摘 要： 針對導引頭信息處理機研制和調試的迫切需要，設計以TMS320DM642數字信號處理器(DSP) 為核心處理器，基于高性能PC機和PCI總線的數字場景仿真系統。系統既可以輸出由PC機仿真的數字場景，也可以輸出由CCD攝像頭采集后經過A/D轉換的數字場景;還可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結果，然后在數字場景中疊加跟蹤框評估跟蹤效果。重點介紹該系統的工作原理、基本組成與詳細設計。試驗結果表明系統滿足了實際應用的需要。

　　關鍵詞： 省級學報論文發表,場景產生器,DM642,PCI,跟蹤效果評估

　　Design and implementation of image target simulator based on PCI bus

　　XU Yong?hui， SUN Chuang， LI Shi?bin

　　(Automatic Test and Control Institute， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China)

　　Abstract：With advances in image?guided weapons， it is quite necessary to develop a real?time digital scene simulator system to manufacture and debug the seeker information processing machine. Digital scene simulator system based on TMS320DM642， PC and PCI bus was designed. The system can output the digital scenes simulated by PC， or output the digital scenes collected by CCD camera and then generated through A/D conversion. It also can receive the tracking result from the information processor， and then superpose the cross cursor on the digital scene to evaluate the tracking effect. The working principle， basic composition and detailed design of the simulator system are introduced in this paper. The implementing methods of the system software and hardware are described in detail. The experimental results indicate that the system can meet the requirements of practical applications.

　　Keywords： scene generator; DM642; PCI; evaluation of tracking effect

　　現代光電技術的迅速發展，促進了精確制導與武器防御系統的日益成熟和完善[1]。圖像制導技術已經成為精確制導研究的主要發展方向。圖像制導武器的核心部件是導引頭信息處理機，導引頭信息處理機算法的好壞直接影響了精確制導武器的精確度。必須擁有測試和評估導引頭信息處理機算法性能的手段。外場試驗雖然能夠提供真實的目標與背景環境，但外場試驗首先需要耗費大量的人力和時間，其次不可能對所有的作戰環境都進行測試，最后外場試驗只能在系統研制完成后才能進行。在信息處理機的研制和調試階段，只能在實驗室環境中進行仿真和測試，模擬產生各種真實作戰場景圖像序列，對信息處理機性能進行分析測試。所以，場景仿真設備的研制具有重大的意義和應用前景。

　　1 場景仿真系統總體設計方案

　　1.1 場景仿真模式分析

　　在場景生成領域，一般可將場景生成技術分為兩類：動態模式和電影回放模式[2]。動態模式是指在閉環系統下，場景產生器根據探測器視場的變化，實時提供相應的場景圖像。因此場景產生器的每一幀圖像景象都要同步地實時計算，以便與探測系統對投影圖像的反應相一致。在這種模式中，生成每一幀圖像時的計算量都很大，要做到實時就要求場景產生器的計算速度相當快。目前使用動態模式產生圖像的仿真系統幾乎都由圖形工作站、控制計算機、定制的場景產生器、多個定制的 DSP 處理單元，通過VME 總線連接成網絡，通過協作流水線來模擬仿真。這些系統仿真精度高、實時性強，能夠應用于多種實際作戰場景模擬，當然系統的成本也需要數百萬美元以上。電影回放模式是在仿真運行前，非實時地計算出一系列二維圖像，然后再以電影回放的方式將這些圖像序列顯示給被測系統，在這種模式中，被測系統不能夠與場景產生系統交互，不能像動態模式中那樣隨機變化，只能按照預定軌跡動態變化。采用電影回放模式的仿真系統由于使用預處理的方式非實時地提前產生序列圖像，相對來說，系統計算量小，系統性能要求不高，成本低。 　　本設計的應用背景是為某深空背景目標檢測識別系統在研制調試階段做初步的仿真和測試，考慮到性價比和研制時間因素，此在本系統設計時，主要采用電影回放模式。場景仿真系統根據成像儀的數學模型，利用預先存儲在計算機中的三維目標數據、背景數據以及制定的目標運動軌跡，在PC機中計算出圖像序列，由PC機把計算好的圖像序列發給仿真系統，系統把數字圖像再轉發給信息處理機。為了比較直觀的顯示跟蹤效果，系統可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結果，然后在數字場景中疊加跟蹤框測試后在顯示器上輸出。同時為了系統通用的考慮，設計一路模擬圖像輸入通路，可以把攝像頭采集的圖像經過A/D轉換的數字場景，然后發給信息處理機。場景仿真系統組成框如圖1所示。

