摘 要： 针对导引头信息处理机研制和调试的迫切需要，设计以TMS320DM642数字信号处理器(DSP) 为核心处理器，基于高性能PC机和PCI总线的数字场景仿真系统。系统既可以输出由PC机仿真的数字场景，也可以输出由CCD摄像头采集后经过A/D转换的数字场景;还可以接收信息处理机传来的目标跟踪结果，然后在数字场景中叠加跟踪框评估跟踪效果。重点介绍该系统的工作原理、基本组成与详细设计。试验结果表明系统满足了实际应用的需要。
关键词： 省级学报论文发表,场景产生器,DM642,PCI,跟踪效果评估
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
现代光电技术的迅速发展，促进了精确制导与武器防御系统的日益成熟和完善[1]。图像制导技术已经成为精确制导研究的主要发展方向。图像制导武器的核心部件是导引头信息处理机，导引头信息处理机算法的好坏直接影响了精确制导武器的精确度。必须拥有测试和评估导引头信息处理机算法性能的手段。外场试验虽然能够提供真实的目标与背景环境，但外场试验首先需要耗费大量的人力和时间，其次不可能对所有的作战环境都进行测试，最后外场试验只能在系统研制完成后才能进行。在信息处理机的研制和调试阶段，只能在实验室环境中进行仿真和测试，模拟产生各种真实作战场景图像序列，对信息处理机性能进行分析测试。所以，场景仿真设备的研制具有重大的意义和应用前景。
1 场景仿真系统总体设计方案
1.1 场景仿真模式分析
在场景生成领域，一般可将场景生成技术分为两类：动态模式和电影回放模式[2]。动态模式是指在闭环系统下，场景产生器根据探测器视场的变化，实时提供相应的场景图像。因此场景产生器的每一帧图像景象都要同步地实时计算，以便与探测系统对投影图像的反应相一致。在这种模式中，生成每一帧图像时的计算量都很大，要做到实时就要求场景产生器的计算速度相当快。目前使用动态模式产生图像的仿真系统几乎都由图形工作站、控制计算机、定制的场景产生器、多个定制的 DSP 处理单元，通过VME 总线连接成网络，通过协作流水线来模拟仿真。这些系统仿真精度高、实时性强，能够应用于多种实际作战场景模拟，当然系统的成本也需要数百万美元以上。电影回放模式是在仿真运行前，非实时地计算出一系列二维图像，然后再以电影回放的方式将这些图像序列显示给被测系统，在这种模式中，被测系统不能够与场景产生系统交互，不能像动态模式中那样随机变化，只能按照预定轨迹动态变化。采用电影回放模式的仿真系统由于使用预处理的方式非实时地提前产生序列图像，相对来说，系统计算量小，系统性能要求不高，成本低。 本设计的应用背景是为某深空背景目标检测识别系统在研制调试阶段做初步的仿真和测试，考虑到性价比和研制时间因素，此在本系统设计时，主要采用电影回放模式。场景仿真系统根据成像仪的数学模型，利用预先存储在计算机中的三维目标数据、背景数据以及制定的目标运动轨迹，在PC机中计算出图像序列，由PC机把计算好的图像序列发给仿真系统，系统把数字图像再转发给信息处理机。为了比较直观的显示跟踪效果，系统可以接收信息处理机传来的目标跟踪结果，然后在数字场景中叠加跟踪框测试后在显示器上输出。同时为了系统通用的考虑，设计一路模拟图像输入通路，可以把摄像头采集的图像经过A/D转换的数字场景，然后发给信息处理机。场景仿真系统组成框如图1所示。
由PC机仿真的数字场景，也可以输出由CCD摄像头采集后经过A/D转换的数字场景;还可以接收信息处理机传来的目标跟踪结果，然后在数字场景中叠加跟踪测试跟踪效果。
1.2 场景产生器总体设计方案
数字场景产生器结构如图2所示。
场景产生器主要有2种工作模式：场景图像来源于PC机，DSP把PC机中模拟的图像序列通过FPGA输出给信息处理机，同时把图像输入给视频DA，FPGA根据目标位置控制视频多路开关，把跟踪框和视频DA输出图像叠加在监视器上显示;场景图像来源于CCD摄像头，CCD图像经过视频A/D转换，在FPGA中经过处理传给信息制导机，FPGA根据目标跟踪结果控制视频多路开关，把跟踪框和CCD输入图像叠加在监视器输出。仿真器采用DSP+FPGA的结构，选用TI公司的DSP芯片TMS320DM642来控制视频DA、完成 PCI通信等操作; FPGA选用Xilinx公司的XC2S200，它有20万个逻辑门、56kbit的Block RAM和73Kbit的分布式RAM[3]，主要完成模拟图像采样、串口通信、跟踪窗叠加等功能。
2 各功能模块设计与实现
场景产生器主要由CCD摄像头输入场景通道、PC机输入场景通道、串口输入通道和视频叠加输出通道几个部分构成。
2.1 CCD摄像头输入场景通道
使用CCD摄像头的输入作为场景发生器的图像来源时，CCD图像需要通过视频A/D转换，得到数字图像序列。视频A/D选用ADI公司的ADV7189，它集成了一个视频解码器，自动检测和转换标准模拟基带电视信号成符合ITU?RBT.656 的4∶2∶2分量数字视频数据[4]。
