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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。采用先進的搜索系統是提高搜救行動有效性的重要手段之一。通常情況下搜索系統采用雷達或者光電成像系統，因為光圖像傳感器具有很高的分辨率，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。而紅外圖像傳感器具有穿透煙、霧、霾、雪等能力，可彌補這一不足，因此采用紅外、可見光成像和DSP圖像處理系統構成的光電搜索系統。 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； ·較高的海洋背景抗干擾能力； ·具有一定的目標識別和跟蹤能力。 基于以上考慮，本文設計了由二片TMS320F2812和八片TMS320C6416T構成的圖像處理系統。 系統指標要求 ·可見光視頻輸入：CCIR/EIA或PAL/NTSC視頻信號 ·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 ·圖像處理幀速率：大于30Hz ·可檢測“目標”的最小象素數：3×3 系統方案 系統框圖如圖1所示。 采用TMS320F2812實現視頻采集，通過XINTF接口與多片6416-HPI接口連接，實現圖像數據傳輸。各6416采取流水工作模式，通過EMIFB接口輸出處理后的圖像數據，經過顯示電路，由監視器顯示輸出圖像。 系統采用可拓展結構，可根據實際需要確定6416圖像處理單元數目。通常采用四個或八個6416圖像處理單元。 系統軟件對圖像數據進行濾波和邊緣檢測，檢測可疑目標并進行識別。 單視頻輸入時，可選擇四個或八個6416圖像處理單元構成圖像處理機 。 雙視頻輸入工作時序圖如圖2所示。每個視頻通道擁有四個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，兩組的處理結果輸出給圖像顯示模塊處理。 系統硬件設計 硬件系統由三部分組成：視頻采集電路、圖像處理電路及顯示電路。硬件設計總體框圖如圖3所示。 視頻采集電路 基于2812-DSP的視頻信號采集原理框圖如圖4所示，其中包括視頻預處理模塊和2812 模塊。視頻預處理模塊包括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的速度采集視頻信號，達到了極限采樣速率(采樣間隔時間為80ns)。 Y/C分離、視頻鉗位、同步分離電路原理圖見圖5。 TMS320C6416T子模塊 此模塊是本系統處理部分的核心模塊。按照通用性強、接口清晰簡捷、資源引出最大化、兼顧構建多6416系統的設計思想來設計6416子模塊，如圖6所示。通過EMIFA接口擴展了兩片4M×32bit SDRAM, 可一次讀寫64bit數據。 圖像傳輸接口設計 圖像數據通過2812-DSP-XINTF(16bit)/6416-DSP-HPI(32bit)接口傳輸，采用一片CPLD將2812-DSP兩次輸出結果拼接成32bit。優化2812-DSP-XINTF寄存器可使HPI接口傳輸速率達到最大。對XINTF寄存器的具體優化值見表1。 圖像顯示 采用VGA監視器顯示圖像處理結果。標準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、藍三路模擬信號。VGA所需的時序同步信號由CPLD產生，所需的模擬信號由視頻D/A轉換器ADV7123實現。顯示接口電路框圖如圖7所示。 由CPLD對各個6416圖像處理單元數據輸出接口(EMIFB)總線進行總線仲裁，實現各個6416單元的圖像數據分時輸出。 兩片采用“乒乓存取”工作方式的SRAM組成了圖像數據緩沖區，每片SRAM存放一幀圖像，由CPLD控制。 系統軟件設計 系統軟件流程圖如圖8所示。分為三個主要部分：圖像預處理、可疑目標提取及目標識別。 圖像預處理 圖像濾波(多模板復合濾波算法) 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，難以保持圖像清晰度。而采用多模板復合濾波算法，可較好地解決這一問題，為邊緣提取奠定了基礎。 邊緣檢測(改進的sobel算子) 常用邊緣檢測算法受海面波紋的影響較為嚴重。相比之下，sobel算子效果較好，但也存在漏檢邊緣點的情況。本算法在傳統sobel算子兩個模板的基礎上，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，然后取其中最大值替代該像素的值。 這種改進的sobel算子使得邊緣檢測更加準確，但處理一幀圖像的運算量較大。采用改進的sobel算子進行圖像邊緣檢測處理后，將圖像二值化。改進的sobel算子不但檢測出了全部可疑目標，并且受海浪的影響較小。 可疑目標提取與跟蹤 為減少運算數據量，采用二次標記的方法提取可疑目標： ·利用貼標簽算法進行預標記，統計出物體數目并記錄其所在位置； ·根據上位機提供的模板信息，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）達到一定的象素數后，采用Hu不變矩特征對可疑目標進行目標識別。 對數字圖像f(x，y)，p+q階矩(mpq)和中心矩(μpq)定義為 其中p和q是非負的整數。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。 由于不變矩描述的是圖像的統計特性，滿足對平移、伸縮、旋轉等變化的不變性，因而廣泛應用于圖像識別等領域。該算法的不足之處是計算量大。而僅僅處理局部可疑目標區域圖像數據的方法，可以大大減少數據運算量。對識別后的目標加框并跟蹤。 結論 ·成功實現了用于海洋搜救的多片DSP圖像處理識別系統； ·成功實現了2812視頻數據采集； ·系統硬件的可拓展性增強了系統的通用性； ·軟件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、可見光和長波紅外圖像的雙波段圖像融合等功能。另外，系統的強大處理能力和存儲空間，使其能在數字圖像處理領域發揮更大作用。 |
