基于DSP的成像制导仿真图像生成技术研究

尹哲春，张福欣，马红艳

（中国电子科技集团公司 第二十七研究所，河南 郑州 450047）

新一代精确制导武器系统的研制给光学成像制导仿真目标模拟器提出了新的要求，它要求目标/背景成像仿真系统能够提供实时变化的动态场景[1]。导弹的实体仿真不仅需要有造价昂贵的导弹或模型，而且要有占地宏大的靶场，还要有大量的人员进行观测、记录及控制等一系列工作；而且一经发射，过程不可逆转，是一件非常费钱、费时、费力的工作。其中基于DSP的图像生成技术是一项新型而又关键的技术，它可以降低研发成本，减少风险，为系统技术进步提供有力的保障。这里主要给出利用图像生成技术生成的动态场景，并模拟导弹在俯仰、航向方向工作时动态场景的变化。

1 成像制导仿真系统设计

1.1 系统的组成

为了能够实现仿真图像的实时显示，在设计DSP视频生成系统时，DSP的选择该系统设计的关键，为此这里选用TMS320C6418型DSP。以TMS320C6418为核心的图像生成仿真系统的系统原理框图，如图1所示。

图1 系统原理框图

1.2 系统工作原理

系统初始化时通过DSP将素材图像送入存储器SDRAM等待DSP处理，再由FPGA产生的行同步、场同步信号的控制下将处理后的图像数据通过DSP的EDMA通道送入FPGA的RAM中，在FPGA产生复合同步信号和复合消隐信号的控制下图像数据经D/A转换后，合成为标准的模拟视频信号。

1.3 基于DSP的系统硬件特性

DSP处理系统实现对图像数据的处理，是整个系统的核心。它由DSP器件TMS320C6418[2]、图像存储器SDRAM、程序存储器Flash构成。

TMS320C6418通过外部存储器接口（EMIF）与SDRAM、Flash和FPGA连接，构成典型的嵌入式DSP应用系统。TMS320C6418是TI公司新推出的TMS320C64xx系列的一种，主要特点为：片内512K字节RAM；操作速度高达600 MHz；支持多种外部存储器接口，包括 SRAM，SDRAM，RAOM，FIFO；增强的EDMA控制器，有64个EDMA通道。

在实时图像数字处理器中，采用SDRAM存储图像数据有2个优点：一是速度高，存取时间可达8 ns；二是单片容量大，有利于减少图像处理系统的体积。

对于DSP处理系统，必须扩充片外程序存储器，这里选用的是Flash存储器。TMS320C6418的RAM（L2）容量达到512 KB，而DSP系统的应用程序通常不是特别大，因此，在系统上电以后将使用的程序装载到L2中，这样可以提高程序的访问速度。

1.4 基于DSP的系统成像制导仿真图像生成软件

1）DSP初始化程序 完成上电复位以后的初始化工作，主要包括对外部存储器件SDRAM、Flash的配置和初始化及将素材图像数据搬入SDRAM。

2）DSP系统图像数据的传输程序 在图像生成中存在大量的数据传输，包括：目标和背景数据传输，以实现图像数据的融合处理；SDRAM与DSP内部RAM的数据传输，以实现目标提取的处理；SDRAM与FPGA的RAM的数据传输，以实现视频图像的实时显示。

3）图像处理程序 根据图像的特点选择合适的图像处理算法，提取目标，给控制端提供脱靶量，以实现图像的闭环跟踪。

4）制导控制程序 根据外部输入的输入条件，即跟踪、扫描等命令，使其能够模拟导引头工作时真实场景的动态变化。

2 成像制导仿真图像生成关键技术

2.1 背景和目标的模型建立

目标是指军事武器作战的对象物，而背景是除目标之外的一切空间物质。目标与背景是相对的，同一物体有时可以成为目标，有时也可以是背景。对于成像制导而言，根据目标与背景所在地理位置高度或性质的不同，可把目标与背景分成3类：空中目标与天空背景、海面目标与海洋背景、地面目标与地物背景。

