該系統(tǒng)可廣泛地應(yīng)用于實際測試圖像的后期處理和檢測跟蹤算法的實際性能考核，具有極大的試驗和測試功能。實時紅外圖像處理系統(tǒng)由三部分組成：
（1） 紅外成像儀
紅外成像儀采用法國SOFTDIR生產(chǎn)的紅外頭部以及美國CEDIP公司生產(chǎn)的后續(xù)處理板卡組成。紅外攝像儀具有兩個輸出端口和一個RS232控制端口。一個輸出端口為模擬的視頻輸出端口，可以使用監(jiān)視器進(jìn)行圖像的實時觀察。另一個輸出端口是RS422平衡式差分?jǐn)?shù)字信號輸出端口。RS232串行控制端口用來控制攝像頭的性能參數(shù)，如：調(diào)節(jié)數(shù)字圖像的輸出速率（25幀/秒、50幀/秒和100幀/秒可選）、圖像的積分時間以及校正圖像以達(dá)到最佳的成像效果。
(2) 圖像的接收和處理模塊
紅外圖像的接收和處理板卡及芯片采用英國HUNT公司生產(chǎn)的板卡HEPC9和HERON-FPGA3S以及HERON4。HEPC9是一塊母卡，作為HUNT公司各種處理板卡的載體，采用環(huán)形的HEART總線來規(guī)劃各個模塊的通訊功能，通過PCI總線與主機(jī)通訊。HERON-FPGA3S是一塊FPGA板卡，用于解析紅外攝像儀的電平信號和接收紅外圖像數(shù)據(jù)。HERON4是TIC6201DSP板卡，負(fù)責(zé)對紅外弱小目標(biāo)的檢測和識別。另外還需要一個由多個MC3486組成的板卡模塊將紅外攝像儀的RS422差分信號轉(zhuǎn)換為TTL單端信號。
（3） 系統(tǒng)控制和顯示模塊
整個系統(tǒng)的控制和顯示部分由PC機(jī)完成，這里使用ADLINK公司的工控機(jī)PENTIUM Ⅲ 866，內(nèi)存128MB。
2 各子模塊具體實現(xiàn)
2.1 Hunt Engineering 產(chǎn)品簡介^[8]
（1）母卡HEPC9
HEPC9是一個可以集成4個HERON模塊的主板卡，各個模塊之間的連接關(guān)系是可編程的，具體由network文件規(guī)定。母卡具有6個32bit的同步虛擬輸入FIFO，6個32bit的同步虛擬輸出FIFO，模塊之間通過這些虛擬的FIFO進(jìn)行連接。虛擬FIFO是母卡中環(huán)形HEART總線的一部分,如圖2所示，通過令牌環(huán)（標(biāo)志位）的設(shè)置分配數(shù)據(jù)的傳輸帶寬和時間片，這部分功能對于用戶是透明的。每個FIFO的同步時鐘可以達(dá)到60M～100MHz，使FIFO的輸入輸出速度可以達(dá)到4×100MBps。

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（2）HERON-FPGA3S
HERON-FPGA3S可編程邏輯芯片在系統(tǒng)中用于接收紅外攝像儀圖像數(shù)據(jù)，并具有存儲功能。具有200K門，最大時鐘頻率可達(dá)180MHz，I/O帶寬達(dá)400MBps。
（3）HERON4-DSPC6201
這是一塊基于TI公司TIC6201DSP的HERON系列的板卡，具有200MHz主頻的16位定點(diǎn)DSP，采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有64KB的片內(nèi)程序存儲器PROM和64KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器IDRAM。HERON4－DSP板卡增加了512KB的片外突發(fā)存儲器SBSRAM和16MB的片外動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM。DSP具有八條流水線，可以使指令并行執(zhí)行，這對于大數(shù)據(jù)量的圖像處理非常重要。
2.2 系統(tǒng)的邏輯構(gòu)成
實時紅外圖像處理系統(tǒng)在邏輯上要完成一個完整的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示過程。其邏輯構(gòu)成如圖3所示。

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母卡通過編寫network文件下載到母卡的存儲器中，修改特定的標(biāo)志寄存器，實現(xiàn)拓?fù)溥B接方式。這里的兩片DSP采用流水線處理方式，即兩者協(xié)同完成同一圖像處理工作的先后兩部分，以提高處理速度。在一些情況下，也可以將兩塊DSP描采取并行處理的方式，即兩塊DSP同時處理不同的數(shù)據(jù)。
