基于DSP的海上紅外小目標檢測系統(tǒng)設計

李 雷，張 曄，胡 楷

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214035）

0 引 言

海上爭端日益頻繁，搭載紅外探測器的光電設備以隱蔽性好、抗干擾性強、環(huán)境適應性好的特點，得到廣泛的應用。圖像處理是光電系統(tǒng)中的關鍵技術，實際使用中需要盡可能遠距離發(fā)現(xiàn)目標，良好的目標檢測性能對于整個光電系統(tǒng)極為重要。

目標檢測是一個熱門的研究課題，許多學者對目標檢測進行了研究。呂璐等人對深度學習的目標檢測研究進行了綜述分析，指出基于深度學習的目標檢測算法對小目標的檢測效果不太理想，且耗時較長，不利于實時系統(tǒng)的應用[1]。丁榮莉等人對艦船檢測算法做了總結(jié)和歸納，指出了檢測算法的適用性和優(yōu)缺點[2]。相比遙感圖像的艦船目標檢測，海上目標有一個顯著的特點，即它存在于天空與海洋交匯處[3]。利用海上目標的這一特點，胡耀輝等人提出了一種基于海天線的弱小目標檢測方法[4]，但此方法不利于工程實現(xiàn)。

隨著數(shù)字信號處理器（DSP）技術的飛速發(fā)展，DSP以強大的計算能力和較小的體積受到越來越廣泛的應用[5-6]。結(jié)合DSP的硬件特征，圍繞DSP處理器搭建一套符合技術要求的光電系統(tǒng)已成為主流架構(gòu)[7]。

針對海上紅外小目標實時檢測的需求，本文以飛騰M6678 DSP為核心處理器，設計一種海上紅外小目標檢測系統(tǒng)，結(jié)合DSP的硬件特征和算法原理，設計多核處理架構(gòu)，多核分別實現(xiàn)海天線檢測功能和小目標檢測功能，通過主程序的調(diào)度實現(xiàn)檢測功能的并行處理。同時，借助DSP開發(fā)環(huán)境CCS（Code Composer Studio）對海天線檢測算法軟件和小目標檢測算法軟件進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)滿足實時性要求的海上紅外小目標檢測系統(tǒng)，并進行驗證。

1 硬件平臺設計

基于Xilinx的K7現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）和銀河飛騰的M6678 DSP處理器搭建硬件處理平臺。平臺通過FPGA的Camera Link接口采集紅外相機圖像，通過DSP串口接收控制指令，發(fā)送檢測結(jié)果和狀態(tài)信息。平臺內(nèi)部通過4X@3.125 Gb/s的SRIO鏈路實現(xiàn)FPGA與DSP之間的圖像高速傳輸，通過EMIF接口實現(xiàn)DSP與FPGA之間的控制命令交互，通過GPIO接口產(chǎn)生中斷。硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件平臺框圖

M6678是一款高性能國產(chǎn)DSP，單片DSP含有8顆M66x DSP內(nèi)核（稱為M66x CorePac），每顆內(nèi)核工作主頻均為1 GHz；定點運算性能高達32 GMAC/s，浮點運算性能高達16 GFlops；每顆內(nèi)核還包含32 KB L1P、32 KB L1D和512 KB L2 SRAM，8核共享4 MB共享內(nèi)存。M6678具有PCIe、SRIO、GbE等高速接口，能夠廣泛應用于通信、圖像和雷達等信號處理領域。

2 軟件設計

嵌入式軟件是系統(tǒng)的一個重要組成部分，良好的可靠性設計決定整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。嵌入式軟件設計時，需要將各功能分解并進行模塊化設計，保證各模塊間的相互獨立，通過主程序的調(diào)度將各功能串聯(lián)。同時，還應結(jié)合處理器的特征對架構(gòu)精簡設計，降低各處理器核的軟件負載，保證系統(tǒng)的實時性。

2.1 功能設計

根據(jù)系統(tǒng)需求，對軟件功能進行模塊化分解，分為硬件驅(qū)動模塊、通信協(xié)議模塊、狀態(tài)管理模塊、海天線檢測模塊、紅外小目標檢測模塊和遠程升級模塊。主程序?qū)崿F(xiàn)對各功能模塊的調(diào)用。

1）硬件驅(qū)動：硬件驅(qū)動實現(xiàn)DSP處理器內(nèi)核初始化和接口初始化，如PLL、SRIO、EMIF、UART、GPIO、EDMA、IPC等。

2）通信協(xié)議：接收外部控制命令并解析，返回檢測結(jié)果及狀態(tài)信息等。

3）狀態(tài)管理：對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測，對異常情況進行上報，如圖像接收異常等。

4）海天線檢測：是系統(tǒng)實現(xiàn)紅外小目標檢測的關鍵步驟，根據(jù)FPGA傳入的圖像對海天線進行檢測，輸出海天線位置信息。

5）紅外小目標檢測：是系統(tǒng)實現(xiàn)紅外小目標檢測的關鍵步驟，根據(jù)FPGA傳入的圖像，結(jié)合海天線檢測輸出的位置信息，對海天線附近目標進行檢測，輸出小目標的位置信息。

6）遠程升級：通過DSP的串口實現(xiàn)DSP程序的遠程升級，減少設備拆機次數(shù)，實現(xiàn)在線升級功能。

主程序通過將上一模塊的輸出傳遞至下一模塊的輸入，減少各模塊間的耦合，避免各模塊運行間的資源沖突。模塊間的相互獨立和主程序的調(diào)度使得軟件程序更加簡潔明了，便于軟件程序的更新及維護。

2.2 架構(gòu)設計

海天線檢測和紅外小目標檢測是系統(tǒng)實現(xiàn)海上紅外小目標檢測的兩個核心模塊，DSP串行處理兩個檢測模塊的時間較長，結(jié)合M6678的硬件特征，將海天線檢測模塊和小目標檢測模塊分別在DSP的兩顆內(nèi)核上獨立運行，通過主程序?qū)崿F(xiàn)檢測功能調(diào)度。如圖2所示，核1實現(xiàn)海天線檢測功能，核2實現(xiàn)小目標檢測功能，雙核采用流水并行處理架構(gòu)。

圖2 DSP雙核流水示意圖

DSP的應用程序可以在SYS/BIOS[8]下運行，也可以在裸系統(tǒng)下運行?；赟YS/BIOS操作系統(tǒng)運行應用程序，所占用資源較多，調(diào)度開銷較大。基于SYS/BIOS的軟件架構(gòu)適合多任務多線程的系統(tǒng)。

本文基于功能模塊化進行設計，各從核程序功能結(jié)構(gòu)單一，主核程序以串行處理為主，因此DSP以裸系統(tǒng)方式運行應用程序。相比SYS/BIOS操作系統(tǒng)的方式，裸系統(tǒng)所占用資源少，核間通信所需時間開銷更小。

2.3 軟件流程設計

算法是實現(xiàn)海上紅外小目標檢測的核心，基于算法原理及處理步驟設計軟件流程。核0完成硬件資源、接口驅(qū)動初始化，接收來自FPGA的圖像，解析串口命令，調(diào)度核1及核2分別實現(xiàn)海天線檢測和小目標檢測功能。核0與核1、核2之間調(diào)度通過IPC核間通信實現(xiàn)。

核間通信是實現(xiàn)多核程序運行的重要環(huán)節(jié)。M6678 DSP由核間中斷觸發(fā)通信后，配置相應的寄存器，以完成通信。

核0向核1發(fā)送IPC_core0中斷，同時傳遞圖像存放地址和圖像大小信息，啟動核1進行海天線檢測，核1提取出海天線位置信息，通過IPC_core1中斷通知核0。核0根據(jù)海天線位置計算目標潛在區(qū)域，向核2發(fā)送IPC_core0中斷，將待檢測區(qū)域圖像信息發(fā)送給核2并啟動核2進行小目標檢測，核2完成小目標檢測后，通過IPC_core2中斷通知核0。核0接收到小目標信息后，根據(jù)篩選規(guī)則進行目標上報。軟件處理流程如圖3所示。

圖3 軟件處理流程

2.4 關鍵算法軟件實現(xiàn)

利用C語言，結(jié)合DSP運算的特征及算法原理實現(xiàn)海天線檢測和紅外小目標檢測功能，并針對其中計算復雜度較高的步驟進行優(yōu)化設計。

2.4.1 Canny檢測實現(xiàn)及優(yōu)化

1）Canny檢測[9]的基本原理是通過查找圖像梯度的局部最大值來得到邊緣信息，通過高斯濾波去噪對圖像進行預處理。高斯濾波器核的產(chǎn)生可根據(jù)算法原理的公式得到，如下：

本文設計時，利用常量表代替高斯濾波器核系數(shù)實時計算，減少函數(shù)運行時間。

2）按照常規(guī)雙層for循環(huán)設計5×5的高斯濾波程序。由于DSP編譯器無法對外層循環(huán)進行優(yōu)化處理，導致DSP的指令流水并行度不高。而充分利用軟件流水方式能極大提高程序運行效率，因此，本文優(yōu)化設計時，將5×5濾波程序的雙層for循環(huán)展開為單層for循環(huán)。即將：

for（i=0；i＜5；i++）{

for（j=0；j＜5；j++）{

}}

優(yōu)化為for（i=0；i＜25；i++）{}。

3）計算當前像素點的梯度及方向，常規(guī)流程按照逐像素點計算，即算出每個像素點梯度強度的幅值和梯度的方向。

DSP只有加法器和乘法器，平方根、除法、三角函數(shù)等計算需要調(diào)用庫函數(shù)來實現(xiàn)，但頻繁調(diào)用函數(shù)會打斷DSP的指令流水，增加程序運行耗時。針對此問題，本文對算法處理過程進行優(yōu)化設計，即每個算法步驟將所有點計算完成，將結(jié)果緩存并送至下一算法步驟。優(yōu)化計算過程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化計算過程

平方根、除法和反正切函數(shù)可以調(diào)用相應的矢量運算庫函數(shù)sqrtsp_v（）、divsp_v（）、atansp_v（），庫函數(shù)在計算時對指令進行并行處理，增加單個時鐘周期計算量，大大提高了計算速度。

2.4.2 Hough變換實現(xiàn)及優(yōu)化

1）對于xOy平面，通過平面上任意一點xi yi的直線有無數(shù)條，并且可表示為yi=axi+b，經(jīng)過極坐標公式轉(zhuǎn)換后，公式如下：

海天線是通過Hough直線檢測[10]特征最明顯的直線，因此只要獲取ρθ參數(shù)空間累加最大值的ρmaxθmax，就可通過式（2）反運算得到擬合的海天線直線。

查找參數(shù)空間累加最大值的ρmaxθmax，需要計算每個像素點在每個角度的正弦值和余弦值，DSP的三角函數(shù)計算需要調(diào)用加法指令、乘法指令實現(xiàn)，調(diào)用一次三角函數(shù)耗時約為180 ns，大量的三角函數(shù)計算會導致DSP運算耗時增加。

為減少函數(shù)運行耗時，根據(jù)海天線角度范圍和精度，采用查找表的方式代替三角函數(shù)實時計算，即提前計算出1°～180°，每次角度增量為1°的正弦值和余弦值，然后分別存放在常量表中。當調(diào)用三角函數(shù)計算時，只需查找對應角度的常量值，如計算50°的正弦值時，只需查找SIN_TABLE[50]的值即可。采用這種方式計算可以減小計算復雜度，同時查找表的指令還可與其他指令并行，減少程序耗時。

2）Hough檢測器進行累加值計算時，需要完成檢測計數(shù)器清零操作。由于計數(shù)器模板較大，清零操作會增加DSP軟件運行耗時，故本文結(jié)合DSP硬件特征，設計軟硬件并行的方式實現(xiàn)計數(shù)器清零操作。

DSP通過調(diào)用DMA控制器[11]實現(xiàn)數(shù)據(jù)搬移，此操作不占用DSP軟核的資源，因此在每幀Canny檢測開始之前，先啟動DMA，通過DMA將一塊數(shù)值全為0的空間數(shù)據(jù)搬移至計數(shù)器空間，實現(xiàn)計數(shù)器清零的操作，同時對DSP內(nèi)核進行Canny檢測處理。在Hough變換前，通過查看DMA狀態(tài)寄存器確認DMA搬移是否完成。

通過此方法實現(xiàn)軟硬件的并行處理，能夠減少DSP的軟件負載，從而提高系統(tǒng)運行速度。

2.4.3 紅外小目標檢測實現(xiàn)

系統(tǒng)的主要目的是進行紅外小目標檢測[12]，既要滿足檢測性能需求，同時也要滿足實時性要求。傳統(tǒng)方法采用全圖檢測，此方法計算量大同時也存在虛檢。

由海上紅外小目標特點可知，小目標存在于海天線附近，根據(jù)海天線的位置即可確定目標潛在區(qū)域。在潛在區(qū)域檢測通過new Top-hat[13]的檢測方法完成紅外小目標檢測，既可減少檢測程序運行時間，同時還能減少虛檢。

本文除使用上述方法外，還采用其他優(yōu)化方法，如CCS編譯器優(yōu)化、內(nèi)聯(lián)函數(shù)、#pragma預編譯指令、restrict關鍵字等，通過優(yōu)化提高DSP的運行效率。

3 實驗結(jié)果分析

通過CCS的Load Memory功能將圖像數(shù)據(jù)導入DSP的DDR空間，圖像尺寸為640×512像素。通過CCS Image Analyzer分析工具查看最后檢測結(jié)果。通過統(tǒng)計程序運行前后的DSP時鐘周期，計算程序運行耗時。本文選取了兩種不同的場景進行海上紅外小目標檢測的實驗，驗證目標檢測準確性的同時也對程序優(yōu)化前后耗時進行對比。

場景一：海天線為水平的一條直線，2個目標在海天線上方，如圖5a）所示。

從核收到圖像后，對圖像進行海天線檢測，提取海天線；主核收到從核的海天線檢測結(jié)果，更新目標檢測區(qū)域，在原始圖像上對海上小目標進行檢測，檢出目標如圖5a）白色小框所示。

場景二：海天線為傾斜的一條直線，2個目標在海天線上方，如圖5b）所示。

從核收到圖像后，對圖像進行海天線檢測，提取海天線；主核收到從核的海天線檢測結(jié)果，更新目標檢測區(qū)域，在原始圖像上對海上小目標進行檢測，檢出目標如圖5b）白色小框所示。

圖5 實驗結(jié)果

兩種場景優(yōu)化前后的耗時統(tǒng)計如表1所示。

由表1實驗結(jié)果可知，系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后均能檢出小目標，同時耗時均在25 ms以內(nèi)，滿足實時檢測的需求。

表1 優(yōu)化前后運行時間對比表 ms

4 結(jié) 語

本文以M6678 DSP為核心處理器，設計一種可滿足實時性要求的海上紅外小目標檢測系統(tǒng)。根據(jù)檢測算法原理，結(jié)合DSP內(nèi)核架構(gòu)的特點，對系統(tǒng)軟件進行優(yōu)化設計。實驗結(jié)果表明，在滿足檢測海上紅外小目標的條件下，本文系統(tǒng)DSP運行耗時小于25 ms，達到40 Hz處理能力，滿足實時性的需求。同時，多核架構(gòu)的設計和軟件優(yōu)化方法也為圖像處理算法DSP的實現(xiàn)提供了參考。