謝志宏，宗艷桃，王 超，汪 熙，劉 佳

(1.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072;2.66440部隊(duì)，河北石家莊050081)

“下反”穩(wěn)像式炮長瞄準(zhǔn)鏡利用陀螺儀的定軸性直接穩(wěn)定光路下部的反射棱鏡，通過對光路的合理補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了視場和瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定效果［1-2］。“下反”穩(wěn)像系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用價值。但是，“下反”穩(wěn)像式瞄準(zhǔn)鏡有一個主要不足，即微光夜視瞄準(zhǔn)鏡的光路不通過等腰棱鏡，無法通過穩(wěn)定棱鏡的方法穩(wěn)定夜視成像，“穩(wěn)線”方式所看到的夜視圖像仍然會隨著車體的抖動而晃動［2］，大大影響了乘員觀察目標(biāo)的能力。因此，改進(jìn)炮長微光瞄準(zhǔn)鏡的穩(wěn)像方法，對提高“下反”穩(wěn)像式瞄準(zhǔn)鏡的性能以及提高夜戰(zhàn)能力具有重要意義。

1 微光穩(wěn)像系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穩(wěn)像工況下，當(dāng)車體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，火炮軸線與瞄準(zhǔn)線重合，陀螺儀輸出信號為零;坦克運(yùn)動中發(fā)生振動時，火炮軸線隨坦克一起運(yùn)動，被陀螺儀穩(wěn)定的瞄準(zhǔn)線與火炮軸線分離，陀螺儀組件中的光電碼盤實(shí)時測量出瞄準(zhǔn)線與火炮軸線之間的夾角［2］，這個夾角反映了坦克整體的姿態(tài)變化。穩(wěn)像系統(tǒng)就是利用了瞄準(zhǔn)線與火炮軸線之間的角度信號，對微光瞄準(zhǔn)鏡數(shù)字化后的視頻圖像進(jìn)行反向補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對夜視圖像的穩(wěn)像功能。穩(wěn)像系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括陀螺儀信號采集模塊、視頻采集模塊、DSP電子穩(wěn)像模塊、穩(wěn)像視頻顯示模塊，其中陀螺儀信號采集模塊和DSP電子穩(wěn)像模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。

圖1 微光穩(wěn)像系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 陀螺儀信號采集模塊設(shè)計(jì)

在瞄準(zhǔn)鏡中，陀螺儀的內(nèi)外環(huán)軸的一端分別固定著一面小反射鏡，將2個光源發(fā)出的扁平光束反射后穿過格林碼盤，硅光電池形成20路二進(jìn)制數(shù)值［2］。為減輕DSP電子穩(wěn)像模塊的工作負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時性，筆者設(shè)計(jì)了基于 AVR Mega16L單片機(jī)的獨(dú)立的信號采集模塊，完成對陀螺儀輸出信號的實(shí)時采集和相關(guān)處理。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

陀螺儀信號由炮長瞄準(zhǔn)鏡和控制盒之間的三通電纜引出，通過74LS373鎖存器鎖存后由外部中斷觸發(fā)電路控制AVR Mega16L的I/O口進(jìn)行采集。處理后通過串口發(fā)送給DSP，并由8個8位共陽極數(shù)碼管分別對水平和垂直方向的角度值進(jìn)行顯示。陀螺儀信號采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.1 AVR Mega16L單片機(jī)的I/O口分配

圖2 基于AVR Mega16L的陀螺儀信號采集模塊結(jié)構(gòu)圖

AVR Mega16L與外部電路通過I/O口來連接。陀螺儀信號采集模塊需要對20路經(jīng)LS373鎖存的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，驅(qū)動8個8段數(shù)碼管，并與外部中斷電路和串口接口電路相連。為避免額外的硬件電路，最大限度地利用單片機(jī)的I/O口，需要對I/O進(jìn)行合理的分配。模塊利用單片機(jī)的I/O輸入輸出功能設(shè)置，對部分通用I/O口進(jìn)行了復(fù)用，外部中斷和串口通信使用相關(guān)端口引腳的第2功能來實(shí)現(xiàn)。具體I/O口使用和復(fù)用情況如表1所示。

表1 AVR Mega16L單片機(jī)I/O口分配表

2.1.2 外部中斷觸發(fā)與信號鎖存電路設(shè)計(jì)

