浅析一种吊舱通信及图像处理系统的设计开发

田浩

摘 要 本文主要研制一特定电路（通信及图像处理系统，以下简称“处理电路”），将来自主控系统的电源转换为自身需要的电源和两种传感器需要的电源，通过转发来自主控系统的指令实现对传感器的各种功能控制，通过采集来自传感器的视频信号和各系统的信息实现对图像信号的处理，图像处理主要包括字符叠加和跟踪功能的实现。

关键词 吊舱通讯;图像处理;系统设计

1处理电路功能分析

对于来自主控系统的28V电源，处理电路要进行分解，使自身和两个传感器均能满足要求，同时还需要考虑接地和干扰的问题，视频的传输和电源相反，处理电路需要采集来自两个传感器的视频信号，具有切换功能，需要进行AD＼DA的转换，需要选择合适处理器、逻辑处理电路和缓存，以满足复杂图像处理的需求[1]。

2详细设计

2.1 总体设计

考虑到供电系统较为复杂，电源模块体积较大，同时吊舱内部空间有限，可把本处理电路系统分为两部分，做两块印制板，一块专用于电源处理，另一块专用于核心功能的实现，同时还可避免电源对核心处理模块的干扰。

2.2 系统软件设计

（1）字符叠加功能的实现

与PC机软件开发不同的是，DSP系统软件没有相应的字符库供开发人员调用。为此设计了如下的字符叠加解决方案：

1）数字字符，每个数字用“日”字形显示，每个数字按“日”字形编码后，调用专用的数字字符显示函数添加到图像中;

2）汉字字符。本系统中所用的汉字个数有限，程序中为每个可能要显示的汉宁建立一个专门的二维数组，对应图像中的某个正方形像素区域，数组中相应位为1表示图像中对应像素是汉字的组成像素，反之不是。如此对汉字编码后调用专门的汉字显示函数添加到图像中;

3）其他形状同汉字字符编码方法类似。

（2）跟踪算法的实现

跟踪系统的核心部分为根据主控系统的指令进行图像跟踪，其中开始跟踪指令中需要包含目标跟踪的初始波门，即初始跟踪窗。根据技术要求，本跟踪算法将包括对比度跟踪和相关跟踪。

1）跟踪任务分析

在使用对比度跟踪算法时，目标背景对比度越低，跟踪越困难，因为在低对比度条件下、背景起伏导致目标难于提取：在使用相关跟踪算法时，目标已经有一定的面积，影响跟踪的主要因素是目标与其运动环境的可区分性（灰度分布差异）以及重复模式的多少，对于目前的图像跟踪算法无法适应的情况，操作员介入重新设置跟踪框。

2）对比度跟踪算法

对比度跟踪算法其基本思想是将目标和背景分离出来。可以跟踪快速运动的目标，基本不受目标姿态变化的限制。通常跟踪框需要包含目标和一部分背景、但本方法的识别能力差，不适合跟踪复杂背景中的目标。将目标从背景中分离出来通常采用图像分割的方法，主要包括阀值分割和边缘检测。阈值分割主要应用于背景不复杂的情况，利用图像中目标与背景的直方图分布的差异选取阀值，将原图像变换为二值图像，达到目标与背景分离的目的。

2.3 总体设计布局

处理电路采用DSP+FPGA结构，由高速DSP为处理核心组成计算系统，采用特定算法完成计算任务，使用FPGA实现系统I/O接口、电路内部部分互连接口以及部分预处理任务。该跟踪器由FPGA实现系统/O接口及处理内部部分互连接口，提高了系统设计的灵活性，使得系统具有一定的可重构和可扩展的能力。

3难点分析

3.1 通信中对于错误数据的处理

通信模式选择RS-422，一帧数据有16字节，在通信中如果接收到错误的一帧数据，特别是多或者少了几个字节，怎么处理非常重要。

为解决这个问题，进行以下分析：

FPGA接收一帧数据需要的时间为4.58ms（16×（8*3）bits/38400bits/s=4.58ms），也就是说在20ms时间里接收一帧数据只用4.58ms，其余时间空闲。那么我们在FPGA程序中作如下处理：一帧中第1字节数据到来时开始计时，等待4.8ns后，若不够或多于16字节，则清空FIFO;若刚好16字节则通知DSP来取，取后清空。如此反复即可。

3.2 高速数模混合设计

本处理电路是典型的高速数模混合系統，涉及高速视频编解码、高速数字处理，其中DSP处理速度高达600MHz。高速数字、模拟电路集中在单板有限空间，数字电路噪声干扰极易影响模拟电路性能。PCB设计中需要采用高速数模混合设计技术，进行数字电路信号完整性和电源完整性仿真分析，信号回流路径分析，优化布局，合理滤波等。

3.3 高帧频大幅面（彩色）视频数据的传输与存储

在本项目中，由于输入图像具有较高分辨率，且图像处理任务会耗费较多的处理器时间和存储资源。为减少处理器时间的和存储资源的占用，待显示的图像数据道路须独立于处理通路，系统接收传感器输入图像数据后，直接由FPGA控制进入显示缓存，DSP处理收图缓存中的Y分量，完成跟踪算法后，将需要显示的点阵字符以高亮通过FPGA写到对应的显示缓存中，FPGA将叠加了标识、符号的数字图像送往视频DAC，由视频DAC编码成PAL制式模拟视频输送往主控系统。

4结束语

目前本处理电路已经应用在整个系统当中，发挥着重要的作用，各方面指标均满足要求。本系统的研究，填补了公司在通讯及图像处理技术方面的空缺，也将为我公司其他产品的功能拓展打下了坚实的基础。为达到更好的应用效果，今后还需要再跟踪算法优化方面做更为深入的探索和研究。

参考文献

[1] 马吉甫，高雪峰.基于扫描线的连通域搜索算法[J].福建电脑，2006（12）：121.