摘 要： 針對導(dǎo)引頭信息處理機研制和調(diào)試的迫切需要，設(shè)計以TMS320DM642數(shù)字信號處理器(DSP) 為核心處理器，基于高性能PC機和PCI總線的數(shù)字場景仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)既可以輸出由PC機仿真的數(shù)字場景，也可以輸出由CCD攝像頭采集后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字場景;還可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結(jié)果，然后在數(shù)字場景中疊加跟蹤框評估跟蹤效果。重點介紹該系統(tǒng)的工作原理、基本組成與詳細設(shè)計。試驗結(jié)果表明系統(tǒng)滿足了實際應(yīng)用的需要。

　　關(guān)鍵詞： 省級學(xué)報論文發(fā)表,場景產(chǎn)生器,DM642,PCI,跟蹤效果評估

　　Design and implementation of image target simulator based on PCI bus

　　XU Yong?hui， SUN Chuang， LI Shi?bin

　　(Automatic Test and Control Institute， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China)

　　Abstract：With advances in image?guided weapons， it is quite necessary to develop a real?time digital scene simulator system to manufacture and debug the seeker information processing machine. Digital scene simulator system based on TMS320DM642， PC and PCI bus was designed. The system can output the digital scenes simulated by PC， or output the digital scenes collected by CCD camera and then generated through A/D conversion. It also can receive the tracking result from the information processor， and then superpose the cross cursor on the digital scene to evaluate the tracking effect. The working principle， basic composition and detailed design of the simulator system are introduced in this paper. The implementing methods of the system software and hardware are described in detail. The experimental results indicate that the system can meet the requirements of practical applications.

　　Keywords： scene generator; DM642; PCI; evaluation of tracking effect

　　現(xiàn)代光電技術(shù)的迅速發(fā)展，促進了精確制導(dǎo)與武器防御系統(tǒng)的日益成熟和完善[1]。圖像制導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)成為精確制導(dǎo)研究的主要發(fā)展方向。圖像制導(dǎo)武器的核心部件是導(dǎo)引頭信息處理機，導(dǎo)引頭信息處理機算法的好壞直接影響了精確制導(dǎo)武器的精確度。必須擁有測試和評估導(dǎo)引頭信息處理機算法性能的手段。外場試驗雖然能夠提供真實的目標與背景環(huán)境，但外場試驗首先需要耗費大量的人力和時間，其次不可能對所有的作戰(zhàn)環(huán)境都進行測試，最后外場試驗只能在系統(tǒng)研制完成后才能進行。在信息處理機的研制和調(diào)試階段，只能在實驗室環(huán)境中進行仿真和測試，模擬產(chǎn)生各種真實作戰(zhàn)場景圖像序列，對信息處理機性能進行分析測試。所以，場景仿真設(shè)備的研制具有重大的意義和應(yīng)用前景。

　　1 場景仿真系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　1.1 場景仿真模式分析

　　在場景生成領(lǐng)域，一般可將場景生成技術(shù)分為兩類：動態(tài)模式和電影回放模式[2]。動態(tài)模式是指在閉環(huán)系統(tǒng)下，場景產(chǎn)生器根據(jù)探測器視場的變化，實時提供相應(yīng)的場景圖像。因此場景產(chǎn)生器的每一幀圖像景象都要同步地實時計算，以便與探測系統(tǒng)對投影圖像的反應(yīng)相一致。在這種模式中，生成每一幀圖像時的計算量都很大，要做到實時就要求場景產(chǎn)生器的計算速度相當(dāng)快。目前使用動態(tài)模式產(chǎn)生圖像的仿真系統(tǒng)幾乎都由圖形工作站、控制計算機、定制的場景產(chǎn)生器、多個定制的 DSP 處理單元，通過VME 總線連接成網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)作流水線來模擬仿真。這些系統(tǒng)仿真精度高、實時性強，能夠應(yīng)用于多種實際作戰(zhàn)場景模擬，當(dāng)然系統(tǒng)的成本也需要數(shù)百萬美元以上。電影回放模式是在仿真運行前，非實時地計算出一系列二維圖像，然后再以電影回放的方式將這些圖像序列顯示給被測系統(tǒng)，在這種模式中，被測系統(tǒng)不能夠與場景產(chǎn)生系統(tǒng)交互，不能像動態(tài)模式中那樣隨機變化，只能按照預(yù)定軌跡動態(tài)變化。采用電影回放模式的仿真系統(tǒng)由于使用預(yù)處理的方式非實時地提前產(chǎn)生序列圖像，相對來說，系統(tǒng)計算量小，系統(tǒng)性能要求不高，成本低。 　　本設(shè)計的應(yīng)用背景是為某深空背景目標檢測識別系統(tǒng)在研制調(diào)試階段做初步的仿真和測試，考慮到性價比和研制時間因素，此在本系統(tǒng)設(shè)計時，主要采用電影回放模式。場景仿真系統(tǒng)根據(jù)成像儀的數(shù)學(xué)模型，利用預(yù)先存儲在計算機中的三維目標數(shù)據(jù)、背景數(shù)據(jù)以及制定的目標運動軌跡，在PC機中計算出圖像序列，由PC機把計算好的圖像序列發(fā)給仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)把數(shù)字圖像再轉(zhuǎn)發(fā)給信息處理機。為了比較直觀的顯示跟蹤效果，系統(tǒng)可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結(jié)果，然后在數(shù)字場景中疊加跟蹤框測試后在顯示器上輸出。同時為了系統(tǒng)通用的考慮，設(shè)計一路模擬圖像輸入通路，可以把攝像頭采集的圖像經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字場景，然后發(fā)給信息處理機。場景仿真系統(tǒng)組成框如圖1所示。

