基于DSP實現的實時打擊效果評估

宋丹

摘 要： 打擊效果評估是現代戰爭中的一個重要環節，對下一步作戰行動有著至關重要的影響。針對機載/彈載環境，考慮實時處理需要，并結合DSP特點，提出一種針對幾類特定地面軍事目標的自動實時毀傷評估方法。最后，基于多DSP硬件開發平臺設計并實現了實時打擊效果評估演示系統，通過實驗和測試表明，該方法可行有效，滿足實時性要求，能自動快速地對打擊目標的毀傷效果進行準確有效的分級評估。

關鍵詞： 打擊效果評估； DSP； 實時評估； 演示系統

中圖分類號： TN959.2+1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0046?04

Implementation of hitting effect real?time assessment based on DSP

SONG Dan

（Southwest China Institute of Electronic Technology， Chengdu 610036， China）

Abstract： The hitting effect assessment is a key link in modern war， which has a fatal influence for next battle action. The method of automatical real?time battle damage assessment for several specifical military targets on ground is proposed， in which the air?borne and missile?borne environments， demand of real?time processing， and DSP characteristics are considered. The hardware development platform based on multi?DSP was designed， and the demonstration system of real?time battle damage assessment was implemented. The experiment and test results show that the proposed method is feasible and effective， satisfies the demand of real?time assessment， and implements the accurate and effective grading evaluation for the damage effect of battle targets automatically and quickly.

Keywords： hitting effect assessment； DSP； real?time assessment； demonstration system

0 引 言

打擊效果評估是現代戰爭中的一個重要環節，能否及時、準確地對被打擊目標的毀傷效果進行評估，對決策后續作戰行動，及時組織后續打擊具有十分重要的作用[1]。因此，研制和發展便捷、實時的戰場毀傷效果評估系統具有重大的現實意義和廣闊的應用前景。該系統可搭載于飛機、導彈、炮彈或者火箭上，在跟隨搭載平臺到達目標區域上空后，利用安裝的高性能相機拍攝打擊前后的目標（彈著點）圖像，并將獲取的圖像傳送到指揮中心進行處理[2]，或者進行毀傷評估處理后直接將結果傳回，從而縮短毀傷效果評估時間。

針對地面特定建筑、油罐、飛機、艦船4類軍事目標，提出一種基于DSP實現的自動實時打擊效果評估方法，并基于多DSP硬件板卡設計和實現了實時打擊效果評估演示系統。該方法（系統）可應用于無人機或者導彈上，集查打一體，在確定目標并攻擊完成后立即對打擊目標的毀傷情況進行自動實時評估，并且無需人工干預，只要在任務加載階段輸入前期制作完成的打擊區域基準圖和打擊目標先驗信息（位置、尺寸、類型等），就可自動實時地完成對指定目標的打擊效果分級評估。

1 實時打擊效果評估方法

1.1 算法流程描述

該實時打擊效果評估方法適用于無人機或彈載環境，集查打一體，包括目標檢測與定位、目標特征提取和分級毀傷評估三個過程[3]，如圖1所示。其中，目標檢測與定位過程通過輸入的制備基準圖、目標先驗信息以及打擊前后圖像確定待打擊（毀傷評估）目標的位置；目標特征提取過程基于變化檢測，提取目標在打擊前后的幾何特征和紋理特征；分級毀傷評估過程則根據毀傷評價指標體系和提取到的目標打擊前后的特征進行分級毀傷評估，并給出評估結果。具體步驟如下：

（1） 基準圖與打擊前圖像匹配，獲得兩幅圖像之間的映射關系。其中，基準圖在地面事先制備，其來源一般為衛星照片或高空偵察機航拍照片，需選擇具有代表性地形地貌的圖像進行制備[4?5]。

（2） 根據目標先驗信息（如目標位置、特征等，在地面事先制備）和基準圖與打擊前圖像之間的映射關系，獲得目標在打擊前圖像中的目標區域。飛機、艦船等可在地面緩慢移動的目標，可以根據目標的幾何特征、紋理特征、灰度特征以及空間特征等進行目標檢測；特定建筑、油罐等地面固定目標則可以采用模板匹配的方法進行目標檢測。

