基于達(dá)芬奇技術(shù)的日面活動(dòng)圖像處理與識(shí)別系統(tǒng)

 收稿日期：2007-10-15；

修回日期：2008-02-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2006CB806301); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60673158)



作者簡(jiǎn)介：胡新華(1978-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，博士，主要研究方向?yàn)閳D像采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、數(shù)字圖像處理與識(shí)別算法的高性能DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)(hhflower22@gmail.com);鄧元勇(1965-)，男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)樘?yáng)物理、天文儀器;王先平(1977-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)架構(gòu)及其應(yīng)用.

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012； 2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院 北京 100049； 3.北京芯系嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)室 北京 100012）

摘要：針對(duì)日面活動(dòng)的多樣性和復(fù)雜性，采用高性能的數(shù)字視頻處理技術(shù)——達(dá)芬奇技術(shù)設(shè)計(jì)了日面活動(dòng)圖像處理與識(shí)別系統(tǒng)（SIPRS）。首先從SIPRS的系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，特別是對(duì)DM6437與數(shù)字相機(jī)MDC1004之間的接口進(jìn)行了詳細(xì)的分析；在軟件上按系統(tǒng)功能需求規(guī)劃出八個(gè)核心任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了SIPRS基于Web的遠(yuǎn)程系統(tǒng)配置及日面活動(dòng)圖像的預(yù)處理、處理和識(shí)別功能。整個(gè)系統(tǒng)采用高性能數(shù)字媒體處理器、優(yōu)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和優(yōu)化的圖像處理與識(shí)別算法，完全滿足太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡終端實(shí)時(shí)圖像處理的要求。

關(guān)鍵詞：達(dá)芬奇技術(shù)； DM6437； 數(shù)字相機(jī)； MDC-1004； 日面活動(dòng)圖像處理與識(shí)別系統(tǒng)； 日面活動(dòng)； 圖像處理與識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP391.4; TH751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2008)10-3165-04

Image processing and recognition system

based on DaVinci technology for solar activities

HU Xin-hua1，2 DENG Yuan-yong WANG Xian-ping3

(1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences Beijing 100012 China; 2.Graduate School Chinese Academy of-Sciences Beijing 100049 China; 3.Beijing Xinxi Embedded System Design House Beijing 100012 China)

Abstract:This paper designed an solar activities image processing and recognition system (SIPRS) for the diversity and complexity of the solar activities based on high-performance digital video processing technology: DaVinci technology. First analyzed system hardware design particularly analyzed the interface between digital cameras MDC1004 and DM6437. Second abstracted eight core tasks according to the demand of the system in system software design. Third implemented the Web-based remote system configuration and the image preprocessing processing and recognition on solar activities for the SIPRS. Experiments show that by using a high-performance digital media processor optimized real-time operating system and optimized algorithm of image processing and recognition the entire system can perfectly meet the requirements of the real-time solar image processing.

Key words：DaVinci technology; DM6437; digital cameras; MDC-1004; SIPRS; solar activities; image processing and re-cognition

0引言

在天文觀測(cè)領(lǐng)域中，根據(jù)不同的觀測(cè)內(nèi)容要求望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)具有不同的觀測(cè)能力。對(duì)于太陽(yáng)表面和太陽(yáng)大氣層中各種電磁活動(dòng)現(xiàn)象[1]的研究，需要針對(duì)各種爆發(fā)現(xiàn)象的特點(diǎn)提出相應(yīng)的觀測(cè)方法。日面爆發(fā)性活動(dòng)各有特點(diǎn)，如太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，它不同于太陽(yáng)表面的其他電磁活動(dòng)現(xiàn)象，是太陽(yáng)色球?qū)又芯植啃^(qū)域的突然發(fā)亮，并迅速增強(qiáng)的現(xiàn)象，也是各種太陽(yáng)活動(dòng)中對(duì)日地空間和地球環(huán)境影響最大的、最為劇烈的電磁活動(dòng)現(xiàn)象。雖然耀斑可持續(xù)存在幾個(gè)小時(shí)，但在它最開(kāi)始迅速形成的過(guò)程中（幾分鐘至十幾分鐘）蘊(yùn)涵著關(guān)鍵物理信息，可為耀斑機(jī)制的理論研究提供重要依據(jù)。由于太陽(yáng)耀斑爆發(fā)沒(méi)有固定的位置和形態(tài)，也很難從太陽(yáng)物理學(xué)上尋找其與日面其他電磁活動(dòng)現(xiàn)象的關(guān)系，耀斑爆發(fā)難以預(yù)測(cè)，造成在實(shí)際觀測(cè)中常常漏掉爆發(fā)活動(dòng)的最初始階段，為理論研究帶來(lái)不便。目前，國(guó)內(nèi)外天文學(xué)界仍沒(méi)有一套準(zhǔn)確預(yù)報(bào)耀斑發(fā)生位置、高度、大小及其后隨效應(yīng)的理論體系，因此觀測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別耀斑爆發(fā)、并準(zhǔn)確記錄耀斑迅速形成過(guò)程，將對(duì)太陽(yáng)耀斑機(jī)制的研究和太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)具有極其重要的意義。

