用于海洋搜救的多片DSP影像處理識別系統的實現

 

用于海洋搜救的多片DSP影像處理識別系統的實現

[日期：2008-7-25]

來源：中電網  作者：煙台大學光電學院 畢 文 邵左文 許 兵

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引言

海上搜救服務是國家應急救援體系的重要組成部分，也是國家經濟發展的重要保障。採用先進的搜尋系統是提高搜救行動有效性的重要手段之一。通常情況下搜尋系統採用雷達或者光電成像系統，因為光映像感應器具有很高的解析度，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。而紅外映像感應器具有穿透煙、霧、霾、雪等能力，可彌補這一不足，因此採用紅外、可見光成像和DSP影像處理系統構成的光電搜尋系統。

根據海洋搜救的性質，該系統應具備以下基本能力：

·較高的可疑目標檢測能力；

·較高的海洋背景抗幹擾能力；

·具有一定的目標識別和跟蹤能力。

基於以上考慮，本文設計了由二片TMS320F2812和八片TMS320C6416T構成的影像處理系統。

系統指標要求

·可見光視頻輸入：CCIR/EIA或PAL/NTSC視頻訊號

·紅外視頻輸入：CCIR/EIA

·視頻輸出：VGA或標準視頻輸出

·視頻AD轉換精度：12bit

·視頻顯示DA轉換精度：10bit

·影像處理畫面播放速率：大於30Hz

·可檢測“目標”的最小象素數：3×3

系統方案

系統框圖1所示。

採用TMS320F2812實現視頻採集，通過XINTF介面與多片6416-HPI介面串連，實現映像資料轉送。各6416採取流水工作模式，通過EMIFB介面輸出處理後的映像資料，經過顯示電路，由監視器顯示輸出映像。

系統採用可拓展結構，可根據實際需要確定6416影像處理單元數目。通常採用四個或八個6416影像處理單元。

系統軟體對映像資料進行濾波和邊緣檢測，檢測可疑目標並進行識別。

單視頻輸入時，可選擇四個或八個6416影像處理單元構成影像處理機 。

雙視頻輸入工作時序圖2所示。每個視頻通道擁有四個6416影像處理單元，分別採用流水工作模式，每片6416處理一幅映像的最大周期為4幀，兩組的處理結果輸出給映像顯示模組處理。

系統硬體設計

硬體系統由三部分組成：視頻採集電路、影像處理電路及顯示電路。硬體設計總體框圖3所示。

視頻採集電路

基於2812-DSP的視頻訊號採集原理框圖4所示，其中包括視頻預先處理模組和2812 模組。視頻預先處理模組包括Y/C分離、電平鉗位、同步分離、幅度調整處理電路。2812-DSP片上A/D以12.5M的速度採集視頻訊號，達到了極限採樣速率(採樣間隔時間為80ns)。

Y/C分離、視頻鉗位、同步分離電路原理圖見圖5。

TMS320C6416T子模組

此模組是本系統處理部分的核心模組。按照通用性強、介面清晰簡捷、資源引出最大化、兼顧構建多6416系統的設計思想來設計6416子模組，6所示。通過EMIFA介面擴充了兩片4M×32bit SDRAM, 可一次讀寫64bit資料。

映像傳輸介面設計

映像資料通過2812-DSP-XINTF(16bit)/6416-DSP-HPI(32bit)介面傳輸，採用一片CPLD將2812-DSP兩次輸出結果拼接成32bit。最佳化2812-DSP-XINTF寄存器可使HPI介面傳輸速率達到最大。對XINTF寄存器的具體最佳化值見表1。

映像顯示

採用VGA監視器顯示影像處理結果。標準SVGA介面訊號包括：行同步訊號（VGA_Hs）、場同步訊號（VGA_Vs）以及紅、綠、藍三路類比訊號。VGA所需的時序同步訊號由CPLD產生，所需的類比訊號由視頻D/A轉換器ADV7123實現。顯示介面電路框圖7所示。

由CPLD對各個6416影像處理單中繼資料輸出介面(EMIFB)匯流排進行匯流排仲裁，實現各個6416單元的映像資料分時輸出。

兩片採用“乒乓存取”工作方式的SRAM組成了映像資料緩衝區，每片SRAM存放一幀映像，由CPLD控制。

系統軟體設計

系統軟體流程圖8所示。分為三個主要部分：映像預先處理、可疑目標提取及目標識別。

映像預先處理

映像濾波(多模板複合濾波演算法)

對比常用的多種濾波演算法，其共同特徵是：某種濾波演算法只對部分雜訊有效；在較好地抑制雜訊的同時，難以保持映像清晰度。而採用多模板複合濾波演算法，可較好地解決這一問題，為邊緣提取奠定了基礎。

邊緣檢測(改進的sobel運算元)

常用邊緣檢測演算法受海面波紋的影響較為嚴重。相比之下，sobel運算元效果較好，但也存在漏檢邊緣點的情況。本演算法在傳統sobel運算元兩個模板的基礎上，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，然後取其中最大值替代該像素的值。

這種改進的sobel運算元使得邊緣檢測更加準確，但處理一幀映像的運算量較大。採用改進的sobel運算元進行映像邊緣檢測處理後，將映像二值化。改進的sobel運算元不但檢測出了全部可疑目標，並且受海浪的影響較小。

可疑目標提取與跟蹤

為減少運算資料量，採用二次標記的方法提取可疑目標：

·利用貼標籤演算法進行預標記，統計出物體數目並記錄其所在位置；

·根據上位機提供的模板資訊，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（一般是指象素數較少的小目標）達到一定的象素數後，採用Hu不變矩特徵對可疑目標進行目標識別。

對數位影像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。映像的（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)處不變矩的相關值。取A值最大處對應的點作為匹配點。

由於不變矩描述的是映像的統計特性，滿足對平移、伸縮、旋轉等變化的不變性，因而廣泛應用於Image Recognition等領域。該演算法的不足之處是計算量大。而僅僅處理局部可疑目的地區域映像資料的方法，可以大大減少資料運算量。對識別後的目標加框並跟蹤。

結論

·成功實現了用于海洋搜救的多片DSP影像處理識別系統；

·成功實現了2812視頻資料擷取；

·系統硬體的可拓展性增強了系統的通用性；

·軟體演算法實際應用效果明顯。

該系統（PCB板見圖9）還可實現對搜救目標的被動測距、可見光和長波紅外映像的雙波段映像融合等功能。另外，系統的強大處理能力和儲存空間，使其能在數位影像處理領域發揮更大作用。