信號 PI XCLK為系統(tǒng)時鐘 2分頻,即 25 MHz,模擬的圖像數(shù)據(jù)的像素為320×240,幀頻為 100 Hz。行同步信號 LVAL和幀同步信號 FVAL均由像素時鐘信號進行計數(shù)產(chǎn)生,其時序如圖6所示。

其中P1為 35個 PIXCLK時鐘周期;A為 320個 PIXCLK,即一行包含 320個像素點;Q為 47個PIXCLK;P2為 13個 PI XCLK;幀同步信號 FVAL為低電平的時間是 161 872個 PI XCLK。一幀圖像包含 240行有效數(shù)據(jù),可計算出傳輸一幀圖像信號的時間為 250 000個 PIXCLK時鐘周期(240(A+Q)+P1+P2+161 872),幀頻為 100 Hz(25 MHz/250 000)。

7 實驗結(jié)果

用 Flash Programmer下載工具將編譯后生成的文件下載到 Flash中去,上電后系統(tǒng)自動運行,用 CL160圖像采集卡對生成的圖像進行采集,采集到的圖像如圖7所示。采用手動跟蹤和自動跟蹤兩種訓練模式進行訓練,訓練結(jié)果均能達到要求。

圖7 生成的目標及背景Fig.7 Generated goals and background

8 結(jié) 論

本文提出了一種利用圖像注入來構(gòu)建目標環(huán)境,完成目標捕獲跟蹤訓練任務彷真的新方法。該方法既可以完成模擬目標跟蹤的日常訓練任務,可以訓練操作手對跟蹤設備的操作,也可以完成檢測跟蹤設備的自動跟蹤性能,還可以在不開啟紅外相機的情況下完成訓練。節(jié)約了成本,達到了日常訓練和維護的任務。該仿真訓練系統(tǒng)已成功運用到某光電跟瞄系統(tǒng)模擬訓練系統(tǒng)中。

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