（3） 打擊前后圖像匹配，獲得兩幅圖像之間的映射關系。

（4） 根據打擊前后圖像之間的映射關系，獲得目標在打擊后圖像中的目標區域。因打擊后目標特征可能發生變化，步驟（2）中的目標檢測方法已不適用，不能直接在打擊后圖像中檢測目標，故采用圖像匹配方法進行位置映射，確定目標在打擊后圖像中的位置。其前提是打擊前后圖像獲得間隔時間極短，目標可視為未發生移動。

（5） 在打擊前后圖像的重疊區域進行變化檢測，得到變化區域，與之前得到的目標區域進行比對，判斷打擊目標是否遭到毀傷，即目標區域是否發生變化。

（6） 分別在打擊前后圖像中的目標區域中提取目標特征。

（7） 根據毀傷評估規則，由提取的目標特征計算獲得目標毀傷評價參數，進行打擊效果的分級評估。

（8） 輸出最后的評估結果，同時可以選擇輸出打擊前后目標特征和目標毀傷評價參數等信息，以輔助指揮人員做出決策。

1.2 目標特征選取

提取打擊前后的目標圖像特征，根據其變化評估目標的毀傷程度。常用的目標圖像特征很多，如灰度特征、紋理特征、幾何特征、顏色特征及空間關系特征等[6?7]。本文提出的實時打擊效果評估方法考慮DSP運算的特點，選取了目標區域面積、長軸、短軸及長短軸比4類目標幾何特征，目標區域均值、方差、一致性3類目標紋理特征，作為目標毀傷評估的指標參數。

其中，目標幾何特征根據目標二值連通區域統計獲得，定義如下：

目標面積S：目標二值連通區域像素點個數。

目標長軸L：目標二值連通區域軸向長度（最小外接矩形長度）：

[L=2×Cxx+Cyy+2×Cxx-Cyy2+4×C2xy] （1）

目標短軸[W：]目標二值連通區域法向長度（最小外接矩形寬度）：

[W=2×Cxx+Cyy-2×Cxx-Cyy2+4×C2xy] （2）

其中：[C]為根據目標區域邊界點坐標計算出的自相關矩陣：

[C=CxxCxyCyxCyy=x1x2…xny1y2…yn×x1y1x2y2?xnyn] （3）

目標長短軸比[R：]目標長短軸之比，即：

[R=LW] （4）

目標紋理特征根據目標區域原始灰度統計獲得，定義如下：

目標區域均值[μ：]目標區域像素灰度值平均。

目標區域方差[σ：]目標區域像素灰度值方差。

目標區域一致性[U：]目標區域灰度分布均勻程度和紋理粗細度：

[U=∑p2i] （5）

式中[pi]為灰度值為[i]的概率。

1.3 毀傷評估規則

根據提取的目標特征，本文提出實時打擊效果評估方法，再選取毀傷面積比、目標區域幾何變化率、目標區域紋理變化率三項指標作為毀傷程度評價的評價標準，定義如下：

毀傷面積比：毀傷面積（目標區域面積變化）與打擊前目標面積之比。

紋理變化率：上節所述3個紋理特征（均值、方差、一致性）變化率均值。

幾何變化率：上節所述3個幾何特征（長軸、短軸、長短軸比）變化率均值。

毀傷程度分級標準設置如表 1所示。

2 實時打擊效果評估演示系統

2.1 系統組成

實時打擊效果評估系統硬件設備由工控機和多DSP硬件板組成。在工控機上實現主機顯控程序，在多DSP硬件板上實現核心的實時打擊效果評估算法，系統組成如圖 2所示。其中，多核DSP硬件板上的DSP為TI公司的C64x系列，其計算處理能力強大，特別適合大數據吞吐量的集群通信、圖像處理、視頻壓縮等應用。

2.2 數據流程

實時打擊效果評估演示系統的數據流程如圖3所示。實時打擊效果評估演示系統啟動后，首先加載圖像數據并在界面中顯示，然后人工設置打擊目標及目標的位置、尺寸、類型等先驗信息。啟動相應的任務處理后，主機程序將先驗信息及圖像數據按照一定的格式組成數據幀，通過CPCI總線接口發送到空閑的DSP處理單元所對應的SDRAM中。傳輸完畢后，DSP處理單元啟動相應的實時打擊效果評估程序，對接收到的圖像數據進行處理。處理完成后，將提取出的目標特征及評估結果放到指定位置的外部存儲器中，并通知主機讀取。主機接到處理完成的通知后，在指定位置讀出評估結果，然后將結果顯示在列表框以及圖像上，這樣就完成了一次數據處理過程。

