海空背景下紅外圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴 軍，唐湘成，高志峰

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戴 軍，唐湘成，高志峰

（西南技術(shù)物理研究所，四川 成都 610041）

分析了對(duì)海紅外成像特征以及圖像處理的技術(shù)難點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種海空背景下對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和跟蹤的圖像處理系統(tǒng)。首先，介紹了采用目標(biāo)跟蹤和識(shí)別算法并行工作的軟件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)充分融合跟蹤和識(shí)別處理信息。然后介紹了基于雙DSP和FPGA構(gòu)架的硬件設(shè)計(jì)，以DSP作為核心處理單元，F(xiàn)PGA作為控制單元。最后給出了外場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該紅外圖像處理系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性。

紅外圖像；圖像處理；數(shù)字信號(hào)處理器

0 引言

反艦導(dǎo)彈從誕生起，由于其強(qiáng)大的作戰(zhàn)能力在海戰(zhàn)中起到了巨大的作用。時(shí)至今日，各國(guó)愈來(lái)愈重視反艦導(dǎo)彈在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)中的作用，已經(jīng)有超過(guò)70個(gè)國(guó)家部署了各種不同的反艦導(dǎo)彈。為了有效防御反艦導(dǎo)彈，艦載攔截武器迅速發(fā)展，以硬殺傷手段來(lái)削弱反艦導(dǎo)彈的突防能力，而且各種有源干擾、無(wú)源干擾、隱身技術(shù)以及電子誘餌的使用進(jìn)一步削弱了反艦導(dǎo)彈的突防能力。

自海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以后，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)在各種武器中得到了成功運(yùn)用，它是利用紅外探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，以捕獲目標(biāo)紅外圖像的制導(dǎo)技術(shù)。其特點(diǎn)是制導(dǎo)精度高，不受無(wú)線電干擾的影響，可晝夜作戰(zhàn)。紅外成像制導(dǎo)技術(shù)作為雷達(dá)等常規(guī)裝備的有力補(bǔ)充，正在扮演著越來(lái)越重要的角色。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，紅外成像制導(dǎo)工作模式也逐步由人在回路的工作模式向全自主工作模式升級(jí)。全自主工作模式要求紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)具有目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別、鎖定和跟蹤的能力，其實(shí)現(xiàn)難度較大。紅外圖像處理系統(tǒng)是紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別、跟蹤等主要作戰(zhàn)任務(wù)。

在超低空飛行的反艦制導(dǎo)武器中，海面背景在紅外成像瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)占據(jù)了較大比例，是影響目標(biāo)識(shí)別的主要因素。海面背景的紅外輻射特性與風(fēng)、太陽(yáng)、空氣濕度等多種自然條件有關(guān)。由于這些條件的無(wú)規(guī)則變化使得海面背景的紅外成像特性的復(fù)雜性遠(yuǎn)大于艦船目標(biāo)自身。艦船目標(biāo)紅外特性主要受艦船本體輻射、發(fā)動(dòng)機(jī)、煙道等內(nèi)部因素和太陽(yáng)等外部光源影響，在紅外圖像上呈現(xiàn)為多極性灰度特征。艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)姿態(tài)變化以及導(dǎo)彈快速逼近引起的目標(biāo)圖像幾何變化，加大了目標(biāo)跟蹤難度。同時(shí)圖像處理硬件平臺(tái)還需滿(mǎn)足武器裝備對(duì)圖像處理系統(tǒng)小型化、低功耗、實(shí)時(shí)性的要求。

由于目標(biāo)特性、自然背景、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等因素的多變，使得紅外成像目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別和跟蹤技術(shù)一直是精確制導(dǎo)武器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在有關(guān)跟蹤和識(shí)別的文獻(xiàn)中[1-3]，為了使主題清晰，對(duì)跟蹤和識(shí)別的研究大都是分開(kāi)進(jìn)行的。大部分文獻(xiàn)是以算法為中心，針對(duì)少量特定數(shù)據(jù)開(kāi)展研究，獲得仿真結(jié)果，對(duì)算法的應(yīng)用平臺(tái)、實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性等方面關(guān)注較少。