國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地[2]擁有一套高時(shí)空分辨率、高靈敏度、適當(dāng)光譜分辨率和高科學(xué)含量的綜合望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，能同時(shí)測(cè)量太陽(yáng)上不同層次、不同尺度的視頻矢量磁場(chǎng)、速度場(chǎng)，以及通過(guò)光譜掃描獲得光譜線輪廓和Stokes參數(shù)輪廓，主要用于太陽(yáng)物理的基礎(chǔ)研究、日地關(guān)系應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)空間環(huán)境和通信干擾預(yù)報(bào)等應(yīng)用研究。其中口徑為14 cm、觀測(cè)波段為6 563 的Hα全日面望遠(yuǎn)鏡，可在日常觀測(cè)中對(duì)日面爆發(fā)性活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如對(duì)耀斑爆發(fā)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為滿足實(shí)時(shí)處理與識(shí)別的需求，Hα全日面望遠(yuǎn)鏡的終端圖像處理系統(tǒng)要具有以下功能：a)實(shí)時(shí)耀斑圖像采集，并對(duì)觀測(cè)圖像進(jìn)行分析與預(yù)處理；b)實(shí)時(shí)耀斑特征提取與識(shí)別；c)圖像的壓縮、存儲(chǔ)和傳輸。

針對(duì)上述太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡終端圖像處理系統(tǒng)的需求，本文采用TI公司最新一代高性能的數(shù)字視頻處理技術(shù)——達(dá)芬奇技術(shù)[3]研制了一套日面活動(dòng)高速圖像處理與識(shí)別系統(tǒng)（high-speed solar activities image processing and recognition system，SIPRS）。達(dá)芬奇技術(shù)是針對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行優(yōu)化，包括高性能數(shù)字信號(hào)處理片上系統(tǒng)、多媒體編解碼器、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序框架構(gòu)成的一整套開(kāi)放的數(shù)字音頻、圖像及視頻處理平臺(tái)。

1硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)框圖

太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)Hα全日面望遠(yuǎn)鏡在CCD相機(jī)上成像，相機(jī)選用IMPERX公司型號(hào)為MDC-1004的CCD相機(jī)，SIPRS通過(guò)串口（集成在Camera Link中）配置MDC-1004的各種工作模式和參數(shù)控制MDC-1004的電子快門(mén)和曝光，然后將MDC-1004采集所得的全日面圖像通過(guò)Camera Link讀入，再進(jìn)行圖像預(yù)處理、分析、耀斑特征提取和識(shí)別，并將原始圖像和結(jié)果圖像通過(guò)以太網(wǎng)傳送到高速存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)中。SIRPS還可接收遠(yuǎn)程Web瀏覽器的訪問(wèn)、配置和控制。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.2DM6437達(dá)芬奇處理器簡(jiǎn)介