ADV7189输出时序如图3所示，其输出是YCbCr格式，输出分辨率720×576。视频AD的数字场景需要的是512×512黑白图像，故需在 FPGA中做图像处理模块，模块用LCC1的2分频LCC2采集分量其中的亮度Y信息，并生成行、场有效信号，取出整帧图像的中央部分，即每行720个像素中取出第105～616个，从每场的288行中取第17～272行，视频图像裁减过程如图4所示。
FPGA对这些图像进行处理后变成 512×512的黑白图像，FPGA需要把接收的图像数据通过LVDS发送给信息处理机，由于接收和发送的频率不一致，并且需要对数据的读/写同时进行，所以系统采用双口RAM缓冲数据。双口RAM虽然有两套地址总线，两套数据总线，两套控制总线，可以同时读/写，但是却不能同时访问同一个地址。为此，设计中采用乒乓方式存取数据以避免冲突，即将双口RAM至少分成两个空间，读取双口RAM一个空间的数据时，接收的图像数据写另一个空间。针对本系统，需要开64行的空间，前32行进行读操作或写操作时，后32行则进行写操作或读操作。
2.2 PC机输入场景通道
使用PC机模拟的深空背景中的运动目标图像时，DSP通过PCI总线得到PC机中的图像序列，并将图像暂存在SDRAM中。DSP通过EMIF把SDRAM中图像数据写到FPGA内部的双口RAM，输出给信息处理机。同时图像传给视频DA，用来和跟踪结果叠加，显示跟踪效果。PC输入仿真框图如图5所示。
TI公司的TMS320DM642是这部分的核心，DM642的I2C串行总线可以完成对视频编解码器的控制，DM642内部集成的PCI接口可以实现与PC主机的互连;其主频最高可达720 MHz，特别地，它拥有可独立配置的视频端口，可以实现与一般视频编/解码器的无缝连接，并且视频信号可以采用EDMA方式快捷地在存储器与视频端口之间传输[5]。PCI接口采用查询方式的从模式写，即PC机通过查询DSP设置的“发送图像数据开始”标志， 把图像数据写到DSP的SDRAM存储空间，在这种方式中，作为从设备的DSP不需要承担数据传输工作，只需要控制何时发起数据传输。PC机向DSP传输图像数据是按照一帧一帧来传递的，因此需要中断信号来通知DSP一帧和一场的开始，同时DSP也需要向PC机发出请求告之DSP已经准备好从PC机接收图像数据，可以进行图像数据的搬移。ADV7179将数字图像进行D/A变换并重新编码为复合全视频信号输出，它接口简单，需要通过I2C总线对其进行配置 [6]。DM642内嵌的I2C模块可以把ADV7179配置成PAL制式的输出。DM642具有3个可独立配置的视频口，非常适合于图像处理系统方面的应用。系统设计中，将Video2配置为图像数据输出端，显示模式为8位的BT.656，控制信号VCTL0输出行消隐，VCTL1输出场消隐，VCTL2输出奇偶场信号，每帧图像大小为864×625，显示的有效图像分辨率为512×512。
2.3 视频叠加输出部分设计
信息处理机的主要任务是目标检测识别和跟踪。场景产生器将跟踪信息叠加在原图像上显示出来，能够直观地验证信息处理机是否正常稳定地工作，方便系统调试。视频叠加输出部分如图6所示，场景产生器通过串口接收目标位置，根据此坐标值控制视频多路开关MAX441，把跟踪框和原图像叠加。叠加跟踪框就是以目标为中心画一个空心的十字架，然后在监视器上显示跟踪结果。 异步串口传统上采用专用的集成电路实现，为使设计紧凑，以FPGA硬件实现串行通信。数据接收部分如图7所示。接收时钟模块产生数据接收时钟，移位寄存器完成串并转换，保持寄存器用来暂存接收的数据，控制模块用来控制串口的整个时序。
在系统中，叠加显示功能由FPGA控制MAX441来实现。异步串口模块收到目标坐标点(X，Y)后，在叠加控制模块中通过比较器与像素计数COUNT_PIXEL和行计数COUNT_H进行比较，得出多路开关的控制信号，当满足下列条件中任何一条时，FPGA都控制MAX441输出白电平：
1.Y?8< COUNT_H
2.Y+2< COUNT_H
3.X?13< COUNT_PIXEL
4.X+2< COUNT_PIXEL
由于输出是PAL制式，每场输出的白电平长度横向是10个像素，纵向是5个像素，这样当完整的一帧图像在监视器上显示，就可以得到如图8所示的效果。
3 结 语
通过对场景产生器的需求分析，确定了以DM642为核心，基于高性能PC机和PCI 总线的数字场景仿真系统。系统既可以输出由PC机仿真的数字场景，也可以输出由CCD摄像头采集后经过A/D转换的数字场景;还可以接收信息处理机传来的目标跟踪结果，然后在数字场景中叠加跟踪框评估跟踪效果。
该系统具有图像输出帧频高、参数修改方便、图像输出格式灵活和图像内容可控、成本低等优点，已经被应用于多个目标检测识别系统的设计和性能测试，满足了实际应用的需要。
参考文献
[1] 周立伟，刘玉岩.目标探测与识别[M].北京：北京理工大学出版社，2002.
[2] 张志勇，卢焕章，郭天天，等.实时数字场景仿真系统研究与实现[J].国防科技大学学报，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.
