隨著計算機技術和圖像處理技術的飛速發展,被動式電視跟蹤系統以其高分辨率、直觀感強、抗干擾性能好、成本低等優點,在軍事上受到普遍重視,尤其在防空火控系統中獲得了廣泛應用。然而,由于數字圖像處理技術數據量龐大,算法復雜,使得運算速度和精度往往成為限制電視跟蹤系統整體性能的瓶頸。解決辦法包括采用多處理器模式、提高核心處理芯片的運算能力或者探索更加高效的跟蹤算法等。無論從設計的簡化還是便于系統升級來說,提高核心處理芯片運算能力的方法無疑受到廣大用戶的青睞。專門用于視頻圖像或者音頻信號的DSP (數字信號處理器)芯片能夠滿足以上需求。另外,FPGA (現場可編程門陣列)的諸多優點使其迅速應用到數字電路設計中。在核心芯片DSP的控制下,配合FPGA,能實現較復雜的圖像處理任務和控制算法。FPGA對DSP起到重要的輔助作用,簡化了電路設計,降低了成本,提高了穩定性?；贒SP的電視跟蹤系統中,探索出了一種利用FPGA完成視頻疊加和其他輔助功能的方法,構成了一個功能完整的實時目標搜索跟蹤系統。

1　系統硬件設計

系統組成框圖如圖1所示,主要由圖像輸入部分、圖像識別處理部分和伺服隨動系統三大部分組成。圖像輸入部分為攝像頭或視景仿真計算機。攝像頭用來攝取實時圖像,視景仿真計算機則可以根據訓練或評估的需要,設定多種目標模型和航路參數,利用3D建模軟件模擬實戰環境和飛行條件,實時產生視頻圖像信號。圖像識別處理部分主要由圖像采集模塊、目標跟蹤和識別模塊、通信控制模塊、伺服控制模塊、字符和信息疊加模塊、電源模塊組成。實時采集并處理輸入的視頻信號,完成對目標的搜索和跟蹤,并在輸出視頻上疊加字符、波門等信息。并將目標偏移量進行D/A轉換及放大調整,監測操作面板各個開關的狀態。伺服隨動系統根據上述偏移量對云臺(攝像頭)位置進行調整或將誤差信號傳輸給視景仿真計算機,控制目標的生成,從而實現對仿真目標的電視跟蹤。

本系統采用的核心處理芯片是TMS320DM642 DSP,這是一款針對視頻/圖像處理的定點DSP,其顯著特征是高度集成了視頻輸入輸出端口,支持所有主要的視頻標準。本系統中采用其視頻端口 0和視頻端口 2,分別連接視頻編碼芯片和解碼芯片,負責視頻信號的采集和輸出。通信控制模塊包括兩路標準RS232串口,其中一路連接系統控制面板,讀取開關狀態,控制面板指示燈,另一路連接火控計算機,接受火控計算機輸出的火控系統參量信號, DSP控制其與原視頻信號進行疊加復合,然后送監視器供操作手觀察。

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2　系統軟件設計

軟件從功能上可分為圖像采集、圖像處理、識別跟蹤、顯示控制和主控等模塊,主要完成視頻采集、視頻(幀信號)處理(預處理、二值化、目標識別、跟蹤、預估) 、視頻疊加、網口(視景仿真計算機)通信、IC通信(輔助控制板)和視頻顯示6個任務。

TI公司DSP開發環境為CCS,對應DM642的版本是2. 21, CCS中工作模式采用多線程處理方式,圖2中各個功能塊作為不同的任務分別創建、執行。

視頻處理任務定時向輔助控制板報告其當前工作狀態,如果處于鎖定跟蹤狀態則送出目標偏移量,否則送出兩個全零字節。然后,輔助控制板向DSP報告對操作面板的監測結果。

為了防止多任務造成資源沖突,造成程序混亂,需要對它們執行的時序和調用關系進行控制。本系統采用了兩種方法進行控制：
a) 使用SCOM (同步通信模塊) 。SCOM的作用是在兩個任務之間傳遞消息,對于兩個有確定時序關系的模塊,確保兩者按照規定順序執行,避免對共享區域形成讀寫沖突。
b) 使用臨界段定義。對于時序關系不確定的兩個任務,它們之間的共享數據定義為臨界段代碼,這使得其數據不能被一個以上的進程同時訪問,并禁止其無關線程訪問臨界數據。否則,如果其他線程訪問了其內部數據,可能使得整個程序處于異常狀態,可能導致資源沖突、死機或者其他不良后果。本方法的缺點是臨界數據不能過長,否則將使得程序執行緩慢。

3　視頻疊加的實現

電視監視器上需要顯示的字符、波門信息供操作者觀察使用,其疊加任務由FPGA 實現。采用FPGA完成視頻疊加任務的數字式電視跟蹤系統的優點主要體現在以下兩個方面:首先,系統中不可避免存在大量控制信號,需要進行較多的邏輯變化,為了避免分立器件帶來的電路的繁瑣,提高穩定性,可以充分利用FPGA空間,利用FPGA完成邏輯處理任務,從而不添加額外的邏輯控制電路。其次,在視頻信號上疊加火控計算機送來的信號,包括目標高度量、距離量和速度量、跟蹤波門、跟蹤狀態以及視場中心十字線。這些信息的疊加要求透明顯示,能夠實時刷新,而FPGA就能夠達到上述要求。