SIPRS的核心是DM6437達(dá)芬奇處理器[4，5]。DM6437作為T(mén)I公司新一代高性能的數(shù)字媒體處理器，擁有以下出色的性能：

a)采用高性能的C64x+內(nèi)核、高達(dá)600 MHz的主頻、短至1.67 ns的指令周期，每個(gè)時(shí)鐘周期可并行執(zhí)行8個(gè)32 bit的C64x+指令，性能高達(dá)4 800 MIPS。

b)VelociTI.2超長(zhǎng)指令體系結(jié)構(gòu)，擁有8個(gè)獨(dú)立的功能單元，即6個(gè)ALU單元和2個(gè)乘法單元，非對(duì)齊的load-store存取架構(gòu)，支持字節(jié)尋址（8/16/32/64 bit的數(shù)據(jù)操作），支持位提取、置位和清零；靈活的尋址方式有力地支持了數(shù)字信號(hào)處理。

c)雙級(jí)緩存，32 KB的L1P程序緩存、80 KB的L1D數(shù)據(jù)緩存、128 KB統(tǒng)一編址的L2可靈活分配的緩存，可極大地提高程序性能。

d)功能豐富的視頻處理子系統(tǒng)。前端子系統(tǒng)支持CCD和CMOS圖像傳感器接口，實(shí)時(shí)圖像處理預(yù)覽引擎，對(duì)通用視頻解碼器的無(wú)縫接口，直方圖模塊，自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡和自動(dòng)對(duì)焦模塊，縮放模塊；后端子系統(tǒng)支持硬件在屏幕顯示（OSD），4個(gè)54 MHz的DAC支持復(fù)合NTSC/PAL視頻、S-video輸出和YPbPr及RGB分量輸出，8/16位YUV和24位RGB數(shù)字視頻輸出，HD分辨率，支持2個(gè)視頻窗口。

e)外部存儲(chǔ)器接口支持256 MB的DDR2 RAM內(nèi)存，64 MB的NOR Flash，可用于存儲(chǔ)和運(yùn)行實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)DSP/BIOS，復(fù)雜的音頻、圖像和視頻處理算法，復(fù)雜的用戶程序。

f)支持2個(gè)UART，可用于控制數(shù)字CCD相機(jī)，1個(gè)高端CAN用于構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，3個(gè)PWM輸出用于控制云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，多達(dá)111個(gè)GPIO引腳可用于特殊的控制，如數(shù)字相機(jī)的異步觸發(fā)，10/100 Mbps的以太網(wǎng)控制器用于與互聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)SIPRS的數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程配置和操作。

DM6437功能框圖[4，5]如圖2所示。

1.3SIPRS硬件框圖

SIPRS的核心子系統(tǒng)由一個(gè)主頻為600 MHz的DM6437達(dá)芬奇處理器，兩片MT47H64M16構(gòu)成的32位256 MB的DDR2 RAM，一片S29GL512N構(gòu)成的8位NOR Flash構(gòu)成。其功能子系統(tǒng)由兩部分組成：a)通過(guò)Channel Link芯片DS90LV048和LVDS收發(fā)器DS90C031BTM、DS90LV019TM構(gòu)成的Camera Link接口以及相機(jī)觸發(fā)輸入和脈沖輸出的兩條GPIO線，用于配置和控制MDC-1004并從中獲取圖像和狀態(tài)信息；b)采用以太網(wǎng)PHY DM9161A和帶隔離變壓器的RJ45 HR911105A構(gòu)成的10/100 Mbps以太網(wǎng)接口，用于向Big River TK200高速存儲(chǔ)回放系統(tǒng)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，接收Web瀏覽器的遠(yuǎn)程訪問(wèn)、配置和操作。SIPRS的硬件框圖如圖3所示。

1.4MDC-1004接口設(shè)計(jì)

限于篇幅，本文省略了SIPRS中DDR2 RAM、NOR Flash、以太網(wǎng)PHY、電源時(shí)鐘和復(fù)位等常見(jiàn)設(shè)計(jì)，只對(duì)SIPRS中的視頻接口——DM6437的視頻前端（VPFE）與MDC-1004數(shù)字相機(jī)之間的接口設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

MDC-1004[6]具有以下優(yōu)秀的性能和靈活的配置：

a)7.4×7.4 μm2的矩形像素大小，1004×1004像素高分辨率的逐行掃描單色CCD相機(jī)。

b)12 bit數(shù)字輸出，標(biāo)準(zhǔn)的Camera Link接口，最大分辨率下幀速可高達(dá)48 fps。

c)可編程的工作模式和工作參數(shù)，包括分辨率、幀速、曝光時(shí)間、電子快門(mén)、長(zhǎng)積分時(shí)間、Gamma校正、外部觸發(fā)、脈沖輸出、動(dòng)態(tài)范圍控制、增益和補(bǔ)償以及內(nèi)建的測(cè)試模式。

