“下反”式炮長微光瞄準鏡穩像系統的設計與實現

謝志宏，宗艷桃，王 超，汪 熙，劉 佳

(1.裝甲兵工程學院控制工程系，北京100072;2.66440部隊，河北石家莊050081)

“下反”穩像式炮長瞄準鏡利用陀螺儀的定軸性直接穩定光路下部的反射棱鏡，通過對光路的合理補償實現了視場和瞄準線的穩定效果［1-2］。“下反”穩像系統具有結構簡單、價格低廉、體積小等突出優點，因此具有廣泛的應用價值。但是，“下反”穩像式瞄準鏡有一個主要不足，即微光夜視瞄準鏡的光路不通過等腰棱鏡，無法通過穩定棱鏡的方法穩定夜視成像，“穩線”方式所看到的夜視圖像仍然會隨著車體的抖動而晃動［2］，大大影響了乘員觀察目標的能力。因此，改進炮長微光瞄準鏡的穩像方法，對提高“下反”穩像式瞄準鏡的性能以及提高夜戰能力具有重要意義。

1 微光穩像系統總體結構設計

穩像工況下，當車體處于靜止狀態時，火炮軸線與瞄準線重合，陀螺儀輸出信號為零;坦克運動中發生振動時，火炮軸線隨坦克一起運動，被陀螺儀穩定的瞄準線與火炮軸線分離，陀螺儀組件中的光電碼盤實時測量出瞄準線與火炮軸線之間的夾角［2］，這個夾角反映了坦克整體的姿態變化。穩像系統就是利用了瞄準線與火炮軸線之間的角度信號，對微光瞄準鏡數字化后的視頻圖像進行反向補償，從而實現對夜視圖像的穩像功能。穩像系統的總體結構如圖1所示，主要包括陀螺儀信號采集模塊、視頻采集模塊、DSP電子穩像模塊、穩像視頻顯示模塊，其中陀螺儀信號采集模塊和DSP電子穩像模塊是系統設計的核心部分。

圖1 微光穩像系統的總體結構

2 陀螺儀信號采集模塊設計

在瞄準鏡中，陀螺儀的內外環軸的一端分別固定著一面小反射鏡，將2個光源發出的扁平光束反射后穿過格林碼盤，硅光電池形成20路二進制數值［2］。為減輕DSP電子穩像模塊的工作負擔，提高系統的穩定性和實時性，筆者設計了基于 AVR Mega16L單片機的獨立的信號采集模塊，完成對陀螺儀輸出信號的實時采集和相關處理。

2.1 硬件電路設計

陀螺儀信號由炮長瞄準鏡和控制盒之間的三通電纜引出，通過74LS373鎖存器鎖存后由外部中斷觸發電路控制AVR Mega16L的I/O口進行采集。處理后通過串口發送給DSP，并由8個8位共陽極數碼管分別對水平和垂直方向的角度值進行顯示。陀螺儀信號采集模塊的結構如圖2所示。

2.1.1 AVR Mega16L單片機的I/O口分配

圖2 基于AVR Mega16L的陀螺儀信號采集模塊結構圖

AVR Mega16L與外部電路通過I/O口來連接。陀螺儀信號采集模塊需要對20路經LS373鎖存的數據進行采集，驅動8個8段數碼管，并與外部中斷電路和串口接口電路相連。為避免額外的硬件電路，最大限度地利用單片機的I/O口，需要對I/O進行合理的分配。模塊利用單片機的I/O輸入輸出功能設置，對部分通用I/O口進行了復用，外部中斷和串口通信使用相關端口引腳的第2功能來實現。具體I/O口使用和復用情況如表1所示。

表1 AVR Mega16L單片機I/O口分配表

2.1.2 外部中斷觸發與信號鎖存電路設計

要準確檢測陀螺儀輸出信號，必須準確檢測驅動電流，并將陀螺儀信號瞬時鎖存下來。因此筆者采用光耦模塊TLP521-1設計了外部中斷觸發電路，采用3片74LS373設計了對20路信號的鎖存電路，如圖3所示。