（1）FPGA圖像數(shù)據(jù)的采集模塊
紅外攝像儀的邏輯時序如圖4所示。圖中：幀控信號FRAME高電平有效，在FRAME信號上升沿后出現(xiàn)第一幀數(shù)據(jù)時鐘；行控信號LINE_VALID上升沿有效，在其上升沿后每行數(shù)據(jù)有效，則時鐘信號CLOCK上升沿像素信息有效；數(shù)據(jù)信號PIXEL_DATA共有14對數(shù)據(jù)線，產(chǎn)生14位數(shù)據(jù)，每行有320個時鐘，每幀有240行，一幀總共具有320×240＝76 800個14bit的有效像素信息。

（2） DSP數(shù)字圖像處理模塊
這是整個系統(tǒng)的核心模塊，其功能是利用采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字圖像的處理。
利用HUNT公司的嵌入式模塊“Create New HREON－API project”，可以建立一個完整的基于以上硬件結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)程序框架。該軟件框架基于TIDSP的DSP/BIOS結(jié)構(gòu)，是一種小型的嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以對DSP系統(tǒng)的各種資源（如內(nèi)存、信號量等）進(jìn)行規(guī)劃管理。本系統(tǒng)中DSP圖像處理模塊的整體框圖如圖5所示。

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通過FPGA上的標(biāo)志寄存器協(xié)調(diào)DSP和FPGA之間的通訊，在準(zhǔn)備接收圖像數(shù)據(jù)之前，清空接收FIFO，然后通過串口HSB使能FPGA的發(fā)送允許標(biāo)志位通知FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收圖像到幀存之后，同樣通過HSB設(shè)置這個標(biāo)志使FPGA停止發(fā)送。
（3）主機(jī)控制顯示模塊
這部分是運(yùn)行于PC機(jī)上的程序。其作用是完成整個系統(tǒng)的控制模塊和顯示模塊功能。
紅外攝像儀所拍攝的數(shù)字圖像具有14位的像素精度，雖然是有利于圖像處理精度，但由于無法在一般的顯卡上顯示超過256級灰度的灰度圖像，因此有必要采用先灰度均衡再線性映射的方法，將14位的高精度圖像壓縮為8位的灰度圖來顯示，以達(dá)到人機(jī)界面顯示的功能。
3 弱小目標(biāo)檢測跟蹤及在DSP上的實現(xiàn)
紅外序列圖像中運(yùn)動的弱小目標(biāo)的檢測算法包括形態(tài)學(xué)濾波和能量特征匹配兩部分，即基于能量特征的弱小目標(biāo)檢測方法。同時還包括利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行多幀積累實現(xiàn)的序列圖像跟蹤，從而實現(xiàn)了對低信噪比的復(fù)雜序列圖像的實時、有效的檢測和跟蹤^[4]。
在實時紅外圖像處理系統(tǒng)中，由于圖像數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)間相關(guān)性高，需要滿足嚴(yán)格的實時性要求，因此需要對圖像處理算法及程序進(jìn)行基于數(shù)字信號處理器（DSP)的優(yōu)化編程，從而大大提高算法的運(yùn)行速度，來滿足系統(tǒng)的實時性能。TI公司的C6x系列DSP^[5]，具有很高的運(yùn)算速度和良好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，完全可以滿足圖像的實時處理要求。
3.1 算法結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