　　由PC機仿真的數(shù)字場景，也可以輸出由CCD攝像頭采集后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字場景;還可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結(jié)果，然后在數(shù)字場景中疊加跟蹤測試跟蹤效果。

　　1.2 場景產(chǎn)生器總體設(shè)計方案

　　數(shù)字場景產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　場景產(chǎn)生器主要有2種工作模式：場景圖像來源于PC機，DSP把PC機中模擬的圖像序列通過FPGA輸出給信息處理機，同時把圖像輸入給視頻DA，F(xiàn)PGA根據(jù)目標位置控制視頻多路開關(guān)，把跟蹤框和視頻DA輸出圖像疊加在監(jiān)視器上顯示;場景圖像來源于CCD攝像頭，CCD圖像經(jīng)過視頻A/D轉(zhuǎn)換，在FPGA中經(jīng)過處理傳給信息制導(dǎo)機，F(xiàn)PGA根據(jù)目標跟蹤結(jié)果控制視頻多路開關(guān)，把跟蹤框和CCD輸入圖像疊加在監(jiān)視器輸出。仿真器采用DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)，選用TI公司的DSP芯片TMS320DM642來控制視頻DA、完成 PCI通信等操作; FPGA選用Xilinx公司的XC2S200，它有20萬個邏輯門、56kbit的Block RAM和73Kbit的分布式RAM[3]，主要完成模擬圖像采樣、串口通信、跟蹤窗疊加等功能。

　　2 各功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

　　場景產(chǎn)生器主要由CCD攝像頭輸入場景通道、PC機輸入場景通道、串口輸入通道和視頻疊加輸出通道幾個部分構(gòu)成。

　　2.1 CCD攝像頭輸入場景通道

　　使用CCD攝像頭的輸入作為場景發(fā)生器的圖像來源時，CCD圖像需要通過視頻A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字圖像序列。視頻A/D選用ADI公司的ADV7189，它集成了一個視頻解碼器，自動檢測和轉(zhuǎn)換標準模擬基帶電視信號成符合ITU?RBT.656 的4∶2∶2分量數(shù)字視頻數(shù)據(jù)[4]。

　　ADV7189輸出時序如圖3所示，其輸出是YCbCr格式，輸出分辨率720×576。視頻AD的數(shù)字場景需要的是512×512黑白圖像，故需在 FPGA中做圖像處理模塊，模塊用LCC1的2分頻LCC2采集分量其中的亮度Y信息，并生成行、場有效信號，取出整幀圖像的中央部分，即每行720個像素中取出第105～616個，從每場的288行中取第17～272行，視頻圖像裁減過程如圖4所示。

　　FPGA對這些圖像進行處理后變成 512×512的黑白圖像，F(xiàn)PGA需要把接收的圖像數(shù)據(jù)通過LVDS發(fā)送給信息處理機，由于接收和發(fā)送的頻率不一致，并且需要對數(shù)據(jù)的讀/寫同時進行，所以系統(tǒng)采用雙口RAM緩沖數(shù)據(jù)。雙口RAM雖然有兩套地址總線，兩套數(shù)據(jù)總線，兩套控制總線，可以同時讀/寫，但是卻不能同時訪問同一個地址。為此，設(shè)計中采用乒乓方式存取數(shù)據(jù)以避免沖突，即將雙口RAM至少分成兩個空間，讀取雙口RAM一個空間的數(shù)據(jù)時，接收的圖像數(shù)據(jù)寫另一個空間。針對本系統(tǒng)，需要開64行的空間，前32行進行讀操作或?qū)懖僮鲿r，后32行則進行寫操作或讀操作。

　　2.2 PC機輸入場景通道

　　使用PC機模擬的深空背景中的運動目標圖像時，DSP通過PCI總線得到PC機中的圖像序列，并將圖像暫存在SDRAM中。DSP通過EMIF把SDRAM中圖像數(shù)據(jù)寫到FPGA內(nèi)部的雙口RAM，輸出給信息處理機。同時圖像傳給視頻DA，用來和跟蹤結(jié)果疊加，顯示跟蹤效果。PC輸入仿真框圖如圖5所示。

