1 引 言

紅外熱成像技術在軍事領域得到廣泛的應用。但是通常的熱成像系統的瞬時視場都很小，為了擴大視界通常采用光機掃描機構，掃描機構的引入使得系統結構復雜化。而且由于掃描速率的限制，容易造成目標動態信息的丟失。隨著紅外廣角鏡頭的出現，克服了光機掃描的缺點。此時，實時超大視場紅外圖像處理成為目標檢測、目標識別和目標跟蹤的關鍵技術。由于紅外鏡頭的視場角大，在像面上所成的紅外圖像產生了畸變和漸暈，使得目標在邊緣視場較中央視場信號微弱，需要對圖像進行畸變和漸暈的校正處理。在大視場紅外圖像處理的數據量大，實時紅外圖像處理系統必須具有高速的運算能力。本文采用DSP+FPGA結構設計的實時超大視場紅外圖像處理系統能夠滿足高速采樣數據流快速存取、快速運算的實時性要求。

2 系統主要芯片的功能特點

根據實時紅外圖像處理系統的要求，系統硬件結構中的DSP芯片選用了Ti 公司的TMS320C6414芯片，其具有強大的運算能力和出色的對外接口能力。該芯片CPU主頻為600MHz，數據處理能力峰值可達4800MIPS（每秒48億條指令）。采用了VelociT1.2結構，由8個相互獨立的功能單元構成。包含兩組通用寄存器組，每組含有32個32位寄存器。片內采用2級存儲器結構。芯片內部集成了多種外圍設備：擴展的直接存儲器訪問（EDMA），外部存儲器接口EMIFA（64bit）和EMIFB（16bit，主機口（HIP），3個多通道緩沖串口（McBSP），定時器等。

為協調各種不同功能芯片間的運作，并完成圖像預處理工作，減輕DSP的負擔。系統采用了Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列的XC2V2000芯片，系統門密度為2M，內嵌專用硬件乘法器，內嵌1008Kbit的Block RAM，可用來配置RAM、FIFO、雙口RAM，以及包含8個數字時鐘管理模塊（Digital Clock Manager DCM）其頻率范圍24MHz~420MHz。

3 系統的組成

3.1 系統數據流程

系統數據處理流程如圖1所示。首先，對輸入的數字視頻信號進行采集，提取有效的數據單元。接著，對采集到的數據進行圖像預處理。然后，進行圖像處理，完成檢測跟蹤算法，實現對目標的檢測與跟蹤。最后，輸出模擬視頻圖像到監視器，以便觀察跟蹤效果。

3.2 系統硬件結構

系統的硬件結構如圖2所示。主要由四部分組成：FPGA模塊，DSP模塊，擴展存儲模塊和模擬視頻輸出模塊構成。

（1） FPGA模塊：

系統采用了可編程芯片FPGA，協調各種具有不同功能芯片的運作。芯片內部結構框圖如圖3所示：

FPGA主要完成如下四方面工作：圖像采集，圖像預處理，配置輸入緩存及輸出緩存。

① 圖像采集：根據探測器輸出的數字視頻信號的場同步（Vsync），行同步（Hsync）以及主時鐘（MC），通過計數器計數判斷何時出現有效的數據單元，發送控制信號采集有效數據單元。

② 圖像預處理：對采集到的有效數據單元，進行高效率的圖像濾波預處理以除去系統噪聲。

③ 輸入緩存：該模塊是由FPGA的Block RAM 配置成輸入緩沖存儲器 。預處理后的有效數據單元，可以連續不間斷地寫入 。并通過 的半滿標志位（HF）觸發TMS320C6414的EMDA同步事件，使用EDMA控制器將原先所存儲的數據，通過PDT（Peripheral Device Transfer）的傳輸方式，直接將 中的存儲的數據以EDMA方式導入SDRAM中，以供后續的圖像處理。

④ 輸出緩存：該模塊也是由FPGA的Block RAM 配置成輸出緩沖存儲器 。外部產生的視頻特征信號觸發TMS320C6414 的EMDA通道，使得圖像數據從DSP片內數據存儲器向 傳輸。同時， 中以前存儲的數據在時鐘的作用下連續地被送往圖像輸出模塊進行編碼。

（2）DSP模塊：

本系統中采用主頻為600MHz的TMS320C6414芯片為核心，完成目標的檢測和跟蹤算法，其系統結構框圖如圖4所示：

DSP芯片主要完成如下功能：

① 通過EMIFA口，擴展數據存儲空間，存儲待處理的圖像數據；通過EMIFB 擴展程序存儲空間。

② 從外部數據存儲器SDRAM中調入圖像數據，運行系統的檢測和跟蹤算法，檢測運動目標，并確定其方位。

③ 根據運算結果，通過多通道緩沖串口0（McBSP0），控制伺服系統動作。

④ 通過多通道緩沖串口1（McBSP1），實現人機接口功能。

⑤ 與FPGA建立即時通信，實現系統程序模塊間的調度與協調。

（3）擴展存儲模塊：

主要擴展了外部數據存儲器SDRAM（MT48LC4M16A2）和外部程序存儲器FLASＨ（MBM29LV800TA），SDRAM是通過DSP的EMIFA口擴展的存儲空間，主要用來存儲待處理數字圖像，采用環形存儲結構，每次讀緩沖區，取到的總是未被讀取的最舊的一幀圖像。當緩沖區滿后，除非將其中的一些數據讀走，以空出空間，否則新的圖像幀將會丟失。FLASH　用于存儲跟蹤算法的應用程序及FPGA的配置文件，當DSP復位后則完成DSP的初始化，FPGA的配置并運行應用程序實現檢測和跟蹤功能。

（4）視頻輸出模塊：

通過EDMA方式，從DSP的片內數據存儲器將圖像數據調入輸出緩沖 ，從 不間斷地輸出數字單元至編碼器（SAA7120）進行編碼轉換模擬視頻信號，輸出到監視器，以便觀察圖像檢測與跟蹤算法的效果。

4 結論

本文使用高性能的DSP（TMS320C6414）和可編程邏輯器件FPGA（Virtex-Ⅱ系列的XC2V2000），結合了模塊化設計思想，設計了超大視場紅外目標實時檢測與跟蹤系統，該系統具有很好的重構性、實時性及可靠性。通過反復試驗表明，該實時紅外檢測系統對IR109機芯輸出的數字視頻信號（每場320×240有效像素，每個像素14bit，場頻50Hz）能夠進行實時處理，對超大視場中的運動點目標、面目標完成檢測和跟蹤功能。跟蹤無延時，主要技術指標均能滿足項目的要求，具有很好的應用前景。

責任編輯：gt