基于NiosⅡ高速紅外圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江紹興312000)

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江紹興312000)

設(shè)計(jì)了一種基于NiosⅡ紅外高速圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過NiosⅡ軟核處理器實(shí)現(xiàn)了基于Sobel算子的圖像邊緣檢測算法，加上外圍的紅外探測器、SDRAM、高速DAC等器件，完成了高速紅外圖像采集和顯示。其設(shè)計(jì)方法是基于一種系統(tǒng)級(jí)電路，通過QuartusⅡ和SOPC Builder實(shí)現(xiàn)對(duì)此系統(tǒng)的定制。測試結(jié)果表明，此高速紅外圖像采集系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，可以完成紅外圖像的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和顯示。系統(tǒng)可以用在高幀頻、數(shù)據(jù)量大的紅外圖像實(shí)時(shí)采集。

NiosⅡ;Sobel;紅外圖像;采集系統(tǒng)

紅外探測技術(shù)具有隱蔽性好、被動(dòng)探測、抗電磁干擾、晝夜工作等突出優(yōu)勢(shì)，在各類遙感探測應(yīng)用領(lǐng)域到了越來越廣泛的運(yùn)用［1-2］。近年來，隨著紅外探測器的規(guī)模不斷增大，需要傳輸和處理的數(shù)據(jù)量也越來越大，所以要完成紅外圖像數(shù)據(jù)的采集就需要更高速的紅外圖像采集系統(tǒng)。目前使用的紅外圖像采集系統(tǒng)大部分都是基于USB或PCI的圖像采集卡。但是基于USB的紅外圖像采集系統(tǒng)只能用于數(shù)據(jù)率較低的場合，PCI總線是并行總線，當(dāng)連接多個(gè)設(shè)備時(shí)，傳輸速率就會(huì)變慢。本系統(tǒng)使用Altera公司的NiosⅡ軟核處理器實(shí)現(xiàn)基于Sobel算子的圖像邊緣檢測算法，在FPGA上產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速讀寫，具有傳輸速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

1 Sobel圖像邊緣檢測算法原理

Sobel圖像邊緣檢測是一種非線性的邊緣檢測算法，效率很高，用途非常廣泛。Sobel圖像邊緣檢測算法的大致過程是首先采用Sobel算子去計(jì)算出垂直梯度與水平梯度，然后將這兩個(gè)方向的梯度進(jìn)行結(jié)合，最終運(yùn)用門限處理法對(duì)圖像邊緣進(jìn)行鑒定。算法的具體流程圖如圖1所示。

圖1 Sobel圖像邊緣檢測算法流程圖

具體的算法是以檢測像素點(diǎn)為中心，x表示水平方向，y表示垂直方向，在x，y方向上分別使用不同的兩個(gè)卷積核，例如:

設(shè)x，y是通過x，y方向卷積核算出的某個(gè)像素的卷積像素值，此時(shí)這個(gè)像素的邊界強(qiáng)度q和方向η的計(jì)算公式是:

通過式(1)對(duì)紅外圖像中的每一個(gè)像素出來后，然后進(jìn)行閾值化處理，這樣就能完成對(duì)目標(biāo)的邊緣提?。?-4］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

本文是基于NIOSⅡ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)中選用采用Altera公司的cycloneⅡ型FPGA。此芯片具有低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗低的優(yōu)點(diǎn)。整體框圖如圖2所示，包括:紅外探測器、AD電路、在FPGA上實(shí)現(xiàn)的NIOSⅡ系統(tǒng)、FLASH芯片、SDRAM芯片、SRAM芯片、EPCS16、TFT-LCD、DMA控制器。FPGA選用Altera公司的而cyclone IV GX型FPGA。其中NIOSⅡ系統(tǒng)是核心，由其完成整個(gè)系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)處理，并將所得數(shù)據(jù)發(fā)送到TFT-LCD進(jìn)行顯示。使用SOPC Builder開發(fā)平臺(tái)完成NIOSⅡ系統(tǒng)的定制［5-6］。SOPC Builder提供的片內(nèi)資源非常的豐富，只需根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行定制，具體添加的IP核如圖3所示，定制完成后會(huì)自動(dòng)生成地址和中斷，最后會(huì)生成一個(gè).bsf文件。

圖2 圖像采集系統(tǒng)框圖

圖3 NIOSⅡ系統(tǒng)定制文件

2.2 線列驅(qū)動(dòng)時(shí)序

Clk、Rst、Start、SHP、SHD等幾個(gè)信號(hào)組成了紅外線列探測器驅(qū)動(dòng)時(shí)序。其中Clk信號(hào)為探測器信號(hào)的讀出時(shí)鐘;當(dāng)Rst為高電平時(shí)表示線列的積分時(shí)間，當(dāng)Rst是低電平的時(shí)候?yàn)檎趶?fù)位;Start表示探測器一行讀出控制信號(hào);SHD和SHP表示積分雙采樣(CDS)控制信號(hào)。