算法結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法針對具體的處理算法具有特殊性，這部分的優(yōu)化與DSP的結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系，優(yōu)化的目的是使算法本身具有良好的時間空間復(fù)雜度和簡單的邏輯結(jié)構(gòu)。如在圖像處理中，通常要實現(xiàn)一個NX-N的二維數(shù)字濾波。在不做任何優(yōu)化的情況下，得到一個結(jié)果要進(jìn)行N2＋l次內(nèi)存讀寫，內(nèi)存操作耗時長，需要占用專用的功能單元，因而成為功能提高的瓶頸。因此通常對該二維模板進(jìn)行線形化，即先對源圖進(jìn)行一個N×1的一維濾波，再對中間結(jié)果圖也進(jìn)行N×1的一維濾波，從而得到最終的結(jié)果圖。這樣只需要進(jìn)行 2(N+1)次內(nèi)存讀寫操作就可以得到一個結(jié)果。當(dāng)N比較大時（如11×11高斯平滑），程序的性能有明顯提高。
3.2 DSP程序的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有特殊性，如果程序的編寫能夠在一定程度上與DSP的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，利用C編譯器的優(yōu)化功能就可以在程序級的基礎(chǔ)上大大提高算法的性能[4～8]。具體如下：
?(1) 盡量使用int 類型中間變量
在圖像處理程序中，數(shù)據(jù)通常為8bit的變量，而C6XDSP的內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)通道為32bit，在圖像處理的濾波、卷積等過程中，需要較多的中間變量，如果采用8bit的中間變量存儲方式，勢必迫使編譯器使用額外的數(shù)據(jù)調(diào)整指令，因此采用32bit的中間變量具有最好的效率。
?(2) 使用移位代替除法運(yùn)算
①DSP中的移位運(yùn)算具有硬件支持，由一條指令完成，而除法運(yùn)算使用程序?qū)崿F(xiàn)，比較復(fù)雜耗時。
②DSP的浮點(diǎn)運(yùn)算往往采用調(diào)用子函數(shù)方法，效率低，編譯器無法進(jìn)行軟件流水優(yōu)化，而采用移位運(yùn)算可以代替一些定值的浮點(diǎn)運(yùn)算,如：
for(I=0;I<1000;I++)???????? ?for(I=0;I<1000;I++)
{??????????????????????? ??{
?b+=35*0.325;????????????? ?b+=((35*333)>>10);
}??????????????????????? ??}
以上兩條程序完成同樣的功能，但是第一條含有浮點(diǎn)數(shù)的乘法，運(yùn)行時間為222 775;第二條只有定點(diǎn)數(shù)的乘法和移位運(yùn)算,運(yùn)行時間僅為881，可見效率差距非常大。
?(3) 使用C6x內(nèi)聯(lián)函數(shù)
C6x編譯器內(nèi)部提供了許多指令，可以在單周期內(nèi)完成許多復(fù)雜的函數(shù)功能，從而提高了代碼的運(yùn)行速度。如:
?“飽和加法”：
int sadd(int a, int b)
{
int result;
result = a + b;
if (((a ^ b) & 0x80000000) == 0)
{
if ((result ^ a) & 0x80000000)
{
result = (a < 0) ? 0x80000000 : 0x7fffffff;
}
}
return (result);
}
這樣一個復(fù)雜的算法可以用一條內(nèi)聯(lián)函數(shù)_sadd( a,b)實現(xiàn)。
?(4) 使用32bit數(shù)據(jù)類型訪問16bit數(shù)據(jù)
由于C6x系列DSP具有32位的寄存器和內(nèi)部通道，在操作16bit的數(shù)據(jù)如short類型時，往往浪費(fèi)一半的寄存器空間和通道帶寬。為了充分利用這些資源，編譯器設(shè)置了一些內(nèi)聯(lián)函數(shù)同時對兩個16bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如_add2、_sub2。
short in1[]、 short in2[] 是兩個short類型的數(shù)組，具有N項，以下是將兩者對應(yīng)項相加的操作。
for (i = 0; i < (N/2); i++)
