基于TMS320C6711B DSP的中心定位算法設(shè)計(jì) (1)

　　1.6 輸出電路

　　系統(tǒng)根據(jù)輸入的圖像，由C6711進(jìn)行處理后得出一個(gè)衛(wèi)星姿態(tài)角信息。該姿態(tài)角信息由C6711輸出到PC機(jī)的RS-232口，由于通信的信息量少，所以可以利用C6711的多通道緩沖串口McBSP，在不擴(kuò)展其他硬件的情況下，用軟件實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸格式。發(fā)送時(shí)，發(fā)送轉(zhuǎn)換子程序把每一個(gè)數(shù)據(jù)位擴(kuò)展成16位的UART字，并把這些已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)塊放入發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)在適當(dāng)?shù)牡胤郊由掀鹗嘉缓徒K止位(如圖2所示)，然后EDMA把數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)傳給McBSP，而McBSP幀同步發(fā)生器負(fù)責(zé)連續(xù)地移出這些數(shù)據(jù)[4];接收時(shí)，EDMA從McBSP讀入已經(jīng)擴(kuò)展過的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，然后再調(diào)用壓縮子程序把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成原來的字節(jié)形式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件接口簡單，只需增加一個(gè)CMOS電平與RS232電平的電平轉(zhuǎn)換電路。

　　2 圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)

　　中心定位圖像處理算法設(shè)計(jì)以輸入圖像格式320×240像素、1024灰度級/像素為基礎(chǔ)，包括濾波、判斷地平圈是否進(jìn)入視場、邊緣檢測和精確定中心幾個(gè)部分。

　　2.1 濾波

　　探測器可能存在小于1%的壞單元，其灰度值主要為0或1023，壞元區(qū)范圍小于3×3。壞元的存在有可能對邊緣檢測帶來誤差，再加上采集到的圖像數(shù)據(jù)信噪比較低，所以采用二維中位數(shù)濾波[5]。其做法是：對于一幀圖像，采用從上到下、從左到右的方法，移動(dòng)3×3的窗口，在每一個(gè)位置，將有9個(gè)圖像像素出現(xiàn)在窗口中，對這9個(gè)像素灰度值進(jìn)行排序，使用快速排序法找到處于正中的像素值，把這個(gè)值賦給3×3窗口的中心像素。使用這種方法可以有效濾除區(qū)域不大于2×2的突發(fā)性干擾，從而提高算法精度。

　　2.2 判斷地平圈是否進(jìn)入視場

　　當(dāng)衛(wèi)星初始進(jìn)入軌道時(shí)，在地平儀初始狀態(tài)下可能探測不到地球，這時(shí)需啟動(dòng)搜索程序控制衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)以搜索地球。因此，必須對所得的地平圈圖像采用逐行掃描的搜索方法以判斷地球是否進(jìn)入視場。

　　2.3 邊緣檢測

　　邊緣提取首先檢測圖像局部特性的不連續(xù)性，然后再將這些不連續(xù)的邊緣像素連成完備的邊界。邊緣的特性是沿邊緣走向的像素變化平緩，而垂直于邊緣方向的像素變化劇烈。從這個(gè)意義上說，提取邊緣的算法就是檢測符合邊緣特性的邊緣像素的數(shù)學(xué)算子。

　　由于地球的輻射存在不均勻性，所以地平高度與采用的地平檢測方式有關(guān)。其差別在于對應(yīng)不同的地平檢測方式，具體的地平高度隨地球輻射變化程度不同。本文采用比例門限法檢測地平圈。具體算法如下：以粗略地心為起點(diǎn)，以0.5度為間隔取720條射線。考慮到只需掃描地球輻射過渡帶，所以每條射線的掃描起點(diǎn)距粗略地心為100個(gè)單位，間隔一個(gè)單位進(jìn)行一次采樣。由于該采樣點(diǎn)的坐標(biāo)不是整型，所以利用雙線性內(nèi)插得到采樣點(diǎn)的灰度值，依次判斷采樣點(diǎn)，一邊記錄灰度最大值，一邊判斷該灰度值是否小于最大值的一半。當(dāng)條件成立時(shí)，掃描停止，算出灰度值為最大值的50%所對應(yīng)的坐標(biāo)，即地平點(diǎn)坐標(biāo)。掃完720條射線后，所有的地平點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)地平圈。該算法對接近過渡帶的點(diǎn)進(jìn)行雙線性內(nèi)插，提高了程序執(zhí)行效率。檢測出的地平點(diǎn)坐標(biāo)是浮點(diǎn)數(shù)，提高了地平判定精度，有利于減小測量地心的誤差。

　　2.4 精確定中心

　　精確定中心是算法中最關(guān)鍵的部分，方法的好壞直接影響地心的精度。一般有霍夫變換法、面積積分和三點(diǎn)均值法等。精確定位采用面積積分法。根據(jù)微積分理論，對于一個(gè)封閉區(qū)域D，其重心坐標(biāo)可用如下公式得到：

　　式中，x和y代表單元點(diǎn)的坐標(biāo)，ρ(x，y)代表單元點(diǎn)的密度，D代表整個(gè)區(qū)域。

　　當(dāng)ρ(x，y)=1時(shí)，區(qū)域的重心和形心重合，S表示區(qū)域的面積。為了能夠用計(jì)算機(jī)計(jì)算區(qū)域的中心位置，必須對上面的公式離散化。離散化后的公式為：

　　式中， R(θ)表示對應(yīng)θi～θi+1范圍內(nèi)的幅值變化規(guī)律。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　把CCD拍攝到的圖像數(shù)據(jù)送入該系統(tǒng)處理，每處理完一幀圖像就會(huì)從串口輸出一個(gè)姿態(tài)角信息。表1是四幀圖像的處理結(jié)果。從表1可以看出算法的精度優(yōu)于0.1的指標(biāo)要求，算法處理時(shí)間約為0.49秒，滿足一秒處理一幀的實(shí)時(shí)要求。

　　實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖像采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及輸出。系統(tǒng)具有很好的升級性和擴(kuò)展性。采用DSP處理器，增強(qiáng)了系統(tǒng)的處理能力，提高了系統(tǒng)處理速度，保證了工作的實(shí)時(shí)性要求。采用貼片器件，既減小了PCB板的尺寸，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，中心定位算法通過對原始圖像濾波、判斷目標(biāo)是否進(jìn)入視場、邊緣檢測和精確定中心大大提高了地平儀的測量精度。