基于DSP的成像制導(dǎo)仿真圖像生成技術(shù)研究

尹哲春，張福欣，馬紅艷

（中國電子科技集團公司 第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

新一代精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的研制給光學(xué)成像制導(dǎo)仿真目標(biāo)模擬器提出了新的要求，它要求目標(biāo)/背景成像仿真系統(tǒng)能夠提供實時變化的動態(tài)場景[1]。導(dǎo)彈的實體仿真不僅需要有造價昂貴的導(dǎo)彈或模型，而且要有占地宏大的靶場，還要有大量的人員進行觀測、記錄及控制等一系列工作；而且一經(jīng)發(fā)射，過程不可逆轉(zhuǎn)，是一件非常費錢、費時、費力的工作。其中基于DSP的圖像生成技術(shù)是一項新型而又關(guān)鍵的技術(shù)，它可以降低研發(fā)成本，減少風(fēng)險，為系統(tǒng)技術(shù)進步提供有力的保障。這里主要給出利用圖像生成技術(shù)生成的動態(tài)場景，并模擬導(dǎo)彈在俯仰、航向方向工作時動態(tài)場景的變化。

1 成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成

為了能夠?qū)崿F(xiàn)仿真圖像的實時顯示，在設(shè)計DSP視頻生成系統(tǒng)時，DSP的選擇該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，為此這里選用TMS320C6418型DSP。以TMS320C6418為核心的圖像生成仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)初始化時通過DSP將素材圖像送入存儲器SDRAM等待DSP處理，再由FPGA產(chǎn)生的行同步、場同步信號的控制下將處理后的圖像數(shù)據(jù)通過DSP的EDMA通道送入FPGA的RAM中，在FPGA產(chǎn)生復(fù)合同步信號和復(fù)合消隱信號的控制下圖像數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，合成為標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號。

1.3 基于DSP的系統(tǒng)硬件特性

DSP處理系統(tǒng)實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的處理，是整個系統(tǒng)的核心。它由DSP器件TMS320C6418[2]、圖像存儲器SDRAM、程序存儲器Flash構(gòu)成。

TMS320C6418通過外部存儲器接口（EMIF）與SDRAM、Flash和FPGA連接，構(gòu)成典型的嵌入式DSP應(yīng)用系統(tǒng)。TMS320C6418是TI公司新推出的TMS320C64xx系列的一種，主要特點為：片內(nèi)512K字節(jié)RAM；操作速度高達600 MHz；支持多種外部存儲器接口，包括 SRAM，SDRAM，RAOM，F(xiàn)IFO；增強的EDMA控制器，有64個EDMA通道。

在實時圖像數(shù)字處理器中，采用SDRAM存儲圖像數(shù)據(jù)有2個優(yōu)點：一是速度高，存取時間可達8 ns；二是單片容量大，有利于減少圖像處理系統(tǒng)的體積。

對于DSP處理系統(tǒng)，必須擴充片外程序存儲器，這里選用的是Flash存儲器。TMS320C6418的RAM（L2）容量達到512 KB，而DSP系統(tǒng)的應(yīng)用程序通常不是特別大，因此，在系統(tǒng)上電以后將使用的程序裝載到L2中，這樣可以提高程序的訪問速度。

1.4 基于DSP的系統(tǒng)成像制導(dǎo)仿真圖像生成軟件

1）DSP初始化程序 完成上電復(fù)位以后的初始化工作，主要包括對外部存儲器件SDRAM、Flash的配置和初始化及將素材圖像數(shù)據(jù)搬入SDRAM。

2）DSP系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的傳輸程序 在圖像生成中存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，包括：目標(biāo)和背景數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的融合處理；SDRAM與DSP內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)目標(biāo)提取的處理；SDRAM與FPGA的RAM的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)視頻圖像的實時顯示。

3）圖像處理程序 根據(jù)圖像的特點選擇合適的圖像處理算法，提取目標(biāo)，給控制端提供脫靶量，以實現(xiàn)圖像的閉環(huán)跟蹤。

4）制導(dǎo)控制程序 根據(jù)外部輸入的輸入條件，即跟蹤、掃描等命令，使其能夠模擬導(dǎo)引頭工作時真實場景的動態(tài)變化。

2 成像制導(dǎo)仿真圖像生成關(guān)鍵技術(shù)

2.1 背景和目標(biāo)的模型建立

目標(biāo)是指軍事武器作戰(zhàn)的對象物，而背景是除目標(biāo)之外的一切空間物質(zhì)。目標(biāo)與背景是相對的，同一物體有時可以成為目標(biāo)，有時也可以是背景。對于成像制導(dǎo)而言，根據(jù)目標(biāo)與背景所在地理位置高度或性質(zhì)的不同，可把目標(biāo)與背景分成3類：空中目標(biāo)與天空背景、海面目標(biāo)與海洋背景、地面目標(biāo)與地物背景。

背景圖像的生成可以使用形狀規(guī)則的矩形光柵圖像[3]，例如帶有天空和地面的*.bmp位圖圖像。在某些特定的場景中還需要花、草、樹、汽車、房屋等不規(guī)則形狀的目標(biāo)光柵圖像，例如要在已有的場景中生成一顆大樹，如何才能透過樹葉和枝桿的縫隙看到后面的景物。這在DSP中沒有專門的函數(shù)來進行處理。但可采用以下方法實現(xiàn)：