本文從工程樣機(jī)研制角度出發(fā)，將目標(biāo)識(shí)別和跟蹤算法結(jié)合起來(lái)，以產(chǎn)品為中心開(kāi)展圖像處理相關(guān)技術(shù)的研究。本文設(shè)計(jì)的圖像處理系統(tǒng)以高性能DSP和FPGA芯片為核心構(gòu)建硬件平臺(tái)，采用目標(biāo)識(shí)別和跟蹤并行工作的軟件設(shè)計(jì)，解決了復(fù)雜背景條件下海上艦船目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別和穩(wěn)定跟蹤問(wèn)題。

1 軟件設(shè)計(jì)

本文提出的圖像處理系統(tǒng)采用目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別和跟蹤并行工作的軟件架構(gòu)，將識(shí)別和跟蹤兩個(gè)模塊的處理結(jié)果進(jìn)行充分融合，使兩者信息互補(bǔ)，提高了系統(tǒng)識(shí)別可靠性、跟蹤穩(wěn)定性和抗干擾性能。

圖像處理系統(tǒng)主要由3個(gè)獨(dú)立的圖像處理功能模塊組成，每個(gè)模塊綜合了多種圖像處理算法。3個(gè)模塊協(xié)同工作，共同完成復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)賦予的任務(wù)。這3個(gè)功能模塊分別是：自動(dòng)識(shí)別模塊、自動(dòng)跟蹤模塊和場(chǎng)景感知模塊。3個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)流見(jiàn)圖1。其中自動(dòng)跟蹤模塊在DSPA芯片運(yùn)行，場(chǎng)景感知模塊和目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別模塊在DSPB芯片運(yùn)行。采集到的數(shù)字圖像一分為二，分別送給DSPA和DSPB，兩片DSP同時(shí)對(duì)同一幅紅外圖像進(jìn)行處理。

圖1 三個(gè)功能模塊的數(shù)據(jù)流

1）場(chǎng)景感知

超低空飛行反艦導(dǎo)彈紅外成像特點(diǎn)是：①圖像背景包括海天交界線、天空和海面背景；②海面背景的紅外輻射特性與風(fēng)、太陽(yáng)等多種自然條件有關(guān)，成像特性復(fù)雜；③被攻擊艦船目標(biāo)位于海天交界區(qū)域。根據(jù)紅外成像特點(diǎn)，海天線和海面復(fù)雜度等場(chǎng)景信息對(duì)目標(biāo)識(shí)別跟蹤有重要的參考價(jià)值。

場(chǎng)景感知模塊通過(guò)分析海面背景紋理特征，對(duì)海面復(fù)雜度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]；采用圖像高頻檢測(cè)與邊緣檢測(cè)相結(jié)合的方法，提取海天線特征。這些信息檢測(cè)提高了紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的場(chǎng)景感知能力。所提取出的信息一方面?zhèn)鬟f給自動(dòng)識(shí)別和跟蹤模塊，用于算法參數(shù)調(diào)整和目標(biāo)選擇；另一方面?zhèn)鬟f給復(fù)合制導(dǎo)信息融合系統(tǒng)，為制導(dǎo)系統(tǒng)綜合決策提供數(shù)據(jù)支持。

2）自動(dòng)跟蹤

自動(dòng)跟蹤模塊是實(shí)現(xiàn)對(duì)海面艦船目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的功能。在超低空飛行的反艦導(dǎo)彈應(yīng)用中，應(yīng)滿(mǎn)足以下需求：①適應(yīng)不同距離的目標(biāo)跟蹤；②適應(yīng)目標(biāo)灰度極性的變化；③適應(yīng)目標(biāo)姿態(tài)的變化；④適應(yīng)末段場(chǎng)景快速膨脹的變化；⑤適應(yīng)多種干擾背景。