要準(zhǔn)確檢測陀螺儀輸出信號，必須準(zhǔn)確檢測驅(qū)動電流，并將陀螺儀信號瞬時鎖存下來。因此筆者采用光耦模塊TLP521-1設(shè)計(jì)了外部中斷觸發(fā)電路，采用3片74LS373設(shè)計(jì)了對20路信號的鎖存電路，如圖3所示。

圖3 外部中斷觸發(fā)及信號鎖存電路

在沒有驅(qū)動電流時，INT0保持高電平;當(dāng)驅(qū)動電流產(chǎn)生時，光耦TLP521-1的第1和第2管腳相連的發(fā)光二極管工作，使得第4和第3管腳相連的三極管導(dǎo)通，INT0產(chǎn)生一個下降沿，觸發(fā)外部中斷。單片機(jī)先后使能3片74LS373，分別鎖存水平向和高低向的10路陀螺儀信號，再通過 PORTA和PORTC讀取信號。

2.2 信號采集模塊軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 中斷優(yōu)先級設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，信號采集模塊采用串口接收中斷、外部INT0中斷和定時器中斷分別控制單片機(jī)與DSP的串口通信、陀螺儀信號采集和數(shù)碼管的動態(tài)顯示。AVR沒有中斷優(yōu)先級，當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)一個中斷時，全局中斷標(biāo)志禁止，其他中斷被屏蔽;但可通過在中斷中打開全局中斷和控制中斷使能位的方式來設(shè)計(jì)中斷的優(yōu)先級?？紤]系統(tǒng)工作時，當(dāng)DSP請求單片機(jī)發(fā)送陀螺儀角度信號時產(chǎn)生的串口接收中斷，直接影響DSP電子穩(wěn)像后續(xù)程序的運(yùn)行和視頻顯示的實(shí)時性，因此串口接收中斷應(yīng)置于最優(yōu)先的位置;其次，陀螺儀信號只在外部INT0觸發(fā)時才是有效的，應(yīng)置于第2優(yōu)先級;最后，數(shù)碼管顯示主要用于單片機(jī)模塊的自檢和陀螺儀組的輔助測漂，因此可以將定時器中斷置于中斷優(yōu)先級的最低級。

2.2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

陀螺儀信號采集模塊的軟件部分包括主程序和各中斷響應(yīng)程序。主程序中，單片機(jī)初始化后，進(jìn)入while死循環(huán)。F_INT0代表外部INT0中斷的標(biāo)志位，初始值為零。只有當(dāng)單片機(jī)采集到新一幀陀螺儀信號后，F(xiàn)_INT0置位，單片機(jī)才會對陀螺儀信號進(jìn)行相關(guān)處理，避免了單片機(jī)的重復(fù)工作，如圖4(a)所示。

數(shù)碼管顯示采用動態(tài)顯示驅(qū)動的方式，通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的使能端，使各個數(shù)碼管輪流受控顯示。由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。定時器中斷數(shù)碼管動態(tài)顯示的程序流程如圖4(b)所示。

當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)INT0中斷時，開始對陀螺儀信號進(jìn)行采集。因?yàn)閿?shù)據(jù)低位與數(shù)碼管顯示復(fù)用，首先需要將PORTA改變?yōu)檩斎敕绞?，然后通過LS373使能控制，分別鎖存陀螺儀水平向和垂直向的信號，并通過I/O采集。信號采集程序流程如圖4(c)所示。

圖4 信號采集模塊主要程序流程

3 DSP電子穩(wěn)像模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心部分——DSP電子穩(wěn)像模塊，選用了基于TMS320DM643的視頻處理開發(fā)板。DM643在結(jié)構(gòu)上延續(xù)了C64x的內(nèi)核，采用了增強(qiáng)型超長指令字結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部集成了8個獨(dú)立的功能單元和64個32位的通用寄存器，在一個周期內(nèi)可以完成4個16位的乘累加運(yùn)算或者8個8位的乘累加運(yùn)算，非常適合數(shù)字圖像和視頻處理。