MDC-1004與SIPRS的接口有兩個(gè)，即相機(jī)數(shù)字信號(hào)接口和IO接口。其中，相機(jī)數(shù)字信號(hào)接口遵循基本Camera Link標(biāo)準(zhǔn)，提供視頻數(shù)據(jù)、同步信號(hào)、控制和串行通信；IO接口提供LVDS差分方式的一路觸發(fā)輸入和一路脈沖輸出。由于DM6437的視頻前端的可配置性[7]，MDC-1004與VPFE之間的連接映射[8]比較直接，如圖4所示。

圖4中的虛線箭頭表示對(duì)應(yīng)的信號(hào)需要按Camera Link規(guī)范采用Channel Link芯片和LVDS收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)連接；實(shí)線箭頭表示直連。其中，+TRIGGER IN與GP[50]之間需要串聯(lián)一個(gè)300 Ω的電阻；GP[51]需要用1 kΩ的電阻上拉，－TRIGGER IN和－STROBE OUT接地，這些IO接口信號(hào)在相機(jī)內(nèi)部已經(jīng)采用了光耦隔離，因此外部無(wú)須再采用隔離措施。

2軟件設(shè)計(jì)

SIPRS軟件開(kāi)發(fā)在CCS(code composer studio)3.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，采用與CCS無(wú)縫集成的DSP/BIOS[9]實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件運(yùn)行平臺(tái)，采用Framework Components作為應(yīng)用程序框架，采用XDAIS Developer’s Kit 和 Codec Engine 作為圖像處理和識(shí)別算法框架，采用BIOS/DDK[10]開(kāi)發(fā)外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，采用NDK(network developer’s kit)開(kāi)發(fā)Web服務(wù)程序[11]。運(yùn)用這些經(jīng)過(guò)TI公司針對(duì)其DSP特別優(yōu)化的軟件模塊，增強(qiáng)了SIPRS軟件的性能、可移植性和可維護(hù)性。

2.1SIPRS任務(wù)規(guī)劃

針對(duì)SIPRS的應(yīng)用需求，采用OOA（面向?qū)ο蠓治觯┖蚈OD（面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)）方法將SIPRS的實(shí)際任務(wù)映射到BIOS中的具體任務(wù)，結(jié)合Framework Components規(guī)劃出如表1所示的八個(gè)任務(wù)。

表1SIPRS任務(wù)描述

任務(wù)名稱任務(wù)描述

tskInitSIPRS系統(tǒng)初始化，讀取系統(tǒng)Flash配置區(qū)域，對(duì)各部件進(jìn)行配置，特別是MDC-1004的工作模式和工作參數(shù)；創(chuàng)建其余任務(wù)，然后刪除自己

tskCapture控制MDC-1004進(jìn)行太陽(yáng)觀測(cè)，獲取全日面太陽(yáng)圖像

tskPreprocess圖像預(yù)處理，去除圖像中的隨機(jī)噪聲和幾何畸變，提高信噪比，盡可能去除成像中的圖像退化，使圖像接近其真實(shí)對(duì)象

tskProcess圖像處理，直方圖統(tǒng)計(jì)，時(shí)域頻域信息分析

tskPattenRec太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象自動(dòng)識(shí)別：耀斑特征提取與識(shí)別

tskHTTPHTTP服務(wù)器遠(yuǎn)程交互信息處理，如SIPRS的遠(yuǎn)程訪問(wèn)、配置和操作

tskCompress去除圖像像素間的相關(guān)性或冗余，對(duì)觀測(cè)所得的圖像進(jìn)行無(wú)損壓縮

tskSend將觀測(cè)所得的原始?jí)嚎s圖像、識(shí)別處理后的圖像信息一起打包發(fā)送給Big River TK200高速存儲(chǔ)回放系統(tǒng)