_amem4(&sum[i]) = add2(_amem4_const(&in1[i]), _amem4_const(&in2[i]));
程序中，_amem4_const、_amem4將in1、in2和sum進(jìn)行了32bit的對齊操作，然后同時進(jìn)行兩個short數(shù)據(jù)的加法運(yùn)算和讀取存儲運(yùn)算，從而提高了運(yùn)算效率。
?(5) 使用restrict關(guān)鍵字消除內(nèi)存關(guān)聯(lián)
為提高代碼效率,Ｃ6ｘ編譯器總是盡可能多地安排指令并行,而指令能否并行取決于指令之間的相關(guān)性。對于編譯器而言,內(nèi)存讀寫指令之間是否獨(dú)立是很難判斷的,如下列程序:
void vecsum(short *sum, short *in1, short *in2, unsigned int N)
{
int i;
for (i = 0; i < N; i++)
sum[i] = in1[i] + in2[i];
}
程序中，sum的存儲對于in1、in2的讀取地址產(chǎn)生影響，只有等到sum存儲完畢以后，才可以再次進(jìn)行in1、in2的讀取操作。這個問題叫做“別名問題”，因為sum可能和in1是一個地址，使其無法將讀取數(shù)據(jù)和寫結(jié)果的操作并行起來。
為了讓編譯器放心地將讀取源數(shù)據(jù)和寫結(jié)果數(shù)據(jù)兩者并行操作，可以利用restrict變量申明當(dāng)前數(shù)組名（或指針）是指向這段內(nèi)存的惟一變量，如下列程序所示：
void vecsum(short *sum, short * restrict? in1, short * restrict in2, unsigned int N)
{
int i;
for (i = 0; i < N; i++)
sum[i] = in1[i] + in2[i];
}
這樣就可以消除以上的內(nèi)存相關(guān)性，提高流水線效率。
?(6) 軟件流水優(yōu)化
在程序的優(yōu)化中，循環(huán)部分往往是最耗時的步驟，軟件流水就是一種用來優(yōu)化循環(huán)步驟的，使其循環(huán)內(nèi)部的指令盡可能地并行執(zhí)行。在C6201編譯器中選擇-o2或者-o3開關(guān)就可以打開編譯器的軟件流水優(yōu)化功能。
形成軟件流水的有效方法：在編譯器選項中選定了-o2或者-o3選項，編譯器就可以自動作出軟件流水的優(yōu)化。形成高效的軟件流水，可以使用MUST_ITERATE給定循環(huán)變量信息和循環(huán)展開。形成軟件流水應(yīng)避免：①軟件流水優(yōu)化只在最內(nèi)層循環(huán)進(jìn)行。②循環(huán)體內(nèi)部代碼太多。③循環(huán)體內(nèi)部代碼太復(fù)雜。
在定點(diǎn)DSP中，浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算都是用子函數(shù)軟件實現(xiàn)的，所以在定點(diǎn)DSP的程序循環(huán)中，如果由浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，就無法形成軟件流水。解決的方法是手工進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的定標(biāo)工作。對于已經(jīng)確定操作數(shù)的浮點(diǎn)運(yùn)算，如果運(yùn)算結(jié)果可以是整數(shù)，就可以使用乘法加移位的方法實現(xiàn)乘除運(yùn)算。如35×0.25可以轉(zhuǎn)化成(35×1)>>2。
4 系統(tǒng)測試
本實驗采用法國Sofradir中波熱成像儀采集到的320×240像素6733幀8位真實紅外對空序列圖像，截取其中的100幀數(shù)據(jù)驗證能量匹配濾波檢測與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)跟蹤算法的適用性。由于目標(biāo)很遠(yuǎn)，此時的信噪比小于2，屬于典型的強(qiáng)雜波環(huán)境下的弱小目標(biāo)檢測問題。實拍紅外圖像的顯示如圖6所示。

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