摘 要:小目標(biāo)檢測與硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)是決定精確制導(dǎo)武器性能的關(guān)鍵技術(shù)之一,其難點(diǎn)在于如何解決運(yùn)算量大、實(shí)時性要求高與系統(tǒng)小型化要求之間的矛盾。選取了動態(tài)規(guī)劃小目標(biāo)檢測算法,分析了其算法特點(diǎn)與資源需求,在此基礎(chǔ)上提出并實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式PowerPC處理器硬核的SOPC解決方案。系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果證明,這一設(shè)計方案能夠?qū)崟r完成小目標(biāo)檢測的任務(wù)。
1 引 言
小目標(biāo)檢測系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)探測器獲取的圖像序列實(shí)時地把小目標(biāo)從噪聲中檢測出來,它的實(shí)現(xiàn)是目標(biāo)識別跟蹤的前提和基礎(chǔ)。小目標(biāo)檢測需要對探測到的圖像進(jìn)行實(shí)時處理,運(yùn)算量巨大。另外,特殊的應(yīng)用環(huán)境又對小目標(biāo)檢測系統(tǒng)在低功耗、輕小型化等方面提出了更高的要求。因此,完成小目標(biāo)檢測任務(wù)不僅需要尋求合理的小目標(biāo)檢測算法,在實(shí)現(xiàn)時還需要考慮處理性能和體積功耗。
2 DPA算法簡介
探測器與目標(biāo)較遠(yuǎn)時,目標(biāo)在紅外圖像上的成像面積很小,一般不超過探測器像元的大小,因此表現(xiàn)為小目標(biāo),而且圖像信噪比很低。低信噪比條件下的小目標(biāo)檢測,首先要解決的是目標(biāo)能量積累的問題。基于動態(tài)規(guī)劃的能量累加算法(DPA算法)可以對小目標(biāo)進(jìn)行有效的能量積累。如圖1所示,DPA算法主要包括三個部分: ①基于動態(tài)規(guī)劃的小目標(biāo)能量累加; ②門限分割; ③基于軌跡關(guān)聯(lián)與置信度檢驗(yàn)的目標(biāo)軌跡處理,下面對這三部分進(jìn)行簡單介紹。
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圖1 小目標(biāo)檢測算法結(jié)構(gòu)圖
基于動態(tài)規(guī)劃(DP)的能量累加算法是一種典型的先跟蹤后檢測算法。在多幀圖像序列中首先估計目標(biāo)的運(yùn)動軌跡,沿軌跡進(jìn)行目標(biāo)能量積累,然后對能量積累后獲得的圖像進(jìn)行檢測判決。由于目標(biāo)能量在不同幀之間是相關(guān)的,而噪聲在不同幀之間是不相關(guān)的,因此沿目標(biāo)軌跡上的能量積累將大于非目標(biāo)軌跡上的能量積累,能量積累后的圖像有效提高了信噪比,從而獲得較好的檢測性能。
經(jīng)過動態(tài)規(guī)劃能量累加后的圖像為灰度累加和圖像,此時目標(biāo)點(diǎn)的能量遠(yuǎn)大于噪聲,因此可以根據(jù)某一準(zhǔn)則確定分割門限,剔除絕大部分噪聲軌跡點(diǎn),獲得候選目標(biāo)點(diǎn)集,進(jìn)而完成目標(biāo)檢測。
經(jīng)過目標(biāo)能量累加和恒虛警門限分割后,得到候選目標(biāo)集。從這些候選目標(biāo)集中找到真實(shí)目標(biāo)的軌跡,共需要四部分的工作:新軌跡的建立、軌跡關(guān)聯(lián)匹配、目標(biāo)軌跡狀態(tài)預(yù)測、滑動軌跡置信度檢驗(yàn)。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)前面對小目標(biāo)檢測算法的特點(diǎn)分析,動態(tài)小目標(biāo)能量累加算法操作簡單,運(yùn)算量大,處理時間要求嚴(yán)格,適合用硬件實(shí)現(xiàn);而軌跡關(guān)聯(lián)算法操作復(fù)雜,但處理的數(shù)據(jù)量小、時間相對寬裕,適合用軟件來實(shí)現(xiàn)。在綜合考慮了系統(tǒng)的體積、功耗、穩(wěn)定性等因素后,最終選取了SOPC的實(shí)現(xiàn)方案,將整個系統(tǒng)集成于一塊核心芯片———Virtex - 4 FPGA上。能量累加由構(gòu)建于FPGA內(nèi)部的專用硬件子系統(tǒng)來完成;軌跡關(guān)聯(lián)部分則由Virtex - 4 FPGA內(nèi)嵌的PowerPC405處理器來完成。
小目標(biāo)檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 小目標(biāo)檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
3. 1 專用硬件子系統(tǒng)設(shè)計
專用硬件子系統(tǒng)主要由6個模塊組成:能量累加模塊、累加值統(tǒng)計模塊、存儲器接口模塊、PPC接口模塊, F IFO模塊、計數(shù)模塊。如圖3所示。