上述八個(gè)任務(wù)占用三個(gè)優(yōu)先級(jí)。其中，tskInit優(yōu)先級(jí)為7最高，tskHTTP優(yōu)先級(jí)為5最低，其余六個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)居中為6。太陽(yáng)觀測(cè)圖像和相關(guān)信息以同步傳輸隊(duì)列和同步傳輸消息的形式在任務(wù)間進(jìn)行傳遞，任務(wù)通過(guò)BIOS驅(qū)動(dòng)程序來(lái)操作相應(yīng)的硬件，如MDC-1004、串口和以太網(wǎng)。

2.2Web配置設(shè)計(jì)

NDK包含硬件抽象層、網(wǎng)絡(luò)控制模塊、TCP/IP協(xié)議棧、DSP/BIOS操作系統(tǒng)抽象層和網(wǎng)絡(luò)工具五個(gè)庫(kù)，支持核心TCP/IP協(xié)議如TCP、UDP、ICMP、IGMP、IP、ARP及PPP，還支持HTTP、TELNET、TFTP、DHCP、DNS高層協(xié)議服務(wù)，采用Berkeley套接字做應(yīng)用程序編程接口，方便網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

采用NDK的HTTP高層協(xié)議服務(wù)，在SIPRS內(nèi)構(gòu)造了一個(gè)微型的Web服務(wù)器，通過(guò)Web瀏覽器如IE、Navigator和Firefox等即可遠(yuǎn)程訪問(wèn)、配置和操作SIPRS。其中的網(wǎng)頁(yè)以嵌入式文件系統(tǒng)存于NOR Flash中，tskHTTP作為CGI函數(shù)，處理來(lái)自瀏覽器的Post和Get請(qǐng)求，完成相應(yīng)的功能。為了使SIPRS更具有適應(yīng)性，盡可能將其有實(shí)用價(jià)值和可配置的參數(shù)提取出來(lái)，如表2所示。

表2SIPRS配置參數(shù)

配置對(duì)象配置參數(shù)參數(shù)取值范圍及說(shuō)明

MDC-1004輸出模式單輸出或雙輸出

數(shù)字相機(jī)分辨率最低1個(gè)像素，最高1 004×1 004

幀速a)一般情況下為曝光時(shí)間倒數(shù)，frame rate[fps]=1/exposure time [sec]

b)采用垂直圖像窗，可提高幀速，F(xiàn)R[fps]=1/[(7.2×10-6×(1010-WS))+60.83×10-6+(WS×TL)]。其中：WS為垂直窗尺寸；TL為有效行持續(xù)時(shí)間

c)長(zhǎng)時(shí)間積分，幀速＝1/積分時(shí)間

鏡像是否，僅對(duì)單輸出模式有效

垂直圖像窗垂直窗尺寸＝末行－起始行

水平圖像窗水平窗尺寸＝末列（末像素）－起始列（起始像素）

垂直2:1并行是否

水平2:1并列是否

電子快門(mén)1/16 000~1/30 s

長(zhǎng)積分時(shí)間40 ms~10 s

外部觸發(fā)硬件觸發(fā)或軟件觸發(fā)，可靈活控制幀速和曝光時(shí)間以及照相同步

增益0~1 023

偏移0~255

動(dòng)態(tài)噪聲修正是否

Gamma修正是否

測(cè)試模式是否

啟動(dòng)模式用戶設(shè)置或工廠設(shè)置

以太網(wǎng)IP地址獲取方式動(dòng)態(tài)或靜態(tài)

IP地址由實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況決定

子網(wǎng)掩碼

網(wǎng)關(guān)

主要域名服務(wù)器

次要域名服務(wù)器

管理者名字缺省值admin

管理者密碼缺省值admin

表中的MDC-1004數(shù)字相機(jī)的設(shè)置由tskHTTP調(diào)用UART0的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成，通過(guò)特定的格式實(shí)現(xiàn)對(duì)MDC-1004里面的寄存器的訪問(wèn)和修改。串口通信格式為8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，缺省波特率為9 600。MDC-1004中寄存器的具體讀寫(xiě)格式如下：

a)8 bit寄存器寫(xiě)，0xA5+寄存器地址+0x5A+要寫(xiě)的數(shù)據(jù)；

b)16 bit寄存器寫(xiě)，0xA5+寄存器地址低字節(jié)+0x5A+要寫(xiě)的數(shù)據(jù)低字節(jié)+0xA5+寄存器地址高字節(jié)+0x5A+要寫(xiě)的數(shù)據(jù)高字節(jié)；

c)8 bit寄存器讀，0xA5+寄存器地址+0x55+0x55，相機(jī)通過(guò)串口返回被讀寄存器數(shù)據(jù)；

d)16 bit寄存器讀，0xA5+寄存器地址低字節(jié)+0x55+0x55，相機(jī)通過(guò)串口返回被讀寄存器數(shù)據(jù)低字節(jié)；0xA5+寄存器地址高字節(jié)+0x55+0x55，相機(jī)通過(guò)串口返回被讀寄存器數(shù)據(jù)高字節(jié)。

