基于PowerPC的小目標檢測系統設計

摘　要:小目標檢測與硬件實(shí)現技術(shù)是決定精確制導武器性能的關(guān)鍵技術(shù)之一,其難點(diǎn)在于如何解決運算量大、實(shí)時(shí)性要求高與系統小型化要求之間的矛盾。選取了動(dòng)態(tài)規劃小目標檢測算法,分析了其算法特點(diǎn)與資源需求,在此基礎上提出并實(shí)現了基于嵌入式PowerPC處理器硬核的SOPC解決方案。系統的調試結果證明,這一設計方案能夠實(shí)時(shí)完成小目標檢測的任務(wù)。

　　1　引　言

　　小目標檢測系統的任務(wù)是根據探測器獲取的圖像序列實(shí)時(shí)地把小目標從噪聲中檢測出來(lái),它的實(shí)現是目標識別跟蹤的前提和基礎。小目標檢測需要對探測到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,運算量巨大。另外,特殊的應用環(huán)境又對小目標檢測系統在低功耗、輕小型化等方面提出了更高的要求。因此,完成小目標檢測任務(wù)不僅需要尋求合理的小目標檢測算法,在實(shí)現時(shí)還需要考慮處理性能和體積功耗。

　　2　DPA算法簡(jiǎn)介

　　探測器與目標較遠時(shí),目標在紅外圖像上的成像面積很小,一般不超過(guò)探測器像元的大小,因此表現為小目標,而且圖像信噪比很低。低信噪比條件下的小目標檢測,首先要解決的是目標能量積累的問(wèn)題?；趧?dòng)態(tài)規劃的能量累加算法(DPA算法)可以對小目標進(jìn)行有效的能量積累。如圖1所示,DPA算法主要包括三個(gè)部分: ①基于動(dòng)態(tài)規劃的小目標能量累加; ②門(mén)限分割; ③基于軌跡關(guān)聯(lián)與置信度檢驗的目標軌跡處理,下面對這三部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

圖1　小目標檢測算法結構圖

　　基于動(dòng)態(tài)規劃(DP)的能量累加算法是一種典型的先跟蹤后檢測算法。在多幀圖像序列中首先估計目標的運動(dòng)軌跡,沿軌跡進(jìn)行目標能量積累,然后對能量積累后獲得的圖像進(jìn)行檢測判決。由于目標能量在不同幀之間是相關(guān)的,而噪聲在不同幀之間是不相關(guān)的,因此沿目標軌跡上的能量積累將大于非目標軌跡上的能量積累,能量積累后的圖像有效提高了信噪比,從而獲得較好的檢測性能。

　　經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)規劃能量累加后的圖像為灰度累加和圖像,此時(shí)目標點(diǎn)的能量遠大于噪聲,因此可以根據某一準則確定分割門(mén)限,剔除絕大部分噪聲軌跡點(diǎn),獲得候選目標點(diǎn)集,進(jìn)而完成目標檢測。

　　經(jīng)過(guò)目標能量累加和恒虛警門(mén)限分割后,得到候選目標集。從這些候選目標集中找到真實(shí)目標的軌跡,共需要四部分的工作:新軌跡的建立、軌跡關(guān)聯(lián)匹配、目標軌跡狀態(tài)預測、滑動(dòng)軌跡置信度檢驗。

　　3　系統實(shí)現

　　根據前面對小目標檢測算法的特點(diǎn)分析,動(dòng)態(tài)小目標能量累加算法操作簡(jiǎn)單,運算量大,處理時(shí)間要求嚴格,適合用硬件實(shí)現;而軌跡關(guān)聯(lián)算法操作復雜,但處理的數據量小、時(shí)間相對寬裕,適合用軟件來(lái)實(shí)現。在綜合考慮了系統的體積、功耗、穩定性等因素后,最終選取了SOPC的實(shí)現方案,將整個(gè)系統集成于一塊核心芯片———Virtex - 4 FPGA上。能量累加由構建于FPGA內部的專(zhuān)用硬件子系統來(lái)完成;軌跡關(guān)聯(lián)部分則由Virtex - 4 FPGA內嵌的PowerPC405處理器來(lái)完成。