為滿(mǎn)足以上要求，采用多級(jí)、多區(qū)域自適應(yīng)跟蹤算法，融合場(chǎng)景信息和目標(biāo)信息，結(jié)合匹配率、目標(biāo)變化率等數(shù)據(jù)，刷新跟蹤區(qū)域模板，修正跟蹤點(diǎn)。通過(guò)多種信息的融合處理，抑制了跟蹤點(diǎn)漂移，提高跟蹤階段的抗干擾能力。工作流程圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 目標(biāo)跟蹤的流程簡(jiǎn)圖

自動(dòng)跟蹤模塊還將解算出的跟蹤點(diǎn)位置、跟蹤狀態(tài)等信息傳給自動(dòng)識(shí)別模塊，為跟蹤目標(biāo)的信息提取提供數(shù)據(jù)支持。

3）自動(dòng)識(shí)別

自動(dòng)識(shí)別模塊是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)識(shí)別不同距離、不同大小的艦船目標(biāo)的功能。為滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別的要求，采用基于特征空間變換的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，融合單幀檢測(cè)和多幀檢測(cè)完成對(duì)海上艦船目標(biāo)的識(shí)別，解決了在復(fù)雜背景干擾下目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別的問(wèn)題。自動(dòng)識(shí)別模塊主要由3部分組成：?jiǎn)螏繕?biāo)檢測(cè)、多幀目標(biāo)檢測(cè)、綜合決策。工作流程見(jiàn)圖3所示。

單幀目標(biāo)檢測(cè)是對(duì)單幀圖像進(jìn)行多級(jí)特征空間變換，充分利用場(chǎng)景信息提取潛在目標(biāo)區(qū)域，根據(jù)艦船和系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)，篩選出候選目標(biāo)；多幀目標(biāo)識(shí)別是在單幀目標(biāo)提取的基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)的幀間相關(guān)性，濾除起伏不定的干擾，降低虛警，檢測(cè)出候選的艦船目標(biāo)；綜合決策是結(jié)合系統(tǒng)信息，依據(jù)綜合決策函數(shù)，對(duì)多幀目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行擇優(yōu)選取，提取目標(biāo)信息，最終完成目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別。

自動(dòng)識(shí)別模塊將識(shí)別出的目標(biāo)信息一方面?zhèn)鬟f給自動(dòng)跟蹤模塊，協(xié)助跟蹤算法調(diào)整參數(shù)；另一方面，傳遞給復(fù)合制導(dǎo)信息融合系統(tǒng)，為目標(biāo)選擇提供數(shù)據(jù)支持。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖像處理算法運(yùn)算量較大，國(guó)內(nèi)一些同行在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了DSP陣列結(jié)構(gòu)[5-7]。為實(shí)現(xiàn)跟蹤和識(shí)別算法并行處理的要求，硬件平臺(tái)采用雙DSP＋FPGA架構(gòu)，構(gòu)成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的圖像處理子系統(tǒng)。其中一片DSP主要負(fù)責(zé)與外部設(shè)備的通訊，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤功能；另一片DSP主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的相關(guān)功能。

本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。DSP采用TI公司TMS320C6416芯片，F(xiàn)PGA采用Altera公司的EP3C120芯片。

TMS320C6416芯片是TI公司推出的高性能定點(diǎn)DSP，工作主頻600MHz～1GHz，1MByte的片內(nèi)RAM。該DSP采用先進(jìn)的超長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)，每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行8條指令；有2個(gè)擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口（EMIF），總線寬度分別為64bit（EMIFA）和16bit（EMIFB），可以與異步/同步存儲(chǔ)器無(wú)縫連接，最大可尋址范圍為1.2GB；具有擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器（EDMA），可以提供64條獨(dú)立的DMA通道。

每片DSP連接大容量SDRAM和FLASH存儲(chǔ)芯片。SDRAM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)圖像和算法數(shù)據(jù)，為DSP運(yùn)行復(fù)雜圖像處理算法提供保證。FLASH存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)和配置參數(shù)。由FPGA構(gòu)建雙口RAM進(jìn)行雙DSP之間通訊。

