红外视觉检测技术和数字信号处理器在内河船舶助航系统中的应用研究

论文摘要

本文在分析目前内河船舶航行的特点、内河船舶导航设备缺陷以及内河红外图像特点的基础上,将数字信号处理器DSP技术和红外图像视觉检测技术相结合,开发了一套内河船舶助航系统,该系统通过红外摄像头摄取图像,然后送到以DSP为核心的数字图像处理系统进行数据采集,并运行数字图像处理算法进行目标检测,检测出对本船构成威胁的危险目标,并通过显示器显示和声音报警,提前提醒船舶操作人员做好避让准备。该系统特别适合目前船舶常用助航、导航设备认为的恶劣天气状况,特别是大雾等天气;由于红外图像目标检测技术的优势,可以为雷达、GPS等设备的提供了一种直观视觉信息的补充,与其它数据检测设备进行数据融合,为船舶的安全航行提供更加可靠的依据。此外,该系统速度快,实时性好;软件功能灵活,自适应能力强;由于采用高速电子系统抗干扰设计,系统抗干扰能力强。目标检测算法部分是本文研究的核心之一,本文借鉴人眼视觉注意机制的思想,先确定目标大致区域,由粗到细的检测目标。具体做法是,首先对图像进行滤波和锐化预处理;然后检测出水陆线的位置,本文通过比较两种途径水陆线检测方法,最终确定通过简单而实用的基于Sobel边缘检测的方法来确定水陆线的位置,最后根据中距离平面成像原理划定水陆线以上第三十行开始到M ? 10的位置(其中M为图像的行数)作为目标检测的区域;通过对几种目标检测算法的分析和比较,确定以边缘、纹理以及能量相结合得方法进行目标检测。硬件系统采用模块化设计方法,以TI公司的高性能DSP——TMS320C6416为核心,采用并行流水线技术。在视频输入输出模块中采用Philips SAA7111A进行视频解码,SAA7105进行视频编码,采用单片机通用IO口模拟I2C总线的方法对视频编解码器初始化,FIFO作为输入输出数据的缓存,利用FPGA芯片内部RAM资源,采用并行流水工作机制进行中值滤波和锐化图像预处理。DSP通过其EMIF接口,扩充外部FLASH、SDRAM及FIFO存储器,采用EDMA方式实现数据的传输;为了实现图像采集、图像处理和图像显示同时进行,系统中采用了三帧缓冲策略的数据帧管理方式。采用单片机接收人机接口的数据,并与DSP通过HPI口进行通信,控制视频叠加芯片产生字符及字符叠加的位置。根据系统要求,设计两路电源及复位监控电路,进行了高速电子系统抗干扰设计。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.2 目前内河航运的环境特点、船舶的安全措施及研究现状
• 1.3 红外图像在内河船舶助航系统中的必要性和可行性
• 1.4 以数字信号处理器DSP 为核心的红外视觉检测系统
• 1.5 本文的创新点及研究内容
• 2 内河红外图像视觉检测算法的研究
• 2.1 红外图像的特征分析及主要特点
• 2.1.1 红外图像的灰度直方图分析
• 2.1.2 红外图像的非均匀性分析
• 2.1.3 红外图像的噪声分析
• 2.1.4 红外图像的对比度和分辨率分析
• 2.1.5 内河红外图像及红外船舶目标的主要特点
• 2.2 红外图像预处理
• 2.2.1 图像锐化
• 2.2.2 图像平滑
• 2.3 水面与陆地天空区域分割算法研究
• 2.3.1 基于最大类间方差法的水陆区域分割
• 2.3.2 基于行均值的水陆区域分割
• 2.3.3 基于优化迭代阈值的水陆区域分割
• 2.4 水陆线位置检测
• 2.4.1 基于Hough 变换的水陆线位置检测
• 2.4.2 基于Sobel 滤波的水陆线位置检测
• 2.5 内河红外（船舶）目标检测算法
• 2.5.1 局部灰度特性在内河船舶目标检测中的应用
• 2.5.2 局部熵在内河船舶目标检测中的应用
• 2.5.3 数学形态学在内河船舶目标检测中的应用
• 2.5.4 边缘、纹理以及能量相结合在内河船舶目标检测中的应用
• 2.6 总结
• 3 系统硬件设计
• 3.1 系统硬件总体设计
• 3.1.1 模块化内河红外目标检测跟踪系统的设计思想
• 3.1.2 硬件总体设计框架
• 3.2 电源、复位、时钟系统设计及DSP 芯片设置
• 3.2.1 系统电源设计
• 3.2.2 电源监控、复位系统设计
• 3.2.3 系统时钟产生电路设计及DSP 启动工作模式设置
• 3.3 DSP 的存储体系及外部存储接口设计
• 3.3.1 DSP 的存储体系及EMIF 接口
• 3.3.2 DSP 与SDRAM 接口部分硬件设计
• 3.3.3 DSP 与FIFO 接口部分硬件设计
• 3.3.4 DSP 与FLASH 接口部分硬件设计
• 3.4 视频输入输出模块硬件设计
• 3.4.1 FPGA 及其外围电路设计
• 3.4.2 视频解码器及外围电路设计
• 3.4.3 视频编码器及外围电路设计
• 3.4.4 各部分硬件连接图
• 3.5 视频叠加电路及人机接口设计
• 3.6 单片机与DSP 通信设计
• 3.7 DSP 的JTAG 仿真器接口设计
• 3.8 高速电子系统抗干扰设计
• 3.8.1 多板层设计
• 3.8.2 系统中原件布局
• 3.8.3 系统中电源和地线的设计
• 3.8.4 系统中PCB 布线
• 3.9 总结
• 4 系统软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 开发环境与开发工具
• 4.2.1 DSP 开发环境CCS
• 4.2.2 TDS510USB 硬件仿真器
• 4.2.3 VHDL 硬件描述语言及FPGA 软件开发环境QuartusII 介绍
• 4.2.4 单片机开发环境Keil C51 介绍
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 系统初始化
• 4.3.2 系统引导程序设计
• 4.3.3 DSP 应用程序的固化
• 4.3.4 视频数据采集及图像预处理
• 4.3.5 系统图像数据存储策略
• 4.4 系统软件流程
• 4.5 代码开发流程及程序优化实现
• 4.5.1 代码开发流程
• 4.5.2 程序的优化实现
• 4.6 总结
• 5 系统调试及试验结果
• 5.1 系统调试
• 5.2 试验结果
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录