3日面活動(dòng)圖像處理與識(shí)別

3.1圖像預(yù)處理

tskPreprocess任務(wù)是實(shí)現(xiàn)日面活動(dòng)觀測(cè)圖像的預(yù)處理。由于下列因素的影響，如望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽(yáng)的跟蹤誤差、風(fēng)等因素使望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的抖動(dòng)以及光學(xué)系統(tǒng)離焦等，觀測(cè)所得的圖像會(huì)產(chǎn)生幾何畸變，即圖像發(fā)生退化。圖像預(yù)處理的目的是去除噪聲提高信噪比，盡可能去除成像中的圖像退化，使圖像接近其真實(shí)對(duì)象。根據(jù)圖像退化的原因進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理[12]：

a)去除圖像中的隨機(jī)噪聲，可采用圖像積分、加長(zhǎng)曝光時(shí)間或多幀累加的方法提高信噪比；

b)去除圖像幾何畸變，采用三次卷積法、雙線性內(nèi)插法和最鄰近內(nèi)插法等內(nèi)插方法進(jìn)行幾何畸變失真校正。

對(duì)于原始觀測(cè)所得日面圖像的預(yù)處理部分，為了獲得高速實(shí)時(shí)預(yù)處理速度并為后續(xù)處理留有余地，SIPRS采用計(jì)算量較小的最鄰近內(nèi)插法作圖像預(yù)處理，每處理一幀圖像后采用幀數(shù)可調(diào)、多幀累加法累加多幅圖像，這些預(yù)處理被封裝在一個(gè)CODEC內(nèi)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成圖像預(yù)處理CODEC。

3.2圖像特征提取與處理

由于太陽(yáng)耀斑爆發(fā)沒(méi)有固定的位置和形態(tài)，也很難從太陽(yáng)物理學(xué)上尋找耀斑爆發(fā)與日面其他電磁活動(dòng)現(xiàn)象的關(guān)系，造成耀斑爆發(fā)最初階段難以識(shí)別。根據(jù)日面活動(dòng)的特點(diǎn)，除耀斑爆發(fā)外，其他日面大尺度特征的壽命相對(duì)較長(zhǎng)、短期變化不明顯，在短時(shí)間（如1 h）的采像過(guò)程中可將除耀斑外的日面看做寧?kù)o的背景，識(shí)別的目的則是在寧?kù)o的背景中分割出活動(dòng)的耀斑區(qū)域[13]。本系統(tǒng)根據(jù)日面圖像灰度變化率特征進(jìn)行圖像分割，選擇合適的灰度閾值，將日面圖像分割成耀斑爆發(fā)區(qū)域與太陽(yáng)背景兩部分。算法上采用Ostu灰度閾值分割方法，即最大類間方差法[14，15]，其基本原理為將直方圖在某一閾值處分割成兩組，當(dāng)被分成的兩組方差為最大時(shí)以決定閾值。觀測(cè)實(shí)驗(yàn)表明該方法可快速有效地將耀斑從太陽(yáng)背景中分割出來(lái)。

3.3日面活動(dòng)識(shí)別

Hα望遠(yuǎn)鏡終端實(shí)時(shí)采集所得的圖像，經(jīng)過(guò)閾值分割處理后，可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果得出是否有耀斑爆發(fā)。由于耀斑爆發(fā)時(shí)圖像局部區(qū)域亮度明顯增加，為了不使CCD局部像素飽和造成亮度值溢出，一旦確認(rèn)有耀斑爆發(fā)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用CCD曝光控制以減少曝光時(shí)間和采像時(shí)間間隔。圖5是識(shí)別程序的流程圖（圖中虛線部分是基于歷史觀測(cè)資料進(jìn)行的離線處理，進(jìn)行分類器設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)好的分類器運(yùn)用到SIPRS中）。

