應(yīng)用于海洋搜救的DSP圖像處理識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

使用營救隊(duì)伍和設(shè)備尋找和營救海上遇難人員的活動。由國家參加的一種國際協(xié)作。世界上每年約有400艘船舶遇險(xiǎn)，國際社會對搜救工作的重要性和道義責(zé)任極為重視并制訂了許多公約和規(guī)定。1979年4月政府間海事協(xié)商組織在漢堡會議上通過了《1979年國際海上搜尋救助公約》，從而使各國救助機(jī)構(gòu)與救援的船舶有了共同遵守的行動準(zhǔn)則和實(shí)施搜救的具體程序。當(dāng)遇險(xiǎn)船舶發(fā)出遇險(xiǎn)信號時(shí)，無論臨近船舶還是海岸電臺，都必須按上述公約通知臨近的國家救助機(jī)構(gòu)進(jìn)行救助，與難船臨近的船舶應(yīng)急速駛往難船施救。當(dāng)難船沒有無線電示位標(biāo)時(shí)，首先要按求救時(shí)的船位抵達(dá)現(xiàn)場并據(jù)風(fēng)、流等情況，確定搜尋基點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心，以長10海里的正方形為開始搜尋區(qū)，搜尋方式視施救船舶與裝備情況，可采用單船方形和扇形擴(kuò)展搜尋，多只船平行搜尋，海、空協(xié)作搜尋等方法進(jìn)行。

根據(jù)海洋搜救的性質(zhì)，該系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本能力：

·較高的可疑目標(biāo)檢測能力；

·較高的海洋背景抗干擾能力；

·具有一定的目標(biāo)識別和跟蹤能力。

基于以上考慮，本文設(shè)計(jì)了由二片TMS320F2812和八片TMS320C6416T構(gòu)成的圖像處理系統(tǒng)。

系統(tǒng)指標(biāo)要求

·可見光視頻輸入：CCIR/EIA或PAL/NTSC視頻信號

·紅外視頻輸入：CCIR/EIA

·視頻輸出：VGA或標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出

·視頻AD轉(zhuǎn)換精度：12bit

·視頻顯示DA轉(zhuǎn)換精度：10bit

·圖像處理幀速率：大于30Hz

·可檢測“目標(biāo)”的最小象素?cái)?shù)：3×3

系統(tǒng)方案

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)視頻采集，通過XINTF接口與多片6416-HPI接口連接，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸。各6416采取流水工作模式，通過EMIFB接口輸出處理后的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過顯示電路，由監(jiān)視器顯示輸出圖像。

系統(tǒng)采用可拓展結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際需要確定6416圖像處理單元數(shù)目。通常采用四個(gè)或八個(gè)6416圖像處理單元。

系統(tǒng)軟件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和邊緣檢測，檢測可疑目標(biāo)并進(jìn)行識別。

單視頻輸入時(shí)，可選擇四個(gè)或八個(gè)6416圖像處理單元構(gòu)成圖像處理機(jī) 。

雙視頻輸入工作時(shí)序圖如圖2所示。每個(gè)視頻通道擁有四個(gè)6416圖像處理單元，分別采用流水工作模式，每片6416處理一幅圖像的最大周期為4幀，兩組的處理結(jié)果輸出給圖像顯示模塊處理。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由三部分組成：視頻采集電路、圖像處理電路及顯示電路。硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖3所示。

視頻采集電路

視頻采集（Video Capture）把模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻，并按數(shù)字視頻文件的格式保存下來。所謂視頻采集就是將模擬攝像機(jī)、錄像機(jī)、LD視盤機(jī)、電視機(jī)輸出的視頻信號，通過專用的模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信息的過程。在視頻采集工作中，視頻采集卡是主要設(shè)備，它分為專業(yè)和家用兩個(gè)級別。專業(yè)級視頻采集卡不僅可以進(jìn)行視頻采集，并且還可以實(shí)現(xiàn)硬件級的視頻壓縮和視頻編輯。家用級的視頻采集卡只能做到視頻采集和初步的硬件級壓縮，而更為"低端"的電視卡，雖可進(jìn)行視頻的采集，但它通常都省卻了硬件級的視頻壓縮功能。

基于2812-DSP的視頻信號采集原理框圖如圖4所示，其中包括視頻預(yù)處理模塊和2812 模塊。視頻預(yù)處理模塊包括Y/C分離、電平鉗位、同步分離、幅度調(diào)整處理電路。2812-DSP片上A/D以12.5M的速度采集視頻信號，達(dá)到了極限采樣速率(采樣間隔時(shí)間為80ns)。

Y/C分離、視頻鉗位、同步分離電路原理圖見圖5。

TMS320C6416T子模塊

此模塊是本系統(tǒng)處理部分的核心模塊。按照通用性強(qiáng)、接口清晰簡捷、資源引出最大化、兼顧構(gòu)建多6416系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想來設(shè)計(jì)6416子模塊，如圖6所示。通過EMIFA接口擴(kuò)展了兩片4M×32bit SDRAM, 可一次讀寫64bit數(shù)據(jù)。

圖像傳輸接口設(shè)計(jì)