圖3 外部中斷觸發及信號鎖存電路

在沒有驅動電流時，INT0保持高電平;當驅動電流產生時，光耦TLP521-1的第1和第2管腳相連的發光二極管工作，使得第4和第3管腳相連的三極管導通，INT0產生一個下降沿，觸發外部中斷。單片機先后使能3片74LS373，分別鎖存水平向和高低向的10路陀螺儀信號，再通過 PORTA和PORTC讀取信號。

2.2 信號采集模塊軟件設計

2.2.1 中斷優先級設計

為提高系統的準確性和實時性，信號采集模塊采用串口接收中斷、外部INT0中斷和定時器中斷分別控制單片機與DSP的串口通信、陀螺儀信號采集和數碼管的動態顯示。AVR沒有中斷優先級，當單片機響應一個中斷時，全局中斷標志禁止，其他中斷被屏蔽;但可通過在中斷中打開全局中斷和控制中斷使能位的方式來設計中斷的優先級。考慮系統工作時，當DSP請求單片機發送陀螺儀角度信號時產生的串口接收中斷，直接影響DSP電子穩像后續程序的運行和視頻顯示的實時性，因此串口接收中斷應置于最優先的位置;其次，陀螺儀信號只在外部INT0觸發時才是有效的，應置于第2優先級;最后，數碼管顯示主要用于單片機模塊的自檢和陀螺儀組的輔助測漂，因此可以將定時器中斷置于中斷優先級的最低級。

2.2.2 軟件程序設計

陀螺儀信號采集模塊的軟件部分包括主程序和各中斷響應程序。主程序中，單片機初始化后，進入while死循環。F_INT0代表外部INT0中斷的標志位，初始值為零。只有當單片機采集到新一幀陀螺儀信號后，F_INT0置位，單片機才會對陀螺儀信號進行相關處理，避免了單片機的重復工作，如圖4(a)所示。

數碼管顯示采用動態顯示驅動的方式，通過分時輪流控制各個數碼管的使能端，使各個數碼管輪流受控顯示。由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。定時器中斷數碼管動態顯示的程序流程如圖4(b)所示。

當單片機響應INT0中斷時，開始對陀螺儀信號進行采集。因為數據低位與數碼管顯示復用，首先需要將PORTA改變為輸入方式，然后通過LS373使能控制，分別鎖存陀螺儀水平向和垂直向的信號，并通過I/O采集。信號采集程序流程如圖4(c)所示。

圖4 信號采集模塊主要程序流程

3 DSP電子穩像模塊設計

本系統的核心部分——DSP電子穩像模塊，選用了基于TMS320DM643的視頻處理開發板。DM643在結構上延續了C64x的內核，采用了增強型超長指令字結構，芯片內部集成了8個獨立的功能單元和64個32位的通用寄存器，在一個周期內可以完成4個16位的乘累加運算或者8個8位的乘累加運算，非常適合數字圖像和視頻處理。

3.1 電子穩像算法的基本原理

電子穩像 (Electronic Image Stabilization)是指利用數字圖像處理的方法和圖像運動變化信息，對視頻中的圖像按照一定模型進行反向補償，消除因攝像機的隨機運動而造成的圖像抖動，獲得視覺上穩定的視頻圖像序列［3-5］。電子穩像系統主要是由圖像預處理、運動矢量估計、運動濾波和抖動補償4部分組成［6］，如圖5 所示。

圖5 電子穩像系統結構

電子穩像獲取圖像序列運動矢量的方法主要有2種:一種是利用運動估計算法直接從圖像中提取運動矢量;另一種是利用高精度陀螺作為傳感器來檢測載體(瞄準鏡)的運動信息［7］。第1種方法結構簡單，價格低，但運動矢量估計需要占用較長的時間，當圖像運動變化幅度較大或視場中存在運動目標等復雜情況時，會嚴重影響電子穩像的實時性和準確性;第2種方法成本較高，但實時性強且不受觀察場景的影響。“下反”穩像炮長瞄準鏡中安裝了高精度的兩自由度陀螺儀，可以準確測量瞄準鏡在水平和垂直方向的姿態角變化，因此可以研究將其用于圖像抖動的反向補償，從而實現穩定圖像的目的。