3.1 電子穩(wěn)像算法的基本原理

電子穩(wěn)像 (Electronic Image Stabilization)是指利用數(shù)字圖像處理的方法和圖像運(yùn)動變化信息，對視頻中的圖像按照一定模型進(jìn)行反向補(bǔ)償，消除因攝像機(jī)的隨機(jī)運(yùn)動而造成的圖像抖動，獲得視覺上穩(wěn)定的視頻圖像序列［3-5］。電子穩(wěn)像系統(tǒng)主要是由圖像預(yù)處理、運(yùn)動矢量估計(jì)、運(yùn)動濾波和抖動補(bǔ)償4部分組成［6］，如圖5 所示。

圖5 電子穩(wěn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子穩(wěn)像獲取圖像序列運(yùn)動矢量的方法主要有2種:一種是利用運(yùn)動估計(jì)算法直接從圖像中提取運(yùn)動矢量;另一種是利用高精度陀螺作為傳感器來檢測載體(瞄準(zhǔn)鏡)的運(yùn)動信息［7］。第1種方法結(jié)構(gòu)簡單，價格低，但運(yùn)動矢量估計(jì)需要占用較長的時間，當(dāng)圖像運(yùn)動變化幅度較大或視場中存在運(yùn)動目標(biāo)等復(fù)雜情況時，會嚴(yán)重影響電子穩(wěn)像的實(shí)時性和準(zhǔn)確性;第2種方法成本較高，但實(shí)時性強(qiáng)且不受觀察場景的影響。“下反”穩(wěn)像炮長瞄準(zhǔn)鏡中安裝了高精度的兩自由度陀螺儀，可以準(zhǔn)確測量瞄準(zhǔn)鏡在水平和垂直方向的姿態(tài)角變化，因此可以研究將其用于圖像抖動的反向補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定圖像的目的。

3.2 圖形運(yùn)動模型與比例因子標(biāo)定

在對炮長微光瞄準(zhǔn)鏡中的圖像進(jìn)行穩(wěn)像補(bǔ)償之前，首先需要分析瞄準(zhǔn)鏡運(yùn)動和圖像運(yùn)動的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定合適的圖像變換模型以及陀螺儀角度信號與圖像運(yùn)動矢量的比例因子。在三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究中，為了簡化問題的處理同時又滿足應(yīng)用的需要，常用針孔相機(jī)模型來代替實(shí)際的攝像機(jī)［8］。針孔相機(jī)的成像幾何關(guān)系稱為透視投影(Perspective Projection)。透視投影使用一種基于幾何光學(xué)原理的理想小孔成像原理來描述二維圖像的形成，水平向的簡化圖如圖6所示。

圖6 簡化的攝像機(jī)成像模型

圖6中:OXYZ表示攝像機(jī)自身坐標(biāo)系，oxy表示攝像機(jī)成像面的平面坐標(biāo)系，攝像機(jī)視軸指向Z軸方向。當(dāng)攝像機(jī)繞X軸轉(zhuǎn)動一個角度θx，自然界中物體的像點(diǎn)在像平面y軸上的坐標(biāo)變化可以近似為

同理可知，當(dāng)攝像機(jī)繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動時，圖像的運(yùn)動模型可近似為平移變換(Translation Transformation)模型:

式中:(x'，y')、(x，y)為空間中某點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中前后時刻的坐標(biāo);k為角度值與像素值的比例因子，等于單位距離像素個數(shù)與焦距的乘積，可以結(jié)合圖像運(yùn)動估計(jì)值與陀螺儀信號值，采用最小二乘法擬合求得。平移變換模型中，圖像在水平面上發(fā)生整體平移，具有全局統(tǒng)一性，且圖像特性(角度、對稱性、內(nèi)部結(jié)構(gòu))無任何改變，是一種剛性變換。

3.3 DSP電子穩(wěn)像軟件實(shí)現(xiàn)

在DSP電子穩(wěn)像模塊實(shí)現(xiàn)中，視頻采集模塊獲取的PAL制視頻流經(jīng)視頻線傳遞給SAA7115解碼器，送至 DSP視頻口 VP0，將其再解碼得到 YUV(4∶2∶2)格式的圖像，進(jìn)入片內(nèi) FIFO 緩存，并通過EDMA傳送至SDRAM中，然后通過中斷通知DSP訪問SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)像算法處理。DSP電子穩(wěn)像程序流程如圖7所示。