背景图像的生成可以使用形状规则的矩形光栅图像[3]，例如带有天空和地面的*.bmp位图图像。在某些特定的场景中还需要花、草、树、汽车、房屋等不规则形状的目标光栅图像，例如要在已有的场景中生成一颗大树，如何才能透过树叶和枝杆的缝隙看到后面的景物。这在DSP中没有专门的函数来进行处理。但可采用以下方法实现：

1）首先用3DMAX软件生成所需要的花、草、汽车等，生成文件为*.BMP位图文件格式，用PHOTOSHOP软件将感兴趣的图像将其对比度、亮度加以调整。将其位图图像做成矩形，便于DSP算法处理。

2）背景与目标的融合，确定目标的位置后，需要把背景和目标融合起来[4]。但是由于背景与目标之间存在亮度差，如果简单地重叠，就会出现明显的缝隙。为了达到无缝融合，把背景与目标重合区域的边缘按一定的加权值合成为新的边缘。

式中，Inew为合成的新的边缘图像，I1和I2为目标与背景重叠区域的边缘图像，w为加权系数。

设重叠边缘区域的宽度为d，那么拼接的图像I1随着向I2的过渡，w由0→1，增量为1/d呈线性变化。该算法实现了目标与背景边缘的均匀过渡，达到很好图像无缝融合的效果。

3）对生成的图像进行滤波处理。

2.2 素材图像数据的生成

各种各样的背景图像和目标图像存放在存储器中，这就要将所取得素材转换成数字图像然后通过烧写程序将这些素材通过DSP烧写到存储器中。

1）将素材用软件转换成TI CCStudio调试软件能够识别的数据格式[5]。具体格式如图2所示。

图2 数据格式

例如：

1651 1 10000 1 10

0x00

0x00

0x00

0x00

……

2）通过CCStudio的File->Data->Load菜单将素材数据装入相应的地址空间。

3）通过编写的烧写程序将素材数据固化到存储器相应的地址空间。

3 导引回路图像的实时仿真

要真实地仿真作战环境，就必须考虑目标的各种运动规律。描述目标的运动可以有3种方法：1）目标运动，导引头框架不动；2）目标不动，导引头框架运动；3）目标和导引头框架同时运动。

在人工捕获目标的导弹仿真回路中，一般情况下目标是固定的，靠人工操作控制导弹搜索、跟踪目标，因此本文采用方法第2种方法（即目标不动，导引头框架运动）来进行图像仿真。仿真过程如图3所示。

图3 导引头视场仿真过程

仿真图像生成后将图像送入图像处理模块[6]，图像处理模块运用图像处理和识别技术完成目标的检测、识别和跟踪，并根据目标方位，给出相应的误差信号；控制模块根据相应的控制命令进行导引头的方位和俯仰扫描，一旦发现目标立即转入跟踪状态进行跟踪，同时计算导引头的位置和姿态参数；导引头的调整结果作为反馈被送回仿真视场图像生成模块，该模块根据反馈信号计算生成下一幅图像。仿真的实际效果图如图4所示。

图4 导引头捕控目标的仿真图

4 结束语

介绍了基于DSP处理器的成像制导图像生成仿真系统，并在某导引头仿真系统中得到应用，真实模拟出导引头搜索、捕获目标的全过程。该仿真系统可以对导引头的目标识别能力和制导能力给出判断，并由此改进目标识别系统，从而提高精确制导的能力。随着精确制导武器系统的发展，基于DSP的成像制导仿真必将取得越来越大的进展，发挥越来越重要的作用。

[1]虞红，雷杰.可见光成像制导半实物仿真中的图像生成技术[J].现代防御技术，2006（6）：107-120.

[2]Texas Instruments.TMS320C6418 fixed-point digital signal processor data manual[EB/OL].（2006.6）.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320c6418.pdf.

[3]关沫，黄有群.OpenGL实用技巧编程两则[J].沈阳工业大学学报，2000（4）：322-323.

[4]付厚超，陈宗海.基于垂直边缘处理的全景图像的拼接[J].计算机工程，2004（4）：133－137.

[5]彭启琮，管庆，等.DSP集成开发环境—CCS及DSP/BIOS的原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.

[6]张建，张建奇，邵晓鹏.基于Vega Prime的红外场景生成技术在成像制导仿真系统中的应用[J].红外技术，2005（2）：125-128.