FPGA主要完成構(gòu)建多種接口，包括雙口RAM和RS422接口，實(shí)現(xiàn)圖像處理系統(tǒng)與上位機(jī)和測(cè)試設(shè)備之間的通訊。同時(shí)FPGA實(shí)現(xiàn)功能還包括：圖像采集，字符疊加，視頻顯示等。

圖3 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的流程簡(jiǎn)圖

圖4 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

兩片DSP均通過(guò)行場(chǎng)同步觸發(fā)EDMA通道，接收FPGA采集的數(shù)字圖像，并以乒乓方式存儲(chǔ)在外部SDRAM存儲(chǔ)器內(nèi)。EDMA通道完成一場(chǎng)圖像采集后，產(chǎn)生軟中斷通知DSP可對(duì)已存儲(chǔ)圖像進(jìn)行處理。通過(guò)這種硬件和數(shù)據(jù)流構(gòu)架，雙DSP可并行對(duì)同一幅圖像進(jìn)行處理，滿(mǎn)足了跟蹤和識(shí)別模塊并行工作的需求。

通過(guò)對(duì)圖像處理系統(tǒng)處理性能測(cè)試，圖像處理場(chǎng)頻達(dá)到了50場(chǎng)/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中研制的圖像處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了多次外場(chǎng)試驗(yàn)。圖5是實(shí)際外場(chǎng)試驗(yàn)的圖像數(shù)據(jù)，產(chǎn)品架設(shè)高度約為30m，紅外探測(cè)器為中波紅外探測(cè)器。圖5(a)～圖5(c)是多種場(chǎng)景下系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別捕獲目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)。從圖5中可以看出，圖像處理系統(tǒng)能適應(yīng)多種海面背景，能適應(yīng)黑白不同極性的目標(biāo)特性。

圖6是動(dòng)態(tài)快速逼近仿真試驗(yàn)的截圖。視頻數(shù)據(jù)采集時(shí)：產(chǎn)品架設(shè)高度為5～6m，目標(biāo)艦船由遠(yuǎn)及近逐漸逼近。對(duì)采集到的視頻進(jìn)行抽幀處理，模擬導(dǎo)彈快速逼近，驗(yàn)證圖像處理系統(tǒng)跟蹤性能。圖6(a)～圖6(d)分別是目標(biāo)艦從遠(yuǎn)及近的跟蹤圖像數(shù)據(jù)截圖。通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了在目標(biāo)快速逼近過(guò)程中，圖像處理系統(tǒng)能連續(xù)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖5 外場(chǎng)試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)

圖6 動(dòng)態(tài)逼近試驗(yàn)截圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了一種對(duì)海紅外圖像處理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。該圖像處理系統(tǒng)采用了雙DSP＋FPGA的硬件構(gòu)架，目標(biāo)識(shí)別和跟蹤并行處理的軟件構(gòu)架，充分融合了跟蹤和識(shí)別的信息。經(jīng)過(guò)了多次外場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)能可靠檢測(cè)識(shí)別艦船目標(biāo)，可連續(xù)穩(wěn)定跟蹤不同距離的艦船目標(biāo)，適應(yīng)多種復(fù)雜外場(chǎng)環(huán)境。

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Design and Implementation of an Infrared ImageProcessing System under Sea and Sky Background

DAI Jun，TANG Xiangcheng，GAO Zhifeng

(,610041,)

The characters of IR image under sea and the technical difficulties of image processing of which are analyzed. An infrared image processing system, which could automatically detect and track ship targets under sea and sky background, is introduced. First, the design of system software based on parallel processing of target tracking and detecting algorithms is introduced. The design fully fuses the processing information of tracking and detection model. Then, the system is implemented on the framework of double DSPs and FPGA. In the system, DSPs are used as core processing units, and FPGA is used as control unit. Finally, the practical experiments demonstrate the infrared image processing system has good real-time performance and adaptability.

infrared image，image process，DSP

TN216

A

1001-8891(2016)02-0121-05

2015-10-16；

2016-01-05.

戴軍（1972-），女，浙江杭州人，高級(jí)工程師，主要從事圖像處理領(lǐng)域的研究工作，E-mail：hyxdaijun@163.com。