基于FPGA的舰船导航系统的双通道图像处理技术研究
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基于FPGA的舰船导航系统的双通道图像
处理技术研究
梁东莺1，李粤平2
(1. 深圳信息职业技术学院，广东 深圳 518172；
2. 哈尔滨工业大学 深圳研究分院，广东 深圳 518172)
摘 要: FPGA系统的应用使得舰船导航系统的数据处理能力和抗干扰能力获得极大提高，尤其在导航系统的图像收集和处理方面，基于FPGA系统的控制器能够实时处理大量通道的并发图像数据，因此其在舰船导航领域有着巨大的开发价值。本文设计舰船导航系统的硬件电路，并对内部的重要功能子模块进行介绍。在对图像收集的过程中，由于干扰的存在，因此设计了滤波环节，能够强化图像数据的准确度，最后采用正弦波和方波模拟双通道的输入信号，对该图像处理电路的功能进行仿真。
关键词：FPGA；双通道；图像处理
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7619(2017)6A – 0123 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.6A.041
Research on dual-channel image processing technology of ship
navigation system based on FPGA
LIANG Dong-ying1, LI Yue-ping2
(1. Information Center, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China;2. Harbin Institute of Technology, Shenzhen, 518172, China)
Abstract: The application of FPGA system makes the data processing capability and anti-jamming capability of ship
navigation system greatly improved. Especially in the image collection and processing of navigation system, the controller
based on FPGA system can deal with concurrent image data of large number of channels in real time, So its navigation in the
field of navigation has a huge development value. In this paper, the hardware circuit of the ship navigation system is de-
signed, and the important function sub-module is introduced in detail. In the process of image collection, due to the existence
of interference, so the design of the filter link, to enhance the accuracy of image data, and finally the use of sine wave and
square wave analog dual-channel input signal, the image processing circuit function The simulation.
Key words: FPGA；dual channel；image processing
0 引 言
在舰船导航系统中，图像数据的准确度对导航的
精确性有着很大的影响，而图像数据包含了红外图、
高清图、矢量图等各种形式，以满足舰船在不同环境
下的导航需求[1]。本文设计的基于FPGA的图像处理电
路，具有多通道输入、并行处理等先进功能，在数据
传输和图像处理方面具有天然的优势，因此本文重点研究FPGA电路设计的主要流程和图像数据的滤波算
法设计。
1 舰船导航系统FPGA硬件系统设计
导航系统的主要功能为采集船舶航行路线的图像
信息，对多通道图像数据进行转换和滤波，提取图像
中的关键信息，进行重新整合[2 – 3]。本文所设计的FP-
GA硬件系统如图1所示。第39 卷 第 6A 期舰 船 科 学 技 术Vol. 39, No. 6A2017 年 6 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYJun. , 2017 收稿日期: 2017 – 04 – 24基金项目: 深圳市科技资助项目(JCYJ20130401095947222)作者简介: 梁东莺(1976 – )，男，硕士，高级工程师，从事云存储及人工智能研究。1）数据选择控制模块
通过该模块能够实现图像采集过程中的图像锁
定、画面切换、锁存等基本功能，在完成数据选通后
对输入的信号进行滤波处理，转换成有用的信号再传
输到主存储器中。
2）图像信号输入模块
该模块主要由图像传感器和GPS导航数据构成，
在工作时，GPS模块负责收集导航信息，然后生成对
应的图像，寄存在缓存中，再按照时间序列输入到处
理器中进行图像加工。
3）图像处理模块
该模块能够完成对导航图像数据的压缩、特征提
取、转存等基本功能，然后是滤波提取，得到图像的
有用信息。
4）通道锁存模块
负责对通道一和通道二的选择与控制[4 – 5]。
2 基于FPGA的导航系统双通道图像收集和处理
2.1 图像信号处理
在图像传感器接收端接收到的信号都会非常微
弱，这样微弱的信号常常难以被处理器识别，因此必
须采用信号放大器对这种有用信号进行放大，从而可
以消除背景噪声，有效提高了图像的识别效果。本文
设计的图像信号放大器如图2所示，系统要求该放大
器的输入阻抗高、输出阻抗小、增益高、增益带宽足
够大。
数据传输控制器的电路如图3所示，采集的图像
信号通过13号引脚输入到FPGA控制器中。然后通过
控制字调整此时图像处理器的工作状态，再初始化系
统的时钟频率，根据需要处理的数据量的大小，动态
调整处理器的工作频率。在数据处理时，生成的缓存
图像数据被存储在动态随机存储器中，因此，需要及
时保存图像数据到主存储单元中，以避免数据丢失。2.2 双通道图像的滤波处理
H(z)=ZT[h(n)]由于双通道图像处理时，不可避免要受到外部噪
声干扰的影响，因此只有通过滤波处理后，才能被用
于导航系统，假设系统的传递函数为，
变换后得到：H(k)=H(z)z=ej2πk/N，k=0,1,2...,N−1，
式中的采样点N≥M。通过频率采样，可以对滤波网络
的参数进行优化，得到：
H(z)=Hc(z)N−1∑
k=0Hk(z)/N,
Hc(z)=1−z−NHk(z)=H(k)/1−W−kNz−1式中：
；。
由于存在频率采样反馈回路，因此需要加强系统
的稳定性。假设系统的数据长度为N，则滤波函数为
H(ejω)=N
−1∑
n=0h(n)e−jωn,
图 1 硬件系统框图Fig. 1 Hardware system block diagram
图 2 图像信号放大器Fig. 2 Image signal amplifier
图 3 数据传输控制器Fig. 3 Data transfer controller· 124 ·舰 船 科 学 技 术第 39 卷H(ejω)=Hg(ω)ejθ(ω)。
Hg(ω)θ(ω)式中：为图像的频率幅度特性；为相位信息。
Hg(ω)H(ejω)Hg(ω)
H(ejω)θ(ω)由于本质上和不同，为系统中
频率的实函数，有可能输出值小于0，因此一般通过
取绝对值，其中频率函数为线性函数，与
频率满足如下关系：
θ(ω)=−τω,
−τ其中，为常量。
在系统检测到图像时，初始的频率函数为
θ(ω)=θ0−τω，
τ频率函数取微分后，可得到时间常数。
dθ(ω)/dω=−τ。
仿真时，分别从2个通道输入不同的信号，进行
合成。通道1的输入信号为正弦波，通道2的输入信
号为方波，通过FPGA系统合成后，得到混合通道的
输出信号。多通道数据传输的仿真图分别如图4所示。
3 结 语
在舰船系统中采用FPGA系统，能够简化导航数
据的处理流程，同样对于图像信息也能够实现良好的
兼容性，尤其是多通道工作时，由于FPGA系统的扩
展性很强，因此，本文的研究具有一定的实用价值。
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图 4 多通道数据传输仿真Fig. 4 Multi-channel data transmission simulation第 39 卷梁东莺，等：基于FPGA的舰船导航系统的双通道图像处理技术研究· 125 ·
