对细长目标的准实时自动识别跟踪系统

第２２卷第２期　弹箭与制导学报　·１１·　对细长目标的准实时自动识别跟踪系统　尹航　（北京理工大学，北京１０００８１）　［摘要］以ＤＳＰ和ＣＰＬＤ为核心，构造了一种针对细长目标的准实时识别跟踪系统，并在图像制导　半实物闭环仿真系统内进行了仿真试验。该系统简单实用，性能价格比高，对研究针对细长目标的　图像制导提供了有效的手段。　［关键词］图像制导ＤＳＰ；ＣＰＬＤ￣实时识别跟踪　［中图分类号］ＴＪ　７６５　３　［文献标识码］Ａ　１　弓Ｉ　言　文中以电视制导为目的，介绍一种针对细长目标如机场跑道、桥梁、大型公路等的准实时识别跟　踪系统。该系统以复杂可编程逻辑器件（简称ｃＰＬＤ）为控制单元，以数字信号处理器（简称ＤＳＰ）为核　心处理器，采用图象双缓存结构，结合一种简单实用的算法，在半实物闭环仿真系统内实现了对线状　目标的准实时自动识别跟踪。　红外器件成像的对比度高，较少受气　候或光线的影响，但是它当前的价格还很　高　随着可见光ＣＣＤ成像器件的发展和普　及，基于可见光的图像制导研究已无需很大　的投入，现实易行　。文中以可见光ＣＣＤ成　像器件来进行闭环半实物仿真实验口　，其原　理可以推广用于红外成像的图像制导研究。　整个闭环仿真系统的总体框图如图１所示。　图１实验室闭环仿真演示系统简单框图　２系统概述　２．１　系统基本结构方框图和工作过程简述　整个自动识别跟踪系统的总体框图如图２所示。　自动识别跟踪仪是仿真系统的输入端口，由黑白ＣＣＤ摄像机和自动识别跟踪系统构成的　来自　ＣＣＤ摄像机的视频信号进行预处理后，分别进入Ａ／Ｄ转换器和视频同步信号分离器。ＣＰＩ　Ｄ根据视　频同步信号产生地址信号，将Ａ／Ｄ采样后的数据按乒乓结构的顺序储存到两块双端口ＲＡＭ中　随　后由ＤＳＰ按预定算法完成识别、跟踪，得到被攻击目标相对于识别跟踪仪坐标系［同弹体（控制系统）　坐标系重台］的一组偏差量，最后将这组偏差量（即跟踪结果信息）传送给导弹控制计算机　导弹控制　计算机运用跟踪结果信息和自身的控制算法，模拟导弹控制机构对弹体姿态的控制；并同时产生三维　场景动画的坐标参量。这些参量被送给场景生成计算机，从而使目标场景发生变化，形成闭环系统。　２．２系统硬件介绍　（１）视频预处理：采用ＬＭ３１８进行视频信号的放大，从而获得更清晰的信号；　（２）视频同步信号分离器：通过ＬＭ１８８１可以准确的提取出视频信号中的同步信号；　‘　誓暑羿　作者简介：尹航（１９７７一】一）），男，北京人，北京人ｔ硕士研究生；硕士研究生ｆ主要研究方向：智能信息处理技术　维普资讯 http://www.cqvip.com

１　２·　弹箭与制导学报　（３）Ａ／Ｄ转换：根据系统精度和５１２×ｊ１２／＇帧分辨率的要求，选用了ＴＩ　Ｃ５５１０（单通道、８位、　２０ＭＨｚ）；　（４）图象存储器：采用两个４Ｋ×８ｂｈｓ、２０ｎｓ的ＩＤＴＴ１３４双端口ＲＡＭ，以乒乓结构连接在系统总　线上，实现数据的不问断存储；　（ｊ）地址产生和总线控制：采用两块ＥＰＭＴｌｇ８ＴＣ１００—１５可编程逻辑芯片，用ＡＨＤＩ　进行逻辑　设计，产生１７位的帧地址总线和帧存储器的读写控制信号，完成地址译码、中断扩展等功能；　（６）ＤＳＰ芯片介绍：ＴＭＳ３２０Ｃ３２是美国德州仪器公司推出的３２位浮点ＤＳＰ芯片，具有改进的　哈佛结构、丰富的指令集、１　６Ｍ寻址能力　多指令并行和增强的存储器接口等优点；　（７）为了实现和控制系统的数据传递和相互响应，采用了并串转换芯片ＳＴＩ６Ｃ５５２来实现　ＲＳｇ３２标准的串口通信　视颇信号　取端口　视额项处理　ＡＩＤ转换　地址产生　藩　同步信号　总线控制　渖　耻　Ｉ　丹离　辟　甲断管理　漆　地址及数据总线　控制计算机　．＿—　富千亍通信芯片　ＤＳＰ　程序及地址存储器　ＴＭＳ妃ＯＣ３２　６４Ｋ×３２ｂｉｔｓ　图２识别跟踪系统结构框图　３识别跟踪算法及其改进　在图象中细长目标的最显著的特点是具有图象中最长直的直线型边缘　因此必须首先将图象中　所有可能是细长目标边缘的直线提取出来。在边缘提取中，采用了一种由线段编码方法改进的“行扫　描带通滤波”方法　该方法将每行图象中临近、并且灰度变化不太的点归类为一个线段　经边缘提取　后，描述图象的最小单元是符合分割条件的水平灰度　线段，称为行扫描线段　为了有效利用有限的数据空　间和简化运算．边缘提取结果（行扫描线段）用矩阵表　示如下结构体：　Ｈｓｃａｎｌｎｆｏ｛ｘ，Ｗｉｄｔｈ，ＡｖｅｒａｇｅＧｒａｙ　Ｊ［ｎ，ｈｍａｘＪ。　其中：ｎ为识别跟踪仪有效视场中一帧画面所包　含的行数；ｈｍａｘ为每行中可能包含的行扫描线段数；　Ｈｓｃａｎ　ｌｎ［ｏ矩阵有三组值：ｘ：行扫描线段的右　边界位置【０～５】１，９位）；Ｗｉｄｔｈ：行扫描线段的宽度　一　ｆ　＼　（Ｏ～５１ｌ，９位）；ＡｖｅｒａｇｅＧｒａｙ：行扫描线段的平均灰　图３直线的Ｈｏｕｇｈ变换　度（０￣ｇ５５，８位）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２２卷第２期　对细长目标的准实时自动识别跟踪系统尹航　。