圖像可以定義為景物在某種介質(zhì)上的再現(xiàn)，例如圖片、電影、傳真、電視等介質(zhì)都可以使們獲得圖像信息。把圖像信息傳送到遠(yuǎn)方或是存儲圖像信息的過程，統(tǒng)稱為圖像傳輸。

圖像數(shù)據(jù)通過2812-DSP-XINTF(16bit)/6416-DSP-HPI(32bit)接口傳輸，采用一片CPLD將2812-DSP兩次輸出結(jié)果拼接成32bit。優(yōu)化2812-DSP-XINTF寄存器可使HPI接口傳輸速率達(dá)到最大。對XINTF寄存器的具體優(yōu)化值見表1。

圖像顯示

采用VGA監(jiān)視器顯示圖像處理結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)SVGA接口信號包括：行同步信號（VGA_Hs）、場同步信號（VGA_Vs）以及紅、綠、藍(lán)三路模擬信號。VGA所需的時(shí)序同步信號由CPLD產(chǎn)生，所需的模擬信號由視頻D/A轉(zhuǎn)換器ADV7123實(shí)現(xiàn)。顯示接口電路框圖如圖7所示。

由CPLD對各個(gè)6416圖像處理單元數(shù)據(jù)輸出接口(EMIFB)總線進(jìn)行總線仲裁，實(shí)現(xiàn)各個(gè)6416單元的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)輸出。

兩片采用“乒乓存取”工作方式的SRAM組成了圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每片SRAM存放一幀圖像，由CPLD控制。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。分為三個(gè)主要部分：圖像預(yù)處理、可疑目標(biāo)提取及目標(biāo)識別。

圖像預(yù)處理

圖像濾波(多模板復(fù)合濾波算法)

對比常用的多種濾波算法，其共同特征是：某種濾波算法只對部分噪聲有效；在較好地抑制噪聲的同時(shí)，難以保持圖像清晰度。而采用多模板復(fù)合濾波算法，可較好地解決這一問題，為邊緣提取奠定了基礎(chǔ)。

邊緣檢測(改進(jìn)的sobel算子)

常用邊緣檢測算法受海面波紋的影響較為嚴(yán)重。相比之下，sobel算子效果較好，但也存在漏檢邊緣點(diǎn)的情況。本算法在傳統(tǒng)sobel算子兩個(gè)模板的基礎(chǔ)上，增加了六個(gè)模板，用下述八個(gè)模板對每個(gè)像素分別進(jìn)行運(yùn)算，然后取其中最大值替代該像素的值。

這種改進(jìn)的sobel算子使得邊緣檢測更加準(zhǔn)確，但處理一幀圖像的運(yùn)算量較大。采用改進(jìn)的sobel算子進(jìn)行圖像邊緣檢測處理后，將圖像二值化。改進(jìn)的sobel算子不但檢測出了全部可疑目標(biāo)，并且受海浪的影響較小。

可疑目標(biāo)提取與跟蹤

為減少運(yùn)算數(shù)據(jù)量，采用二次標(biāo)記的方法提取可疑目標(biāo)：

·利用貼標(biāo)簽算法進(jìn)行預(yù)標(biāo)記，統(tǒng)計(jì)出物體數(shù)目并記錄其所在位置；

·根據(jù)上位機(jī)提供的模板信息，提取可疑目標(biāo)；

·進(jìn)行二次標(biāo)記，僅標(biāo)記已提取的可疑目標(biāo)；

·對提取出的可疑目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

目標(biāo)識別與跟蹤

當(dāng)提取的可疑目標(biāo)（一般是指象素?cái)?shù)較少的小目標(biāo)）達(dá)到一定的象素?cái)?shù)后，采用Hu不變矩特征對可疑目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)識別。

對數(shù)字圖像f(x，y)，p+q階矩(mpq)和中心矩(μpq)定義為

其中p和q是非負(fù)的整數(shù)。圖像的（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(gè)Hu不變矩組：

A(x，y)則為位置(x，y)處不變矩的相關(guān)值。取A值最大處對應(yīng)的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。

由于不變矩描述的是圖像的統(tǒng)計(jì)特性，滿足對平移、伸縮、旋轉(zhuǎn)等變化的不變性，因而廣泛應(yīng)用于圖像識別等領(lǐng)域。該算法的不足之處是計(jì)算量大。而僅僅處理局部可疑目標(biāo)區(qū)域圖像數(shù)據(jù)的方法，可以大大減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量。對識別后的目標(biāo)加框并跟蹤。

結(jié)論

·成功實(shí)現(xiàn)了用于海洋搜救的多片DSP圖像處理識別系統(tǒng)；

·成功實(shí)現(xiàn)了2812視頻數(shù)據(jù)采集；

·系統(tǒng)硬件的可拓展性增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性；

·軟件算法實(shí)際應(yīng)用效果明顯。

該系統(tǒng)（PCB板見圖9）還可實(shí)現(xiàn)對搜救目標(biāo)的被動測距、可見光和長波紅外圖像的雙波段圖像融合等功能。另外，系統(tǒng)的強(qiáng)大處理能力和存儲空間，使其能在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。