　　TI公司的TMS320DM642是這部分的核心，DM642的I2C串行總線可以完成對視頻編解碼器的控制，DM642內(nèi)部集成的PCI接口可以實現(xiàn)與PC主機的互連;其主頻最高可達720 MHz，特別地，它擁有可獨立配置的視頻端口，可以實現(xiàn)與一般視頻編/解碼器的無縫連接，并且視頻信號可以采用EDMA方式快捷地在存儲器與視頻端口之間傳輸[5]。PCI接口采用查詢方式的從模式寫，即PC機通過查詢DSP設(shè)置的“發(fā)送圖像數(shù)據(jù)開始”標志， 把圖像數(shù)據(jù)寫到DSP的SDRAM存儲空間，在這種方式中，作為從設(shè)備的DSP不需要承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸工作，只需要控制何時發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。PC機向DSP傳輸圖像數(shù)據(jù)是按照一幀一幀來傳遞的，因此需要中斷信號來通知DSP一幀和一場的開始，同時DSP也需要向PC機發(fā)出請求告之DSP已經(jīng)準備好從PC機接收圖像數(shù)據(jù)，可以進行圖像數(shù)據(jù)的搬移。ADV7179將數(shù)字圖像進行D/A變換并重新編碼為復(fù)合全視頻信號輸出，它接口簡單，需要通過I2C總線對其進行配置 [6]。DM642內(nèi)嵌的I2C模塊可以把ADV7179配置成PAL制式的輸出。DM642具有3個可獨立配置的視頻口，非常適合于圖像處理系統(tǒng)方面的應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計中，將Video2配置為圖像數(shù)據(jù)輸出端，顯示模式為8位的BT.656，控制信號VCTL0輸出行消隱，VCTL1輸出場消隱，VCTL2輸出奇偶場信號，每幀圖像大小為864×625，顯示的有效圖像分辨率為512×512。

　　2.3 視頻疊加輸出部分設(shè)計

　　信息處理機的主要任務(wù)是目標檢測識別和跟蹤。場景產(chǎn)生器將跟蹤信息疊加在原圖像上顯示出來，能夠直觀地驗證信息處理機是否正常穩(wěn)定地工作，方便系統(tǒng)調(diào)試。視頻疊加輸出部分如圖6所示，場景產(chǎn)生器通過串口接收目標位置，根據(jù)此坐標值控制視頻多路開關(guān)MAX441，把跟蹤框和原圖像疊加。疊加跟蹤框就是以目標為中心畫一個空心的十字架，然后在監(jiān)視器上顯示跟蹤結(jié)果。 　　異步串口傳統(tǒng)上采用專用的集成電路實現(xiàn)，為使設(shè)計緊湊，以FPGA硬件實現(xiàn)串行通信。數(shù)據(jù)接收部分如圖7所示。接收時鐘模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)接收時鐘，移位寄存器完成串并轉(zhuǎn)換，保持寄存器用來暫存接收的數(shù)據(jù)，控制模塊用來控制串口的整個時序。

　　在系統(tǒng)中，疊加顯示功能由FPGA控制MAX441來實現(xiàn)。異步串口模塊收到目標坐標點(X，Y)后，在疊加控制模塊中通過比較器與像素計數(shù)COUNT_PIXEL和行計數(shù)COUNT_H進行比較，得出多路開關(guān)的控制信號，當(dāng)滿足下列條件中任何一條時，F(xiàn)PGA都控制MAX441輸出白電平：

　　1.Y?8< COUNT_H

　　2.Y+2< COUNT_H

　　3.X?13< COUNT_PIXEL

　　4.X+2< COUNT_PIXEL

　　由于輸出是PAL制式，每場輸出的白電平長度橫向是10個像素，縱向是5個像素，這樣當(dāng)完整的一幀圖像在監(jiān)視器上顯示，就可以得到如圖8所示的效果。

　　3 結(jié) 語

　　通過對場景產(chǎn)生器的需求分析，確定了以DM642為核心，基于高性能PC機和PCI 總線的數(shù)字場景仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)既可以輸出由PC機仿真的數(shù)字場景，也可以輸出由CCD攝像頭采集后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字場景;還可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結(jié)果，然后在數(shù)字場景中疊加跟蹤框評估跟蹤效果。

　　該系統(tǒng)具有圖像輸出幀頻高、參數(shù)修改方便、圖像輸出格式靈活和圖像內(nèi)容可控、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)被應(yīng)用于多個目標檢測識別系統(tǒng)的設(shè)計和性能測試，滿足了實際應(yīng)用的需要。

　　參考文獻

　　[1] 周立偉，劉玉巖.目標探測與識別[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

　　[2] 張志勇，盧煥章，郭天天，等.實時數(shù)字場景仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].國防科技大學(xué)學(xué)報，2005，27(4)：48?52.

　　[3] Xilinx Corporation. Spartan?II 2.5V FPGA family： complete data sheet [R]. USA： Xilinx Corporation， 2004.

　　[4] Analog Device Corporation. Chip scale PAL/NTSC video encoder with advanced power management ADV7174/ADV7179 [R]. [S.l.]： Analog Device Corporation， 2004.