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(shè)備以隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。圖像處理是光電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)際使用中需要盡可能遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，良好的目標(biāo)檢測性能對于整個(gè)光電系統(tǒng)極為重要。

目標(biāo)檢測是一個(gè)熱門的研究課題，許多學(xué)者對目標(biāo)檢測進(jìn)行了研究。呂璐等人對深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測研究進(jìn)行了綜述分析，指出基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法對小目標(biāo)的檢測效果不太理想，且耗時(shí)較長，不利于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)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(diǎn)[2]。相比遙感圖像的艦船目標(biāo)檢測，海上目標(biāo)有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即它存在于天空與海洋交匯處[3]。利用海上目標(biāo)的這一特點(diǎn)，胡耀輝等人提出了一種基于海天線的弱小目標(biāo)檢測方法[4]，但此方法不利于工程實(shí)現(xiàn)。

隨著數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP以強(qiáng)大的計(jì)算能力和較小的體積受到越來越廣泛的應(yīng)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(shù)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(biāo)實(shí)時(shí)檢測的需求，本文以飛騰M6678 DSP為核心處理器，設(shè)計(jì)一種海上紅外小目標(biāo)檢測系統(tǒng)，結(jié)合DSP的硬件特征和算法原理，設(shè)計(jì)多核處理架構(gòu)，多核分別實(shí)現(xiàn)海天線檢測功能和小目標(biāo)檢測功能，通過主程序的調(diào)度實(shí)現(xiàn)檢測功能的并行處理。同時(shí)，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(biāo)檢測算法軟件進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)時(shí)性要求的海上紅外小目標(biāo)檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行驗(yàn)證。

1 硬件平臺設(shè)計(jì)

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(jī)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(shí)現(xiàn)FPGA與DSP之間的圖像高速傳輸，通過EMIF接口實(shí)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(diǎn)運(yùn)算性能高達(dá)32 GMAC/s，浮點(diǎn)運(yùn)算性能高達(dá)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(yīng)用于通信、圖像和雷達(dá)等信號處理領(lǐng)域。

2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，良好的可靠性設(shè)計(jì)決定整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。嵌入式軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要將各功能分解并進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，保證各模塊間的相互獨(dú)立，通過主程序的調(diào)度將各功能串聯(lián)。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合處理器的特征對架構(gòu)精簡設(shè)計(jì)，降低各處理器核的軟件負(fù)載，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2.1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，對軟件功能進(jìn)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(biāo)檢測模塊和遠(yuǎn)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(shí)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對異常情況進(jìn)行上報(bào)，如圖像接收異常等。

4）海天線檢測：是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅外小目標(biāo)檢測的關(guān)鍵步驟，根據(jù)FPGA傳入的圖像對海天線進(jìn)行檢測，輸出海天線位置信息。

5）紅外小目標(biāo)檢測：是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅外小目標(biāo)檢測的關(guān)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(biāo)進(jìn)行檢測，輸出小目標(biāo)的位置信息。

6）遠(yuǎn)程升級：通過DSP的串口實(shí)現(xiàn)DSP程序的遠(yuǎn)程升級，減少設(shè)備拆機(jī)次數(shù)，實(shí)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(yùn)行間的資源沖突。模塊間的相互獨(dú)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(hù)。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

海天線檢測和紅外小目標(biāo)檢測是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海上紅外小目標(biāo)檢測的兩個(gè)核心模塊，DSP串行處理兩個(gè)檢測模塊的時(shí)間較長，結(jié)合M6678的硬件特征，將海天線檢測模塊和小目標(biāo)檢測模塊分別在DSP的兩顆內(nèi)核上獨(dú)立運(yùn)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(shí)現(xiàn)海天線檢測功能，核2實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)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(yīng)用程序可以在SYS/BIOS[8]下運(yùn)行，也可以在裸系統(tǒng)下運(yùn)行?；赟YS/BIOS操作系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序，所占用資源較多，調(diào)度開銷較大?；赟YS/BIOS的軟件架構(gòu)適合多任務(wù)多線程的系統(tǒng)。

本文基于功能模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yùn)行應(yīng)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(shí)間開銷更小。

2.3 軟件流程設(shè)計(jì)

算法是實(shí)現(xiàn)海上紅外小目標(biāo)檢測的核心，基于算法原理及處理步驟設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)海天線檢測和小目標(biāo)檢測功能。核0與核1、核2之間調(diào)度通過IPC核間通信實(shí)現(xiàn)。

核間通信是實(shí)現(xiàn)多核程序運(yùn)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(yīng)的寄存器，以完成通信。

核0向核1發(fā)送IPC_core0中斷，同時(shí)傳遞圖像存放地址和圖像大小信息，啟動核1進(jìn)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(jì)算目標(biāo)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(jìn)行小目標(biāo)檢測，核2完成小目標(biāo)檢測后，通過IPC_core2中斷通知核0。核0接收到小目標(biāo)信息后，根據(jù)篩選規(guī)則進(jìn)行目標(biāo)上報(bào)。軟件處理流程如圖3所示。

圖3 軟件處理流程

2.4 關(guān)鍵算法軟件實(shí)現(xiàn)

利用C語言，結(jié)合DSP運(yùn)算的特征及算法原理實(shí)現(xiàn)海天線檢測和紅外小目標(biāo)檢測功能，并針對其中計(jì)算復(fù)雜度較高的步驟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4.1 Canny檢測實(shí)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(jìn)行預(yù)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(shè)計(jì)時(shí)，利用常量表代替高斯濾波器核系數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算，減少函數(shù)運(yùn)行時(shí)間。

2）按照常規(guī)雙層for循環(huán)設(shè)計(jì)5×5的高斯濾波程序。由于DSP編譯器無法對外層循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化處理，導(dǎo)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(yùn)行效率，因此，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)算當(dāng)前像素點(diǎn)的梯度及方向，常規(guī)流程按照逐像素點(diǎn)計(jì)算，即算出每個(gè)像素點(diǎn)梯度強(qiáng)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(jì)算需要調(diào)用庫函數(shù)來實(shí)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(yùn)行耗時(shí)。針對此問題，本文對算法處理過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即每個(gè)算法步驟將所有點(diǎn)計(jì)算完成，將結(jié)果緩存并送至下一算法步驟。優(yōu)化計(jì)算過程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化計(jì)算過程

平方根、除法和反正切函數(shù)可以調(diào)用相應(yīng)的矢量運(yùn)算庫函數(shù)sqrtsp_v（）、divsp_v（）、atansp_v（），庫函數(shù)在計(jì)算時(shí)對指令進(jìn)行并行處理，增加單個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)算量，大大提高了計(jì)算速度。

2.4.2 Hough變換實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

1）對于xOy平面，通過平面上任意一點(diǎn)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(biāo)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(yùn)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(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)在每個(gè)角度的正弦值和余弦值，DSP的三角函數(shù)計(jì)算需要調(diào)用加法指令、乘法指令實(shí)現(xiàn)，調(diào)用一次三角函數(shù)耗時(shí)約為180 ns，大量的三角函數(shù)計(jì)算會導(dǎo)致DSP運(yùn)算耗時(shí)增加。

為減少函數(shù)運(yùn)行耗時(shí)，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(shí)時(shí)計(jì)算，即提前計(jì)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(dāng)調(diào)用三角函數(shù)計(jì)算時(shí)，只需查找對應(yīng)角度的常量值，如計(jì)算50°的正弦值時(shí)，只需查找SIN_TABLE[50]的值即可。采用這種方式計(jì)算可以減小計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)查找表的指令還可與其他指令并行，減少程序耗時(shí)。

2）Hough檢測器進(jìn)行累加值計(jì)算時(shí)，需要完成檢測計(jì)數(shù)器清零操作。由于計(jì)數(shù)器模板較大，清零操作會增加DSP軟件運(yùn)行耗時(shí)，故本文結(jié)合DSP硬件特征，設(shè)計(jì)軟硬件并行的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器清零操作。

DSP通過調(diào)用DMA控制器[11]實(shí)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(jì)數(shù)器空間，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器清零的操作，同時(shí)對DSP內(nèi)核進(jìn)行Canny檢測處理。在Hough變換前，通過查看DMA狀態(tài)寄存器確認(rèn)DMA搬移是否完成。

通過此方法實(shí)現(xiàn)軟硬件的并行處理，能夠減少DSP的軟件負(fù)載，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。

2.4.3 紅外小目標(biāo)檢測實(shí)現(xiàn)

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

由海上紅外小目標(biāo)特點(diǎn)可知，小目標(biāo)存在于海天線附近，根據(jù)海天線的位置即可確定目標(biāo)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(biāo)檢測，既可減少檢測程序運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)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(yù)編譯指令、restrict關(guān)鍵字等，通過優(yōu)化提高DSP的運(yùn)行效率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過CCS的Load Memory功能將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jì)程序運(yùn)行前后的DSP時(shí)鐘周期，計(jì)算程序運(yùn)行耗時(shí)。本文選取了兩種不同的場景進(jìn)行海上紅外小目標(biāo)檢測的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證目標(biāo)檢測準(zhǔn)確性的同時(shí)也對程序優(yōu)化前后耗時(shí)進(jìn)行對比。

場景一：海天線為水平的一條直線，2個(gè)目標(biāo)在海天線上方，如圖5a）所示。

從核收到圖像后，對圖像進(jìn)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(biāo)檢測區(qū)域，在原始圖像上對海上小目標(biāo)進(jìn)行檢測，檢出目標(biāo)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(gè)目標(biāo)在海天線上方，如圖5b）所示。

從核收到圖像后，對圖像進(jìn)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(biāo)檢測區(qū)域，在原始圖像上對海上小目標(biāo)進(jìn)行檢測，檢出目標(biāo)如圖5b）白色小框所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩種場景優(yōu)化前后的耗時(shí)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后均能檢出小目標(biāo)，同時(shí)耗時(shí)均在25 ms以內(nèi)，滿足實(shí)時(shí)檢測的需求。

表1 優(yōu)化前后運(yùn)行時(shí)間對比表 ms

4 結(jié) 語

本文以M6678 DSP為核心處理器，設(shè)計(jì)一種可滿足實(shí)時(shí)性要求的海上紅外小目標(biāo)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(diǎn)，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足檢測海上紅外小目標(biāo)的條件下，本文系統(tǒng)DSP運(yùn)行耗時(shí)小于25 ms，達(dá)到40 Hz處理能力，滿足實(shí)時(shí)性的需求。同時(shí)，多核架構(gòu)的設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化方法也為圖像處理算法DSP的實(shí)現(xiàn)提供了參考。