圖7 DSP電子穩(wěn)像程序流程

4 穩(wěn)像實(shí)驗(yàn)與分析

為檢驗(yàn)穩(wěn)像系統(tǒng)的性能，筆者進(jìn)行了陀螺儀信號采集和微光夜視瞄準(zhǔn)鏡的穩(wěn)像實(shí)驗(yàn)。在瞄準(zhǔn)鏡靜止?fàn)顟B(tài)下，陀螺儀信號采集模塊中的數(shù)碼管顯示的水平向和垂直向數(shù)據(jù)穩(wěn)定在原始零位;在動態(tài)條件下，數(shù)據(jù)隨著瞄準(zhǔn)鏡的運(yùn)動實(shí)時變化:這說明陀螺儀信號采集模塊能準(zhǔn)確采集和顯示陀螺儀信號。

利用穩(wěn)像模塊的視頻采集模塊采集微光瞄準(zhǔn)鏡中的圖像，同時利用計(jì)算機(jī)和視頻采集卡采集DSP電子穩(wěn)像處理前后的圖像，并進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8所示。圖中水平和垂直方向的2條白線位于像平面的同一位置?？梢钥闯?在穩(wěn)像前，圖像中的圓形標(biāo)志盤和三角分劃在垂直方向和水平方向都發(fā)生了移動，三角分劃相對于圓形標(biāo)志盤位置不變，是“穩(wěn)線不穩(wěn)場”的場景;DSP電子穩(wěn)像后，三角分劃和圓形標(biāo)志盤的相對位置仍然不變，但兩者在圖像序列中的水平和垂直向的位置基本沒有變化，說明經(jīng)過穩(wěn)像系統(tǒng)電子穩(wěn)像后，炮長微光瞄準(zhǔn)鏡中的圖像得到了有效的穩(wěn)定，更加有利于炮長對目標(biāo)進(jìn)行觀察和瞄準(zhǔn)。

圖8 炮長微光瞄準(zhǔn)鏡圖像的穩(wěn)像實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

針對“下反”式炮長微光瞄準(zhǔn)鏡圖像抖動的問題，筆者設(shè)計(jì)了獨(dú)立的穩(wěn)像系統(tǒng)。該系統(tǒng)集陀螺儀信號采集、視頻采集顯示和DSP圖像處理于一體，實(shí)現(xiàn)了對微光瞄準(zhǔn)鏡中圖像的有效穩(wěn)定，提高了炮長的觀察和瞄準(zhǔn)的能力。另一方面，陀螺儀組件測量信號只包括水平和垂直2個方向的角姿態(tài)變化信息，所以穩(wěn)像系統(tǒng)無法對位移振動和繞視軸旋轉(zhuǎn)引起的圖像抖動進(jìn)行補(bǔ)償。因此在基于陀螺儀的電子穩(wěn)像技術(shù)的基礎(chǔ)上，用更高精度的電子穩(wěn)像算法對圖像進(jìn)行二次穩(wěn)定，可以進(jìn)一步提高微光瞄準(zhǔn)鏡穩(wěn)像的精度。

［1］ 周啟煌，常天慶，邱曉波.戰(zhàn)車火控系統(tǒng)與指控系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003:1-22.

［2］ 朱競夫，趙碧君，王欽釗.現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003:63-88.

［3］ 鄭曉峰，陳越庭，徐之海，等.一種補(bǔ)償平移與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的快速電子穩(wěn)像算法［J］.光子學(xué)報，2008，37(9):1890-1894.

［4］ 紀(jì)紅霞，蔣曉瑜，李樹軍.車載電子穩(wěn)像算法研究［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2005，19(3):38-41.

［5］ 王志民，徐曉剛.電子穩(wěn)像技術(shù)綜述［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2010，15(3):470-480.

［6］ Hsu S C，Liang S F，F(xiàn)an K W，et al.A Robust In-car Digital Image Stabilization Technique［J］.IEEE Transaction on Systems，Man and Cybemetics，2007，37(2):234-247.

［7］ 杜登崇.面向運(yùn)動場景的電子穩(wěn)像算法研究［D］.北京:裝甲兵工程學(xué)院，2009.

［8］ 章毓晉.圖像工程(下冊):圖像理解與計(jì)算機(jī)視覺［M］.2版.北京:清華大學(xué)出版社，2007:44-54.