１３。　使用１个３２位的数据便可表示一个线段的基本属性。这样数据空间的开销降低为原来的１／３。　Ｈｏｕｇｈ变换是一种非常有效的直线段检测方法。它把离散数字图象空间中一个困难的全局检测　问题，转化为参数空间中一个比较容易解决的局部峰值检测问题。对于目标几何体边缘发生间断的情　形，Ｈｏｕｇｈ变换的抗干扰性很强。这种特性对有可能被局部遮蔽的线状目标识别而言是十分重要的。　在检测到直线的同时，Ｈｏｕｇｈ变换也给出了直线的方位信息Ｐ、０。　如图３所示，直线　可用参数Ｐ和０表示，其中，Ｐ表示由坐标原点到直线的垂直距离，０表示由　坐标原点到直线的垂线同ｘ轴的夹角（坐标原点是图象处理原点尸（　ｒ，Ｙ，））。对于直线上任意一点　（　，ｙ），有关系式ｐ—Ｘ·ｃｏｓ０＋Ｙ·ｓｉｎ０。对于数字图象，平面曲线是由离散点组成　将所有曲线（实　际上就是提取出的边缘）上的离散点向某一方向（即０方向）进行投影，随着投影位置的不同（即Ｐ的　不同），投影的“深度”（即统计量）不同。其中，“深度”大的地方，在与投影位置垂直的方向上有可能存　在直线。Ｈｏｕｇｈ变换实际上就是这种投影统计变换的数学描述　若统计空间的所有曲线中有直线存　在，选定直线对应的０角，依次将直线上的点代人上式。直线通过的点的坐标将出现相同的Ｐ。这意味　着如果以Ｐ和０作为参量，做二维直方图Ａ（Ｐ，口），对应于直线Ｌ的　（Ｐ，　）将取最大值　。　实际计算时，Ｐ和０不可能取连续值，而只能将Ｐ和０离散化，（Ｐ，　０）量化得过粗，则参数空间的凝聚效果差，找不出直线的准确（Ｐ，　）　值；反过来，若（ｐ，口）量化得过细，则计算量过大。因此，需要兼顾这两　方面的因素，取合适的（Ｐ，　）的量化值。在识别跟踪系统中，Ｐ的精度　为一个象素，０的精度可以达到０．５。。　对于ＤＳＰ来　兑，计算一次余弦或正弦函数需要大约２ｍｓ的时间，　这将大大影响计算速度。为加快计算速度，在开始Ｈｏｕｇｈ变换之前，　原点　５　６　将ｃｏｓ０和ｓｉｎ０分别制成了函数表的形式。这样，Ｈｏｕｇｈ变换就变成了　ＤＳＰ所擅长的乘加的运算形式，每次变换的运算量也减为３个指令　图４跟踪区域的确定　周期　在识别出细长目标后，系统将进人跟踪状态　由于目标图象的横向相对运动速度并不快，因此，可　以将估计的一个目标可能的运动范围作为跟踪波门，在波门中进行边缘提取和Ｈｏｕｇｈ变换，从而大　幅度地降低运算量（如图４）　４系统实时性测试　在论文的研究背景中，对目标特性有如下的的先验知识：细长目标的方向与视场纵轴夹角不超过　４５。，且横向摆动的速度有限；对目标的灰度极性（黑目标还是白目标）已经了解；目标属于视场内最细　长的物体　当以５１２×２５６×８ｂｉｔｓ的分辨率采集一场电视图象的时候，对每个像素进行边缘检测的运算平　均需要１５条指令左右，因此一场的边缘提取的运算量大约为１０）ｍｓ左右　对一个边缘点进行一次　Ｈｏｕｇｈ变换平均需要２：００条指令。根据实验发现，每行图象中的边缘点在４０个以内，因此估计对一　场图象的Ｈｏｕｇｈ变换的运算量为４０×２５　６×２：００×５０ｎｓ一１０２ｍｓ左右。一次全视场识别线状目标需要　２００ｍｓ。　显然，每场耗时２００ｍｓ的识别速度相对于每场２０ｍｓ的视频信号来说　显然不能满足实时性要　求。但是当进人跟踪阶段后，假设目标与视场纵轴夹角的变化在每帧４。以内，横向移动不超过每帧５０　个像素，那么边缘提取的运算量减为原来的１００÷５１２￣－１／５，Ｈｏｕｇｈ变换的运算速度提高了６Ｏ４－８—　７．５倍，跟踪阶段的处理时间将缩短为５０ｍｓ以内。虽然不能达到每帧出一组识别数据的实时跟踪，但　维普资讯 http://www.cqvip.com

·１４·　弹箭与制导学报　是基本上达到了控制系统的要求，实现了准实时的识别跟踪。　５结论　本自动跟踪系统可以实现对细长目标的识别和跟踪，具有较高的实时性，可　达到预期要求。相　对于ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ系列的ＤＳＰ来讲，本系统在性能价格比上有一定的优越性。　［参考文献：　［１］李尊昆．电视图像自动跟踪的基本原理［Ｍ］北京：国防工业出版社．１９９８　［２］王宏附．复杂背景中细长目标的自动识别和自动跟踪ＩＶ］．北京理工大学学位论文２０００　［３］Ｋｅｎｎｅｔｈ．Ｒ．Ｃａｓｔｌｅｍａｎ．数字图像赴理［Ｍ］北京：电子工业出版社．