　　由PC機仿真的數字場景，也可以輸出由CCD攝像頭采集后經過A/D轉換的數字場景;還可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結果，然后在數字場景中疊加跟蹤測試跟蹤效果。

　　1.2 場景產生器總體設計方案

　　數字場景產生器結構如圖2所示。

　　場景產生器主要有2種工作模式：場景圖像來源于PC機，DSP把PC機中模擬的圖像序列通過FPGA輸出給信息處理機，同時把圖像輸入給視頻DA，FPGA根據目標位置控制視頻多路開關，把跟蹤框和視頻DA輸出圖像疊加在監視器上顯示;場景圖像來源于CCD攝像頭，CCD圖像經過視頻A/D轉換，在FPGA中經過處理傳給信息制導機，FPGA根據目標跟蹤結果控制視頻多路開關，把跟蹤框和CCD輸入圖像疊加在監視器輸出。仿真器采用DSP+FPGA的結構，選用TI公司的DSP芯片TMS320DM642來控制視頻DA、完成 PCI通信等操作; FPGA選用Xilinx公司的XC2S200，它有20萬個邏輯門、56kbit的Block RAM和73Kbit的分布式RAM[3]，主要完成模擬圖像采樣、串口通信、跟蹤窗疊加等功能。

　　2 各功能模塊設計與實現

　　場景產生器主要由CCD攝像頭輸入場景通道、PC機輸入場景通道、串口輸入通道和視頻疊加輸出通道幾個部分構成。

　　2.1 CCD攝像頭輸入場景通道

　　使用CCD攝像頭的輸入作為場景發生器的圖像來源時，CCD圖像需要通過視頻A/D轉換，得到數字圖像序列。視頻A/D選用ADI公司的ADV7189，它集成了一個視頻解碼器，自動檢測和轉換標準模擬基帶電視信號成符合ITU?RBT.656 的4∶2∶2分量數字視頻數據[4]。

　　ADV7189輸出時序如圖3所示，其輸出是YCbCr格式，輸出分辨率720×576。視頻AD的數字場景需要的是512×512黑白圖像，故需在 FPGA中做圖像處理模塊，模塊用LCC1的2分頻LCC2采集分量其中的亮度Y信息，并生成行、場有效信號，取出整幀圖像的中央部分，即每行720個像素中取出第105～616個，從每場的288行中取第17～272行，視頻圖像裁減過程如圖4所示。

　　FPGA對這些圖像進行處理后變成 512×512的黑白圖像，FPGA需要把接收的圖像數據通過LVDS發送給信息處理機，由于接收和發送的頻率不一致，并且需要對數據的讀/寫同時進行，所以系統采用雙口RAM緩沖數據。雙口RAM雖然有兩套地址總線，兩套數據總線，兩套控制總線，可以同時讀/寫，但是卻不能同時訪問同一個地址。為此，設計中采用乒乓方式存取數據以避免沖突，即將雙口RAM至少分成兩個空間，讀取雙口RAM一個空間的數據時，接收的圖像數據寫另一個空間。針對本系統，需要開64行的空間，前32行進行讀操作或寫操作時，后32行則進行寫操作或讀操作。

　　2.2 PC機輸入場景通道

　　使用PC機模擬的深空背景中的運動目標圖像時，DSP通過PCI總線得到PC機中的圖像序列，并將圖像暫存在SDRAM中。DSP通過EMIF把SDRAM中圖像數據寫到FPGA內部的雙口RAM，輸出給信息處理機。同時圖像傳給視頻DA，用來和跟蹤結果疊加，顯示跟蹤效果。PC輸入仿真框圖如圖5所示。

　　TI公司的TMS320DM642是這部分的核心，DM642的I2C串行總線可以完成對視頻編解碼器的控制，DM642內部集成的PCI接口可以實現與PC主機的互連;其主頻最高可達720 MHz，特別地，它擁有可獨立配置的視頻端口，可以實現與一般視頻編/解碼器的無縫連接，并且視頻信號可以采用EDMA方式快捷地在存儲器與視頻端口之間傳輸[5]。PCI接口采用查詢方式的從模式寫，即PC機通過查詢DSP設置的“發送圖像數據開始”標志， 把圖像數據寫到DSP的SDRAM存儲空間，在這種方式中，作為從設備的DSP不需要承擔數據傳輸工作，只需要控制何時發起數據傳輸。PC機向DSP傳輸圖像數據是按照一幀一幀來傳遞的，因此需要中斷信號來通知DSP一幀和一場的開始，同時DSP也需要向PC機發出請求告之DSP已經準備好從PC機接收圖像數據，可以進行圖像數據的搬移。ADV7179將數字圖像進行D/A變換并重新編碼為復合全視頻信號輸出，它接口簡單，需要通過I2C總線對其進行配置 [6]。DM642內嵌的I2C模塊可以把ADV7179配置成PAL制式的輸出。DM642具有3個可獨立配置的視頻口，非常適合于圖像處理系統方面的應用。系統設計中，將Video2配置為圖像數據輸出端，顯示模式為8位的BT.656，控制信號VCTL0輸出行消隱，VCTL1輸出場消隱，VCTL2輸出奇偶場信號，每幀圖像大小為864×625，顯示的有效圖像分辨率為512×512。

　　2.3 視頻疊加輸出部分設計

　　信息處理機的主要任務是目標檢測識別和跟蹤。場景產生器將跟蹤信息疊加在原圖像上顯示出來，能夠直觀地驗證信息處理機是否正常穩定地工作，方便系統調試。視頻疊加輸出部分如圖6所示，場景產生器通過串口接收目標位置，根據此坐標值控制視頻多路開關MAX441，把跟蹤框和原圖像疊加。疊加跟蹤框就是以目標為中心畫一個空心的十字架，然后在監視器上顯示跟蹤結果。 　　異步串口傳統上采用專用的集成電路實現，為使設計緊湊，以FPGA硬件實現串行通信。數據接收部分如圖7所示。接收時鐘模塊產生數據接收時鐘，移位寄存器完成串并轉換，保持寄存器用來暫存接收的數據，控制模塊用來控制串口的整個時序。

　　在系統中，疊加顯示功能由FPGA控制MAX441來實現。異步串口模塊收到目標坐標點(X，Y)后，在疊加控制模塊中通過比較器與像素計數COUNT_PIXEL和行計數COUNT_H進行比較，得出多路開關的控制信號，當滿足下列條件中任何一條時，FPGA都控制MAX441輸出白電平：

　　1.Y?8< COUNT_H

　　2.Y+2< COUNT_H

　　3.X?13< COUNT_PIXEL

　　4.X+2< COUNT_PIXEL

　　由于輸出是PAL制式，每場輸出的白電平長度橫向是10個像素，縱向是5個像素，這樣當完整的一幀圖像在監視器上顯示，就可以得到如圖8所示的效果。

　　3 結 語

　　通過對場景產生器的需求分析，確定了以DM642為核心，基于高性能PC機和PCI 總線的數字場景仿真系統。系統既可以輸出由PC機仿真的數字場景，也可以輸出由CCD攝像頭采集后經過A/D轉換的數字場景;還可以接收信息處理機傳來的目標跟蹤結果，然后在數字場景中疊加跟蹤框評估跟蹤效果。

　　該系統具有圖像輸出幀頻高、參數修改方便、圖像輸出格式靈活和圖像內容可控、成本低等優點，已經被應用于多個目標檢測識別系統的設計和性能測試，滿足了實際應用的需要。

　　參考文獻

　　[1] 周立偉，劉玉巖.目標探測與識別[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

　　[2] 張志勇，盧煥章，郭天天，等.實時數字場景仿真系統研究與實現[J].國防科技大學學報，2005，27(4)：48?52.

　　[3] Xilinx Corporation. Spartan?II 2.5V FPGA family： complete data sheet [R]. USA： Xilinx Corporation， 2004.

　　[4] Analog Device Corporation. Chip scale PAL/NTSC video encoder with advanced power management ADV7174/ADV7179 [R]. [S.l.]： Analog Device Corporation， 2004.