基于DSP和FPGA的紅外小目標(biāo)檢測系統(tǒng)

劉穎彬

摘 要

為了解決紅外小目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性和實時性問題，本文研究了一種基于DSP和FPGA的目標(biāo)檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)由高速DSP（TMS320C6416）和FPGA搭建硬件處理平臺，在該硬件系統(tǒng)上加入基于目標(biāo)增強(qiáng)的目標(biāo)檢測算法，提高目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性。通過一系列的實驗，驗證了該目標(biāo)檢測算法，在紅外小目標(biāo)檢測中有很好的效果，滿足目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性和實時性要求。

【關(guān)鍵詞】DSP FPGA 目標(biāo)增強(qiáng) 目標(biāo)提取

1 引言

紅外成像具有動態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)，晝夜可辨等相對傳統(tǒng)光電成像技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，使得紅外成像技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。在快速發(fā)展的紅外成像技術(shù)中，對紅外小目標(biāo)的檢測成為當(dāng)下研究的一個重點(diǎn)課題。

本文構(gòu)建的紅外小目標(biāo)的檢測系統(tǒng)，采用高速DSP（TMS320C6416）和FPGA搭建硬件處理平臺，整個硬件構(gòu)架滿足了紅外圖像的實時采集和算法處理的要求，嵌入目標(biāo)檢測算法實現(xiàn)對紅外目標(biāo)的實時檢測。該檢測算法是基于目標(biāo)增強(qiáng)的目標(biāo)提取算法，算法包含圖像行陣列相減的目標(biāo)增強(qiáng)和區(qū)域生長的分割提取兩部分組成，實現(xiàn)了紅外目標(biāo)的檢測，滿足了檢測系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性的要求。

2 硬件設(shè)計

本文的紅外目標(biāo)檢測系統(tǒng)的硬件平臺是基于TMS320C6000系列的dspC6416和FPGA組成的系統(tǒng)。在系統(tǒng)中高速DSP占據(jù)著十分重要的地位，采用的TMS320C6000系列包含TMS320C62xx和TMS320C64xx兩個定點(diǎn)系列和TMS320C67xx浮點(diǎn)系列。該系列芯片內(nèi)部是由CPU、存儲器和外部設(shè)備組成。文中采用的TMS320C6416定點(diǎn)高性能數(shù)字信號處理器，擁有8個并行處理單元，工作頻率為600Hz，其最高的處理速度達(dá)4800M/S。在一個指令周期內(nèi)可以同時執(zhí)行8條32位的指令，結(jié)合FPGA和外置SDRAM，實現(xiàn)紅外圖像數(shù)據(jù)幀的采集、處理和輸出，完全滿足實時檢測的需要。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 檢測算法設(shè)計

本文的基于目標(biāo)增強(qiáng)的目標(biāo)檢測算法由目標(biāo)增強(qiáng)和分割提取兩部分組成，首先采用圖像陣列的行相減，實現(xiàn)目標(biāo)的增強(qiáng)，抑制背景噪聲，然后再結(jié)合區(qū)域生長算法提取出目標(biāo)，完成檢測算法的實現(xiàn)。

3.1 目標(biāo)的增強(qiáng)

由于紅外圖像顯示的是場景目標(biāo)的熱輻射特性，紅外目標(biāo)的增強(qiáng)也可以理解成對背景的抑制，在大氣環(huán)境中，其輻射特性也就是溫度特性是隨著海拔的升高而降低，然而在同一視角下，熱輻射差異較小，反應(yīng)在圖像數(shù)據(jù)幀上，即行與行之間的差異較小，利用這一特性，同一行的像素值與同行的灰度均值相減，可以很好的抑制大氣背景中的云和物體，算法公式如下所示：

經(jīng)過目標(biāo)增強(qiáng)后的圖像數(shù)據(jù)，采用區(qū)域生長的算法提取目標(biāo)。區(qū)域生長算法是根據(jù)定義的生長規(guī)則，把像素或子區(qū)域集合成較大區(qū)域的處理方法。本文這里，結(jié)合增強(qiáng)處理后的紅外目標(biāo)的圖像特性，即目標(biāo)灰度值較高且目標(biāo)面積較小來設(shè)置生長準(zhǔn)則，提取出目標(biāo)

結(jié)合了目標(biāo)和背景在紅外圖像中的特性，在文中的硬件平臺上嵌入上述基于目標(biāo)增強(qiáng)的目標(biāo)檢測算法，能很好的檢測出紅外圖像中的小目標(biāo)，滿足了檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性的要求。

4 實驗驗證

本實驗基于TMS320C6416和FPGA的硬件平臺，將文中的目標(biāo)檢測算法利用CCS3.3實現(xiàn)代碼編程，對紅外傳感器采集的圖像實時處理和輸出，圖2是對320X256視頻幀的原圖截取和小目標(biāo)提取后的效果圖，可以看出圖中的目標(biāo)被很好的提取出來，滿足目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性和實時性的要求。

5 總結(jié)

本文基于高速DSP和FPGA的硬件結(jié)構(gòu)的紅外目標(biāo)檢測系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)且滿足系統(tǒng)的實時性要求，嵌入基于目標(biāo)增強(qiáng)的目標(biāo)檢測算法。經(jīng)過實驗驗證文中構(gòu)建的系統(tǒng)提高了紅外小目標(biāo)的檢測準(zhǔn)確性，同時滿足實時檢測的要求。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家實驗室 湖北省武漢市 430073