3.2 圖形運動模型與比例因子標定

在對炮長微光瞄準鏡中的圖像進行穩像補償之前，首先需要分析瞄準鏡運動和圖像運動的對應關系，進而確定合適的圖像變換模型以及陀螺儀角度信號與圖像運動矢量的比例因子。在三維計算機圖形學的研究中，為了簡化問題的處理同時又滿足應用的需要，常用針孔相機模型來代替實際的攝像機［8］。針孔相機的成像幾何關系稱為透視投影(Perspective Projection)。透視投影使用一種基于幾何光學原理的理想小孔成像原理來描述二維圖像的形成，水平向的簡化圖如圖6所示。

圖6 簡化的攝像機成像模型

圖6中:OXYZ表示攝像機自身坐標系，oxy表示攝像機成像面的平面坐標系，攝像機視軸指向Z軸方向。當攝像機繞X軸轉動一個角度θx，自然界中物體的像點在像平面y軸上的坐標變化可以近似為

同理可知，當攝像機繞X軸和Y軸轉動時，圖像的運動模型可近似為平移變換(Translation Transformation)模型:

式中:(x'，y')、(x，y)為空間中某點在像平面坐標系中前后時刻的坐標;k為角度值與像素值的比例因子，等于單位距離像素個數與焦距的乘積，可以結合圖像運動估計值與陀螺儀信號值，采用最小二乘法擬合求得。平移變換模型中，圖像在水平面上發生整體平移，具有全局統一性，且圖像特性(角度、對稱性、內部結構)無任何改變，是一種剛性變換。

3.3 DSP電子穩像軟件實現

在DSP電子穩像模塊實現中，視頻采集模塊獲取的PAL制視頻流經視頻線傳遞給SAA7115解碼器，送至 DSP視頻口 VP0，將其再解碼得到 YUV(4∶2∶2)格式的圖像，進入片內 FIFO 緩存，并通過EDMA傳送至SDRAM中，然后通過中斷通知DSP訪問SDRAM中的圖像數據并進行相應的穩像算法處理。DSP電子穩像程序流程如圖7所示。

圖7 DSP電子穩像程序流程

4 穩像實驗與分析

為檢驗穩像系統的性能，筆者進行了陀螺儀信號采集和微光夜視瞄準鏡的穩像實驗。在瞄準鏡靜止狀態下，陀螺儀信號采集模塊中的數碼管顯示的水平向和垂直向數據穩定在原始零位;在動態條件下，數據隨著瞄準鏡的運動實時變化:這說明陀螺儀信號采集模塊能準確采集和顯示陀螺儀信號。

利用穩像模塊的視頻采集模塊采集微光瞄準鏡中的圖像，同時利用計算機和視頻采集卡采集DSP電子穩像處理前后的圖像，并進行對比，結果如圖8所示。圖中水平和垂直方向的2條白線位于像平面的同一位置。可以看出:在穩像前，圖像中的圓形標志盤和三角分劃在垂直方向和水平方向都發生了移動，三角分劃相對于圓形標志盤位置不變，是“穩線不穩場”的場景;DSP電子穩像后，三角分劃和圓形標志盤的相對位置仍然不變，但兩者在圖像序列中的水平和垂直向的位置基本沒有變化，說明經過穩像系統電子穩像后，炮長微光瞄準鏡中的圖像得到了有效的穩定，更加有利于炮長對目標進行觀察和瞄準。

圖8 炮長微光瞄準鏡圖像的穩像實驗

5 結論

針對“下反”式炮長微光瞄準鏡圖像抖動的問題，筆者設計了獨立的穩像系統。該系統集陀螺儀信號采集、視頻采集顯示和DSP圖像處理于一體，實現了對微光瞄準鏡中圖像的有效穩定，提高了炮長的觀察和瞄準的能力。另一方面，陀螺儀組件測量信號只包括水平和垂直2個方向的角姿態變化信息，所以穩像系統無法對位移振動和繞視軸旋轉引起的圖像抖動進行補償。因此在基于陀螺儀的電子穩像技術的基礎上，用更高精度的電子穩像算法對圖像進行二次穩定，可以進一步提高微光瞄準鏡穩像的精度。

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