閾值的選取對(duì)于耀斑的識(shí)別性能至關(guān)重要。在實(shí)際測(cè)試中，該系統(tǒng)對(duì)耀斑發(fā)生區(qū)域的圖像灰度變化非常敏感。由于目前國(guó)內(nèi)地基式太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡尚未有耀斑自動(dòng)識(shí)別處理功能，需要在日常觀測(cè)中對(duì)耀斑識(shí)別結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再進(jìn)行反復(fù)的分類器訓(xùn)練，以期待得到更恰當(dāng)?shù)幕叶乳撝怠＊?/p>

4結(jié)束語(yǔ)

SIPRS的核心——達(dá)芬奇處理器DM6437以600 MHz的時(shí)鐘高速運(yùn)行，控制數(shù)字CCD相機(jī)MDC1004在其最高分辨率1 004×1 004下以幀速48 fps進(jìn)行太陽(yáng)圖像采集與處理。實(shí)時(shí)獲取的日面圖像在針對(duì)達(dá)芬奇處理器特別優(yōu)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS的控制下，以同步傳輸隊(duì)列的方式流經(jīng)圖像預(yù)處理、圖像處理、日面活動(dòng)識(shí)別和圖像壓縮四個(gè)經(jīng)過(guò)算法優(yōu)化的任務(wù)的實(shí)時(shí)處理，最后通過(guò)以太網(wǎng)以最高100 Mbps的速率傳送給高速存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)完全滿足太陽(yáng)觀測(cè)、處理和存儲(chǔ)的嚴(yán)格實(shí)時(shí)要求。尤其是耀斑識(shí)別功能，填補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的空白，對(duì)天文學(xué)理論研究具有重要的意義。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)可為我國(guó)正在推進(jìn)的空間科學(xué)項(xiàng)目，如空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡、夸父、SMESE等的太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)現(xiàn)象的觀測(cè)積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]HAHN M GAARD S JIBBEN P，et al. Spatial relationship between twist in active region magnetic fields and solar flares[J].The Astrophysical Journal，2005，629(2):1135-1140.

[2]北京天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地[EB/OL].http://sun.bao.ac.cn/index1.html.

[3]DaVinci technology digital video innovation product bulletin(Rev. D)[R]. Chicago: Texas Instruments Incorporated 2007.

[4]TMS320DM6437 data sheet[R]. Chicago: Texas Instruments Incorporated，2007.

[5]Overview of DaVinciTM TMS320DM643x digital media portfolio(Rev.B)[R]. Chicago: Texas Instruments Incorporated 2007.

[6]MDC-1004 and MDC-1004C-1 mega pixel 12 bit Camera Link digital Cameras user’s manual[K]. Boca Raton: IMPERX Incorporated 2004.

[7]TMS320DM643x DMP video processing front end(VPFE) user’s guide[K]. Chicago: Texas Instruments Incorporated 2007.

[8]Specifications of the camera link interface standard for digital cameras and frame grabbers[S].[S.l.]:Camera Link Incorporated，2004.

[9]DSP/BIOS device driver developer’s guide[R]. Chicago: Texas Instruments Incorporated 2002.

[10]TMS320 DSP/BIOS user’s guide[R]. Chicago: Texas Instruments Incorporated 2002.

[11]TMS320C6000 network developer’s kit(NDK) software program-mer’s reference guide(Rev.D)[K]. Chicago: Texas Instruments Incorporated 2007.

[12]何斌 馬天予. Visual C++數(shù)字圖像處理[M]. 北京:人民郵電出版社 2001.

[13]耿則勛 王振國(guó). 改進(jìn)的天文斑點(diǎn)圖像高清晰重建方法[J]. 光學(xué)精密工程，2007，15(7):1151-1156.

[14]林國(guó)余 張為公. 基于進(jìn)化規(guī)劃的最大類間方差的圖像分割算法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào) 2006，19(1):179-182.

[15]孔明 孫希平 王永驥. 一種改進(jìn)的基于類間方差的閾值分割法[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，32(7):46-47.