1）首先用3DMAX軟件生成所需要的花、草、汽車等，生成文件為*.BMP位圖文件格式，用PHOTOSHOP軟件將感興趣的圖像將其對比度、亮度加以調(diào)整。將其位圖圖像做成矩形，便于DSP算法處理。

2）背景與目標(biāo)的融合，確定目標(biāo)的位置后，需要把背景和目標(biāo)融合起來[4]。但是由于背景與目標(biāo)之間存在亮度差，如果簡單地重疊，就會出現(xiàn)明顯的縫隙。為了達到無縫融合，把背景與目標(biāo)重合區(qū)域的邊緣按一定的加權(quán)值合成為新的邊緣。

式中，Inew為合成的新的邊緣圖像，I1和I2為目標(biāo)與背景重疊區(qū)域的邊緣圖像，w為加權(quán)系數(shù)。

設(shè)重疊邊緣區(qū)域的寬度為d，那么拼接的圖像I1隨著向I2的過渡，w由0→1，增量為1/d呈線性變化。該算法實現(xiàn)了目標(biāo)與背景邊緣的均勻過渡，達到很好圖像無縫融合的效果。

3）對生成的圖像進行濾波處理。

2.2 素材圖像數(shù)據(jù)的生成

各種各樣的背景圖像和目標(biāo)圖像存放在存儲器中，這就要將所取得素材轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像然后通過燒寫程序?qū)⑦@些素材通過DSP燒寫到存儲器中。

1）將素材用軟件轉(zhuǎn)換成TI CCStudio調(diào)試軟件能夠識別的數(shù)據(jù)格式[5]。具體格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)格式

例如：

1651 1 10000 1 10

0x00

0x00

0x00

0x00

……

2）通過CCStudio的File->Data->Load菜單將素材數(shù)據(jù)裝入相應(yīng)的地址空間。

3）通過編寫的燒寫程序?qū)⑺夭臄?shù)據(jù)固化到存儲器相應(yīng)的地址空間。

3 導(dǎo)引回路圖像的實時仿真

要真實地仿真作戰(zhàn)環(huán)境，就必須考慮目標(biāo)的各種運動規(guī)律。描述目標(biāo)的運動可以有3種方法：1）目標(biāo)運動，導(dǎo)引頭框架不動；2）目標(biāo)不動，導(dǎo)引頭框架運動；3）目標(biāo)和導(dǎo)引頭框架同時運動。

在人工捕獲目標(biāo)的導(dǎo)彈仿真回路中，一般情況下目標(biāo)是固定的，靠人工操作控制導(dǎo)彈搜索、跟蹤目標(biāo)，因此本文采用方法第2種方法（即目標(biāo)不動，導(dǎo)引頭框架運動）來進行圖像仿真。仿真過程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引頭視場仿真過程

仿真圖像生成后將圖像送入圖像處理模塊[6]，圖像處理模塊運用圖像處理和識別技術(shù)完成目標(biāo)的檢測、識別和跟蹤，并根據(jù)目標(biāo)方位，給出相應(yīng)的誤差信號；控制模塊根據(jù)相應(yīng)的控制命令進行導(dǎo)引頭的方位和俯仰掃描，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)立即轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)進行跟蹤，同時計算導(dǎo)引頭的位置和姿態(tài)參數(shù)；導(dǎo)引頭的調(diào)整結(jié)果作為反饋被送回仿真視場圖像生成模塊，該模塊根據(jù)反饋信號計算生成下一幅圖像。仿真的實際效果圖如圖4所示。

圖4 導(dǎo)引頭捕控目標(biāo)的仿真圖

4 結(jié)束語

介紹了基于DSP處理器的成像制導(dǎo)圖像生成仿真系統(tǒng)，并在某導(dǎo)引頭仿真系統(tǒng)中得到應(yīng)用，真實模擬出導(dǎo)引頭搜索、捕獲目標(biāo)的全過程。該仿真系統(tǒng)可以對導(dǎo)引頭的目標(biāo)識別能力和制導(dǎo)能力給出判斷，并由此改進目標(biāo)識別系統(tǒng)，從而提高精確制導(dǎo)的能力。隨著精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的發(fā)展，基于DSP的成像制導(dǎo)仿真必將取得越來越大的進展，發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]虞紅，雷杰.可見光成像制導(dǎo)半實物仿真中的圖像生成技術(shù)[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2006（6）：107-120.

[2]Texas Instruments.TMS320C6418 fixed-point digital signal processor data manual[EB/OL].（2006.6）.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320c6418.pdf.

[3]關(guān)沫，黃有群.OpenGL實用技巧編程兩則[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000（4）：322-323.

[4]付厚超，陳宗海.基于垂直邊緣處理的全景圖像的拼接[J].計算機工程，2004（4）：133－137.

[5]彭啟琮，管慶，等.DSP集成開發(fā)環(huán)境—CCS及DSP/BIOS的原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[6]張建，張建奇，邵曉鵬.基于Vega Prime的紅外場景生成技術(shù)在成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，2005（2）：125-128.