圖3 專用硬件子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
·能量累加模塊:完成能量累加;·存儲器接口模塊:完成與外部存儲器的接口工作,控制外部存儲器讀出與存儲中間累加結(jié)果;·累加值統(tǒng)計模塊:對能量累加后的中間累加值進(jìn)行統(tǒng)計,計算灰度累加和以及灰度平方和,然后根據(jù)PowerPC微處理器傳輸?shù)拈T限,對圖像進(jìn)行門限分割,對于超過門限的像素點(diǎn),把該點(diǎn)的位置信息寫到ZBT SRAM的相應(yīng)地址空間;·PPC接口模塊:完成FPGA 與PowerPC微處理器之間的接口工作。在系統(tǒng)運(yùn)行之初,把PowerPC微處理器系統(tǒng)發(fā)出的控制命令信號以及PowerPC微處理器系統(tǒng)計算好的分割門限值寫到專用硬件子系統(tǒng)相應(yīng)的寄存器里,在圖像分割好后,給PowerPC微處理器發(fā)中斷,然后PowerPC會以中斷響應(yīng)的方式把ZBT SRAM中的候選點(diǎn)位置信息讀到PowerPC微處理器系統(tǒng)的DDR SDRAM中;·FIFO模塊:能量累加模塊輸出的灰度累加結(jié)果經(jīng)過一個行FIFO 后寫到ZBT SRAM里,更新第N - 1幀累加數(shù)據(jù)為第N幀累加數(shù)據(jù);·計數(shù)模塊:接收外部的幀同步信號( Fsyn) 、數(shù)據(jù)時鐘(Dclk)信號,對其進(jìn)行計數(shù),從而產(chǎn)生控制所有其它模塊的控制信號。
3. 2 微處理器子系統(tǒng)設(shè)計
PowerPC微處理器子系統(tǒng)以PowerPC微處理器硬核為核心,通過處理器局部總線( PLB)與片內(nèi)塊RAM連接,進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸;通過OPB總線與外圍慢速設(shè)備進(jìn)行交互,外設(shè)通過相應(yīng)的外設(shè)接口IP控制器與總線互連。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求,需要用到的外設(shè)接口IP主要有: GPIO控制器(用于外部中斷信號輸入、控制命令輸出以及單個數(shù)據(jù)的傳輸)、EMC接口控制器(訪問外部ZBT SRAM)、DDR SDRAM控制器(控制DDR SDRAM)、UART控制器(與上位機(jī)通信,便于調(diào)試和產(chǎn)生按鍵輸入中斷控制系統(tǒng)功能)、Timer定時器/計數(shù)器(對軌跡關(guān)聯(lián)及門限值求取的處理時間進(jìn)行監(jiān)控)、INTR中斷控制器(多中斷輸入管理)等。系統(tǒng)組成如圖4所示。
圖4 PowerPC微處理器系統(tǒng)框圖
4 PowerPC微處理器子系統(tǒng)調(diào)試及分析
為了驗(yàn)證開發(fā)的應(yīng)用程序是否能實(shí)時實(shí)現(xiàn)軌跡關(guān)聯(lián),在應(yīng)用程序中設(shè)計一個生成候選點(diǎn)的圖像程序塊, 生成好這些處理對象, 然后利用計時器( timer) ,監(jiān)視處理完每一幀圖像消耗的時間,同時把PowerPC微處理器子系統(tǒng)檢測到的軌跡信息以及消耗的時間輸出在超級終端,以檢查PowerPC微處理器子系統(tǒng)的工作情況。
本次調(diào)試中,設(shè)計的每幀候選點(diǎn)圖像中都只包含兩個目標(biāo)點(diǎn),而且都按Vx = 1,Vy = 1的速率作勻速直線運(yùn)動。圖5給出一組軌跡關(guān)聯(lián)測試結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可知,系統(tǒng)處理一條軌跡長度超過15的軌跡平均耗時也不會超過0. 04ms。對于100幀/秒的輸入圖像數(shù)據(jù),經(jīng)過5幀一階段的能量累加過后,得到的候選點(diǎn)圖像幀頻為20幀/秒。假設(shè)一幀候選點(diǎn)圖像包含300個候選點(diǎn),則可以設(shè)置軌跡關(guān)聯(lián)最大預(yù)設(shè)軌跡數(shù)為1000,那么, 1000條軌跡的關(guān)聯(lián)處理不會超過40ms,還在候選點(diǎn)圖像幀周期之內(nèi)。所以PowerPC完全能夠?qū)崟r完成軌跡關(guān)聯(lián)任務(wù)。
圖5 軌跡關(guān)聯(lián)測試結(jié)果圖
5 結(jié) 論
經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證, 本設(shè)計達(dá)到了預(yù)期效果。基于PowerPC的小目標(biāo)檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)檢測,而且硬件資源的余量以及處理器處理能力的潛力都為系統(tǒng)改進(jìn)和升級提供了可能。