2.3 DSP實現

實時打擊效果評估算法在DSP中實現，需進行算法的移植和優化。其中，算法移植保證算法能在DSP芯片上順利運行，手段包括：消減冗余代碼、改動庫文件、初始化外圍接口、調整數據存取方式、調整數據類型、合理有效分配內存空間等。算法優化則提高其執行效率，手段包括：合理設置編譯選項（如-o3，-pm），設置Cache，使用片內RAM進行計算、使用DMA搬移數據、使用DSP自帶內聯函數和庫函數等。

3 測試結果及分析

通過網絡獲取一定數量的打擊前圖像，再由打擊前圖像仿真得到相應的打擊后圖像（目標毀傷），在實時打擊效果評估演示系統進行測試。具體方法如下，在打擊前后圖像對中選取地面特定建筑、油罐、飛機、艦船目標各200個，以人工判讀的評估結果作為期望結果，將演示系統輸出的評估結果與之比較，用以驗證演示系統的功能與性能。限于篇幅，本節不能給出每個目標的評估結果，僅給出一個統計表，如表2所示。

另外，給出一個具體評估實例，目標類型為特殊建筑，如圖4所示。

圖4為主機顯控程序的軟件界面，其中左側顯示框中為原始基準圖，右側兩個顯示框中分別為打擊前后的實時圖，實時圖中用紅線框出的為評估的打擊目標。另外，界面中還能設置目標先驗信息，輸出目標特征和評估結果，并返回程序各模塊的運行時間。輸出的目標特征及評估結果如表3所示。

從圖4打擊前后圖像對比可以明顯看出，指定打擊目標缺少了一個角，但其他部位未遭受到明顯損壞，可以判定其毀傷程度為輕度到中度。再由表 3可得，演示系統自動評估出來的結果為中度損傷，與人工判讀出來的結果基本一致。而由表 2可知，針對4類目標，演示系統的自動評估結果具有相當高的準確率（92.1%），且實時性高（0.53 s）。由此可見，本文提出的實時打擊效果評估方法是切實可行的。

4 結 論

本文針對地面特定建筑、油罐、飛機、艦船4類軍事目標，提出了一種基于DSP實現的自動實時打擊效果評估方法，并在多DSP硬件板上實現了實時打擊效果評估演示系統。通過大量的測試證明，該方法可以對打擊目標的毀傷程度進行自動有效而快速地評估。同時，實現的演示系統還可以輸出打擊前后的目標特征及目標毀傷參數等信息，能為作戰指揮系統的軍事決策提供及時準確的參考信息。

參考文獻

[1] 陳麒，祝明波，劉旭東.基于圖像的打擊效果評估研究綜述[J].艦船電子工程，2013，33（4）：10?12.

[2] 祝明波，陳麒，張東興.圖像在精確制導中的應用綜述[J].飛航導彈，2013（11）：70?74.

[3] 蘇娟，鮮勇，劉代志.基于圖像變化檢測的打擊效果自動評估算法[J].火力與指揮控制，2008，33（4）：134?137.

[4] 李俊山，李旭輝，羅蓉，等.不同傳感器圖像的景象匹配區選取準則研究[J].微電子學與計算機，2007，24（1）：210?213.

[5] 楊小岡，曹菲，黃先祥，等.景象匹配仿真中基準圖的制備方法研究[J].系統仿真學報，2010，22（4）：850?852.

[6] 朱朝杰，董廣軍，王仁禮.基于特征提取的目標變化檢測方法研究[J].海洋測繪，2007，27（2）：50?52.

[7] 陳和彬，梁瑤臻.基于圖像變化檢測的艦船毀傷信息提取問題研究[J].艦船電子工程，2010，30（4）：72?75.

[8] 尤曉建，韓雪梅.高分辨率光學圖像目標打擊效果評估系統研究[J].信息技術，2010（5）：92?95.