１９９８　Ａｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌｏｎｇ—Ｔｈｉｎ　Ｏｂｊｅｃｔｓ　ＹＩＮ　Ｈａｎｇ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｌｎｓｔｉｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１１１００８１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ｛Ｂａｓｅｄ　ｏｎＤＳＰ　ａｎｄＣＰＬＤｔｅｃｈｒ￣ｄ％ｙ，ａｎ　ａｕｔｏｍａｔ￣ｇ　ｒｅ￣ｏｇ￣ｉｔｉｏｎ　ａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆｔｈｅｌｏｎ琶一ｔｈｉｎｏｂｉｅｃｔｓ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅ　ｒ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈａｆｔ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｉｍａｇｅ　ｇｕｉｄａｎｃｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｏｗ　ＣＯＳｔ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｇｕｉｄａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅ　ｇｕｉｄａｎｃｅ｝ＤＳＰ；ＣＰＬＤ；ｔｅａ［ｔｉｍｅ　ｒｅｃｏｇｎｉｉｔｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　（上接第ｌ０页）　５结论　文中提出的消除加速度计零位过程中基准倾斜带来的误差的方法，具有方法简单，实用性强，不　需要额外硬件设备等优点，虽然，只在捷联ＩＭＵ上进行了试验验证，但对于平台系统同样也是适用　的。　［参考文献］　［１］崔兴中．惯性导航系统［Ｍ］．长抄：国防工业出版社，１９８２　［２ｊ万德均．惯性导航初始对准［Ｍ］．南京：东南大学出版社。１９９８　［３］杨亚非．提高加速度计标定精度的方法［Ｊ］．中国惯性技术学报，１　９９８，６（４）ｒ　９８～１０２．　［４］王淑娟．测试基准倾斜对辨识加速度计数学模型精度的影响＿Ｊ］．中国惯性技术学报，１９９７，５（３）：３５～３８。　Ｉｓ］赵忠．加速度计零偏测量的一种新方法＿Ｊ］压电与声光，２０００，２２（６）。４２０～４２２．　Ａｎ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　Ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｔｅｓｔ　Ｄａｔｕｍ　Ｔｉｌｔ　Ｄｕｒｉｎｇ　Ｓｃａｌｉｎｇ　Ｂｉａｓ　ｏｆ　Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　Ｆｉｘｅｄ　ＬＩ　Ｈａｎ—ｚｈｏｕ，ＺＨＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｃａ　Ｌ，ＰＡＮ　Ｑｕａｎ　（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｎｄｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｄａｔｕｍ　ｔｉｌｔ　ｏｎ　ｂｉａｓ—ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｃｃｅ【ｅｒｏｒｒｌｅｔｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｆｉｘｅｄ　ｎ　ｌｎｅｒｔｉａ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｉｔ　ｗｈｅｎ　ｗｅ　ｗａｎｔ　ｔｏ　ｓｃａｔｅ　ｔｈｅ　１ｎｅｒｔｉａ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕＨ　Ｌｔ　ｂｙ　ａ　ｉｆａｔ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａ［ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｉｎｅｒｔｉａ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｉｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｂｉａｓ｛ｓｃａｌｅ；［ｎｅｒｔｌａ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｎｉｔ