CN105321164B - 一种红外小目标预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种红外小目标预警系统。包括红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块；目标检测模块中包括两个先入先出缓存器；红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块均设置在FPGA上；红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块相连和串口发送模块之间依次连接；串口接收模块与数据控制模块连接。本发明能够快速准确地检测出目标，易于在硬件中实现，同时能够满足目标检测实时性要求。
Description
技术领域
本发明属于目标检测技术领域，具体涉及目标搜索跟踪系统中的一种红外小目标预警系统。
背景技术
红外搜索系统被动地接受目标的红外辐射来探测、跟踪和识别目标。相比于雷达预警，红外搜索系统具有隐蔽性好、角分辨率高、抗电磁干扰能力强，以及体积小、重量轻、机动性强等优点，因此红外搜索系统正逐渐成为现代防御体系中的一个重要组成部分，受到各国军工部门的重视。但是,当目标距离较远时,目标在红外图像中表现为点目标，此时更容易受到复杂背景杂波和噪声的影响。因此,如何在复杂背景条件下对距离较远的红外小目标实现稳健的检测和跟踪成为一项具有实际意义和挑战的研究课题。
现如今，大部分红外小目标的检测方法都是在软件上实现的，并且算法较为复杂，不易于硬件实现，且不便于携带和实时测试。为了解决这些问题，刘洋、焦淑红等人提出了一种基于FPGA和DSP的红外运动弱小目标的检测与识别的快速算法(刘洋,焦淑红,刘云鹤.红外运动小目标快速检测算法的实现研究[J].弹箭与制导学报,2008,38(3):227-232)，该方法虽然能够实时的检测出目标，但其误检率较高，效果略差。
发明内容
本发明提出一种红外小目标预警系统，能够快速准确地检测出目标，易于在硬件中实现，同时能够满足目标检测实时性要求。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种红外小目标预警系统，包括红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块；目标检测模块中包括两个先入先出缓存器；红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块均设置在FPGA上；红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块相连和串口发送模块之间依次连接；串口接收模块与数据控制模块连接。
红外图像输入模块利用接口将面阵探测器拍摄到的红外模拟图像数据输入到FPGA中，并将红外模拟图像数据转换为红外数字图像数据；中值滤波模块对红外数字图像数据进行降噪处理；模板匹配滤波模块对降噪后的红外数字图像数据进行滤波；目标检测模块检测出目标来并将数据包的包头、当前帧红外图像的帧号以及目标的坐标信息存储在其中一个先入先出缓存器fifo_a中，将当前帧红外图像中的目标数量信息存储在另外一个先入先出缓存器fifo_b中；串口接收模块通过串口接收来自转台的码盘信息，并将码盘信息存储到fifo_b中；数据控制模块将存储在目标检测模块两个先入先出缓存器中的数据信息按照数据包包头、红外图像的帧号、码盘信息、当前帧红外图像中目标的数量信息、目标的坐标信息的顺序依此输出；串口发送模块将数据包包头、红外图像的帧号、码盘信息、当前帧图像中目标的数量以及目标的坐标通过串口输出到电脑中。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明利用分组的方法优化了一种快速的中值滤波方法，能够快速的完成中值滤波；(2)本发明在模板匹配滤波过程中能够增加目标与背景之间的对比度，易于后续算法将目标检测出来；(3)本发明为硬件实现，设备易于携带，且可实时检测。
附图说明
图1是本发明系统框图。
图2是本发明模板匹配滤波模块5×3窗口建立示意图。
具体实施方式
系统构架：
本发明系统框架如图1所示，包括红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块；其中，模板匹配滤波模块中包括四个先入先出缓存器fifo1、fifo2、fifo3和fifo4，目标检测模块中包括两个先入先出缓存器fifo_a和fifo_b。
红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块均设置在FPGA上。
红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块相连和串口发送模块之间依次连接；同时，串口接收模块与数据控制模块连接。
红外图像输入模块的作用在于利用接口(例如Cameralink接口)将红外搜索系统中面阵探测器拍摄到的红外模拟图像数据输入到FPGA中，并将红外模拟图像数据转换为红外数字图像数据；
中值滤波模块的作用在于使用中值滤波方法对红外数字图像数据进行降噪处理；
模板匹配滤波模块的作用在于使用M×N(M可取5、7、9、11中任意值，N可取3、4、5、6中任意值)大小的模板对降噪后的红外数字图像数据进行滤波，以增加目标与背景之间的对比度；
目标检测模块的作用在于使用设置长度阈值和亮度阈值的方法将目标检测出来并将数据包的包头、当前帧红外图像的帧号以及目标的坐标信息存储在fifo_a中，将当前帧红外图像中的目标数量信息存储在fifo_b中；
串口接收模块的作用在于通过串口接收来自红外搜索系统中转台的码盘信息，并将码盘信息存储到fifo_b中；
数据控制模块的作用在于将存储在fifo_a和fifo_b中的数据信息按照数据包头、红外图像的帧号、码盘信息、当前帧红外图像中目标的数量、目标的坐标信息的顺序依次输出；
串口发送模块的作用在于将数据包的包头、红外图像的帧号、码盘信息、当前帧图像中目标的数量以及目标的坐标信息通过串口输出到电脑中。
系统工作过程：
红外模拟图像数据通过面阵探测器采集后，通过接口输入到红外图像输入模块，红外图像输入模块通过控制串行解串器芯片，将差分串行的红外模拟图像数据转换为单端并行的红外数字图像数据，得到完整的红外数字图像数据后发送给中值滤波模块；
红外数字图像在中值滤波模块中进行降噪处理后，输入到模板匹配滤波模块中；
模板匹配滤波模块对接收到的降噪后的图像进行模板匹配滤波，增加目标与背景之间的对比度，并将滤波后的红外图像数据输入到目标检测模块中；
目标检测模块接收到滤波后的红外图像数据后，通过设置长度阈值和亮度阈值将目标检测出来，并将数据包的包头、红外图像的帧号以及目标的坐标信息存储在fifo_a中，将目标数量信息存储在fifo_b中；
串口接收模块将转台输入的码盘信息存储到fifo_b中；
数据控制模块将fifo_a、fifo_b中的数据按照数据包头、红外图像的帧号、码盘信息、当前帧图像中目标的数量以及目标的坐标信息的顺序输入到串口发送模块；
串口发送模块接收到来自数据控制模块中的数据包后，依次将数据包中的数据通过串口输出到电脑中。
本系统最终输出的数据包括：包头(AABB)、红外图像的帧号、码盘信息(方位角和俯仰角信息)、当前帧图像中目标的数量以及坐标信息。
实施例：
本实施例采用的FPGA处理板以XC6SLX45T为主芯片，算法使用Verilog语言描述，程序的编写和仿真是在ISE14.7上完成的。红外视频图像大小为320×256，时钟频率为27Mhz。
1、红外图像输入模块
由转动的面阵探测器获得的视频通过CameraLink接口输入到红外图像输入模块，红外图像输入模块通过控制串行解串器芯片，将差分串行的红外模拟图像数据转换为单端并行的红外数字图像数据，得到完整的红外数字图像数据后发送给中值滤波模块。
2、中值滤波模块
中值滤波模块收到红外数字图像后进行降噪处理，降噪处理过程为：
将红外数字图像数据中连续的7个像素点的灰度值D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7分别输入到7个寄存器中；将这7个灰度值分为3组，组1为D1、D2和D3，组2为D4，组3为D5、D6和D7；然后对组1和组3中的灰度值按照大小顺序分别得到组1和组3中的最大值、中间值和最小值，组2中的数记为中间值；再比较组1和组3中的最大值和最小值，获得两组中最大值中的最小值Min_of_max和最小值中的最大值Max_of_min，然后比较三组中的中间值，获得中值中的中间值Med_of_med；最终的滤波结果为Max_of_min、Med_of_med、Min_of_max的中间值，即为7个灰度值的中间值。
3、模板匹配滤波模块
本实施例中的模板匹配滤波模块采用如式(1)所示的水平线检测模板，
式(1)中，I(x,y)为模板中心点像素的灰度值。
进行滤波时，需在FPGA中建立如图2所示的5×3的窗口，在FPGA中调用4个先入先出缓存器来实现，4个先入先出缓存器分别记为fifo1、fifo2、fifo3、fifo4，将4个先入先出缓存器的输出和输入依次相连。将红外图像输入模块输出的红外数字图像数据输入fifo1，每个fifo仅存入一行数据，经4行数据的延迟后，与当前红外图像输入模块输出的红外数字图像数据共同构成了5行数据。窗口中的9个点D11，D12，D13，D31，D32，D33，D51，D52，D53分别代表9个像素点的灰度值。
然后计算每行像素灰度值的和sum1(x,y)、sum2(x,y)及sum3(x,y)，如式(2)所示，
若sum2(x,y)为三个和中的最大值时，则有如式(3)所示的结果：
Il(x,y)＝sum2(x,y)-max(sum1(x,y),sum3(x,y)) (3)
否则，Il(x,y)＝0。式(3)中，Il表示滤波后的红外图像，x、y表示像素点坐标。
滤波结束后用Il(x,y)替代中心像素点的灰度值，即I(x,y)的灰度值。然而在硬件中，由于数据是流水式输入，并且在建立5×3的窗口时会缓存4行图像数据，故整个方法有两行数据的延迟，处理延迟的方法通常会采用fifo或ram缓存的方法，但这样会增加FPGA资源的消耗。而本发明采用在FPGA中通过计数的方法可以完成帧信号与行信号的延迟，即在第三行数据来到时，根据红外图像数据的时序将行信号置1，从而完成红外图像数据与行信号的同步。
4、目标检测模块
目标检测模块接收到模板匹配滤波模块滤波后的红外图像数据后，通过设置亮度阈值和长度阈值将目标检测出来，并将帧号以及目标坐标信息存储到fifo_a中。具体实现方法如下：
首先对接收到的经滤波后的红外图像数据按照坐标的形式进行计数，记录每个像素点的坐标；当检测到帧信号的上升沿时，帧号加1，并将数据包的包头和加1后的帧号存储到fifo_a中；然后设置亮度阈值T和长度阈值L，若有连续N个像素点的灰度值大于亮度阈值T，且N大于L，则可判断这连续N个像素点的首个像素点的坐标为所检测目标的坐标，目标数量加1，并将首个像素点的坐标存储到fifo_a中，本实施例中T＝5，L＝40；当检测到帧信号的下降沿时，将最终的目标数量存储到fifo_b中。
5、串口接收模块
串口接收模块接收到来自转台的码盘信息，并将码盘信息存储到fifo_b中。具体实现方法如下：
本实施例中串口接收模块的波特率设置为115200bps，系统时钟为27Mhz，由于码盘信息与红外图像数据是同步到来的，故当检测到码盘信息时，可通过串口将码盘信息存储到fifo_b中。
6、数据控制模块
数据控制模块通过控制fifo_a和fifo_b将数据按照数据包包头、帧号、码盘信息、目标数量以及目标坐标的顺序输入到串口发送模块。具体实现方法如下：
数据控制模块可以通过控制fifo_a和fifo_b的读使能信号rd_en1、rd_en2来控制数据传输。
步骤1：当fifo_a中存有数据时将fifo_a的读使能rd_en1置1，即可将存储在fifo_a中的数据提取出来，然后判断是否为数据包的包头，若是数据包的包头，则将数据包的包头信息发送给串口发送模块并进入步骤2，否则，继续执行步骤1，直到为fifo_a中提取的数据为数据包的包头为止；
步骤2：在串口发送的过程中，rd_en1一直为0，数据发送完毕后将rd_en1置1，将帧号提取出来并发送给串口发送模块，并进入步骤3；
步骤3：在串口发送的过程中，rd_en1一直为0，数据发送完毕后将fifo_b的读使能rd_en2置1，将码盘信息提取出来并发送给串口发送模块，并进入步骤4；
步骤4：在串口发送的过程中，rd_en1与rd_en2均为0，数据发送完毕后将rd_en2置1，将目标数量信息提取出来并发送给串口发送模块，并进入步骤5；
步骤5：在串口发送的过程中，rd_en1与rd_en2均为0，数据发送完毕后将rd_en1置1，将目标坐标信息提取出来并发送给串口发送模块，继续执行步骤5，直到将fifo1中的数据读空再执行步骤1；
7、串口发送模块
本实施例中串口发送模块的波特率设置为115200bps，当接收到来自数据控制模块的数据包后，通过控制串口可将数据按照数据包包头、红外图像的帧号、码盘信息、当前帧图像中目标的数量以及目标的坐标信息的顺序输入到电脑中。
Claims (7)
1.一种红外小目标预警系统，其特征在于，包括红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块；目标检测模块中包括两个先入先出缓存器；
红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块、串口接收模块以及串口发送模块均设置在FPGA上；
红外图像输入模块、中值滤波模块、模板匹配滤波模块、目标检测模块、数据控制模块和串口发送模块之间依次连接；串口接收模块与数据控制模块连接；
红外图像输入模块利用接口将面阵探测器拍摄到的红外模拟图像数据输入到FPGA中，并将红外模拟图像数据转换为红外数字图像数据；
中值滤波模块对红外数字图像数据进行降噪处理；
模板匹配滤波模块对降噪后的红外数字图像数据进行滤波；
目标检测模块检测出目标来并将数据包的包头、当前帧红外数字图像的帧号以及目标的坐标信息存储在其中一个先入先出缓存器fifo_a中，将当前帧红外数字图像中的目标数量信息存储在另外一个先入先出缓存器fifo_b中；
串口接收模块通过串口接收来自转台的码盘信息，并将码盘信息存储到fifo_b中；
数据控制模块将存储在目标检测模块两个先入先出缓存器中的数据信息按照数据包包头、红外数字图像的帧号、码盘信息、当前帧红外数字图像中目标的数量信息、目标的坐标信息的顺序依次输出；
串口发送模块将数据包包头、红外数字图像的帧号、码盘信息、当前帧红外数字图像中目标的数量以及目标的坐标通过串口输出到电脑中；
所述码盘信息为转台的方位角和俯仰角信息。
2.如权利要求1所述红外小目标预警系统，其特征在于，红外图像输入模块利用Cameralink接口将面阵探测器拍摄到的红外模拟图像数据输入到FPGA中，通过控制串行解串器芯片，将差分串行的红外模拟图像数据转换为单端并行的红外数字图像数据。
3.如权利要求1所述红外小目标预警系统，其特征在于，中值滤波模块使用中值滤波方法对红外数字图像数据进行降噪处理，过程为：
将红外数字图像数据中连续的7个像素点的灰度值D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7分别输入到7个寄存器中；将这7个灰度值分为3组，组1为D1、D2和D3，组2为D4，组3为D5、D6和D7；然后对组1和组3中的灰度值按照大小顺序分别得到组1和组3中的最大值、中间值和最小值，组2中的数记为中间值；再比较组1和组3中的最大值和最小值，获得两组中最大值中的最小值Min_of_max和最小值中的最大值Max_of_min，然后比较三组中的中间值，获得中间值中的中间值Med_of_med；最终的滤波结果为Max_of_min、Med_of_med、Min_of_max的中间值。
4.如权利要求1所述红外小目标预警系统，其特征在于，模板匹配滤波模块对接收到的降噪后的图像进行模板匹配滤波时，采用如式(1)所示的水平线检测模板，
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式(1)中，I(x,y)为模板中心点像素的灰度值；
进行滤波时，在FPGA中调用4个先入先出缓存器fifo1、fifo2、fifo3、fifo4建立5×3的窗口，4个先入先出缓存器的输出和输入依次相连；先将红外图像输入模块输出的红外数字图像数据输入fifo1，每个先入先出缓存器均仅存入一行数据，经4行数据的延迟后，与当前红外图像输入模块输出的红外数字图像数据共同构成5行数据；然后计算每行像素灰度值的和sum1(x,y)、sum2(x,y)及sum3(x,y)，计算方式如式(2)所示，
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若sum2(x,y)为三个和中的最大值时，则有如式(3)所示的结果，
Il(x,y)＝sum2(x,y)-max(sum1(x,y),sum3(x,y)) (3)
否则，Il(x,y)＝0，
式(3)中，Il(x,y)表示滤波后的红外图像，x、y表示像素点坐标；
滤波结束后用Il(x,y)替代中心点像素的灰度值。
5.如权利要求4所述红外小目标预警系统，其特征在于，模板匹配滤波模块中采用在FPGA中通过计数的方法完成帧信号与行信号的延迟。
6.如权利要求1所述红外小目标预警系统，其特征在于，目标检测模块通过设置亮度阈值和长度阈值将目标检测出来，具体过程为：
首先对接收到的经滤波后的红外图像数据按照坐标的形式进行计数，记录每个像素点的坐标；当检测到帧信号的上升沿时，帧号加1，并将数据包的包头和加1后的帧号存储到fifo_a中；然后设置亮度阈值T和长度阈值L，若有连续N个像素点的灰度值大于亮度阈值T，且N大于L，则判断该连续N个像素点的首个像素点的坐标为所检测目标的坐标，目标数量加1，并将首个像素点的坐标存储到fifo_a中；当检测到帧信号的下降沿时，将最终的目标数量存储到fifo_b中。
7.如权利要求1所述红外小目标预警系统，其特征在于，数据控制模块通过控制fifo_a和fifo_b的读使能信号rd_en1和rd_en2来控制数据传输，过程为：
步骤1：当fifo_a中存有数据时，将fifo_a的读使能rd_en1置1，将存储在fifo_a中的数据提取出来；然后判断是否为数据包的包头，若是数据包的包头，则将数据包的包头信息发送给串口发送模块并进入步骤2，否则，继续执行步骤1，直到从fifo_a中提取的数据为数据包的包头为止；
步骤2：在串口发送的过程中，rd_en1一直为0，数据发送完毕后将rd_en1置1，将帧号提取出来并发送给串口发送模块，进入步骤3；
步骤3：在串口发送的过程中，rd_en1一直为0，数据发送完毕后将fifo_b的读使能rd_en2置1，将码盘信息提取出来并发送给串口发送模块，进入步骤4；
步骤4：在串口发送的过程中，rd_en1与rd_en2均为0，数据发送完毕后将rd_en2置1，将目标数量信息提取出来并发送给串口发送模块，进入步骤5；
步骤5：在串口发送的过程中，rd_en1与rd_en2均为0，数据发送完毕后将rd_en1置1，将目标坐标信息提取出来并发送给串口发送模块，继续执行步骤5，直到将fifo1中的数据读空再执行步骤1。
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