紅外探測器模擬輸出信號(hào)中有復(fù)位噪聲、1/f噪聲、輸出放大器噪聲等很多噪聲，這些噪聲會(huì)嚴(yán)重影響器件的信噪比。SHD信號(hào)可以把258個(gè)像元積分前的基底噪聲存儲(chǔ)在一個(gè)電容中，SHP信號(hào)可以把258個(gè)像元積分后的信號(hào)存儲(chǔ)在另外一個(gè)電容中，時(shí)序運(yùn)行時(shí)把兩個(gè)電容的信號(hào)同時(shí)讀出，然后通過采樣電路對(duì)這兩個(gè)信號(hào)做差，這樣就能去除大部分這類噪聲，提取出需要的視頻信號(hào)。在每個(gè)像素周期內(nèi)，參考電平和信號(hào)電平各被CDS采樣一次，如圖4所示。SHP上升沿采樣紅外探測器輸出信號(hào)的參考電平，SHD上升沿采樣紅外探測器曝光后的信號(hào)電平，最后把這兩次采樣值相減，就能得到需要的視頻模擬信號(hào)［7］。

圖4 紅外探測器驅(qū)動(dòng)時(shí)序

2.3 AD轉(zhuǎn)換電路

紅外探測器最高輸出頻率是2 MHz，輸出的模擬電平為0～3 V，所以選擇使用的ADC芯片必須滿足紅外探測器的數(shù)據(jù)需求，而且噪聲要盡量小。本系統(tǒng)選用的是逐次逼近ADC芯片AD9252，此芯片能滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，而且具有功耗低、便于PCB布線的優(yōu)點(diǎn)。該器件的控制和輸出很容易由FPGA實(shí)現(xiàn)，具體原理如圖5所示。

圖5 累加平均和乒乓存儲(chǔ)原理框圖

因?yàn)锳D9252采用串行輸出，因此FPGA就首先需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)做串并轉(zhuǎn)換，然后將經(jīng)過轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)運(yùn)用累加器將同一個(gè)信號(hào)進(jìn)行8次采樣后相加。然后將累加的數(shù)據(jù)送入除法模塊，與此同時(shí)將累加器清零。最后依據(jù)乒乓原理送至對(duì)應(yīng)的BlockRam里做存儲(chǔ)，等候信號(hào)的發(fā)送。

2.4 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

紅外探測器初始化完成后，當(dāng)FPGA檢測到幀有效信號(hào)FRAME_VA LID引腳的上升沿時(shí)，行計(jì)數(shù)清零;當(dāng)行引腳LIN E_VALID有效時(shí)，幀計(jì)數(shù)器開始對(duì)像素時(shí)鐘計(jì)數(shù)，記滿一行數(shù)據(jù)之后，列計(jì)數(shù)器清零，行計(jì)數(shù)器加1，一幀圖像傳輸完畢，此時(shí)圖像數(shù)據(jù)就能按順序傳輸至圖像采集模塊的寄存器中。如果行與幀有效信號(hào)同時(shí)高電平有效，那么當(dāng)圖像采集模塊每次輸出一組數(shù)據(jù)的時(shí)候，幀計(jì)數(shù)器加1來就能表示輸出圖像數(shù)據(jù)的有效性，該圖像數(shù)據(jù)在整個(gè)圖像中的幀數(shù)就是這時(shí)候計(jì)數(shù)器的值。如果幀計(jì)數(shù)器運(yùn)算為04，表示第1行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，接著傳輸?shù)?行的數(shù)據(jù)。第2行圖像數(shù)據(jù)傳輸完之后，圖像幀數(shù)會(huì)變成00，這樣就表示一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束［8］。仿真結(jié)果如圖6所示，仿真結(jié)果證明了采集模塊的正確性。

圖6 時(shí)序仿真結(jié)果

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在NiosⅡ IDE平臺(tái)下，采用 C語言和 Verilog HDL語言相結(jié)合的方式編寫而成。

圖7 軟件程序流程圖

NiosⅡ系統(tǒng)在完成紅外探測器初始化的同時(shí)，也在圖像采集、處理和顯示邊緣檢測結(jié)果。由紅外探測器把采集到的圖像數(shù)據(jù)在SDRAM中做臨時(shí)存儲(chǔ)。一幀圖像采集完成后，NiosⅡ通過復(fù)位紅外探測器結(jié)束對(duì)圖像的采集，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)在SDRAM中的圖像進(jìn)行處理并且在SRAM中寫入處理的結(jié)果。圖像通過處理后，NiosⅡ系統(tǒng)啟動(dòng)DMA控制器，通過DMA控制器運(yùn)用流模式傳輸方式把SRAM中處理好的圖像傳輸給TFT-LCD做圖像處理結(jié)果的顯示。

4 測試結(jié)果和結(jié)論

4.1 測試結(jié)果

整個(gè)系統(tǒng)能很好的完成圖像數(shù)據(jù)采集和顯示。本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)紅外圖像顯示，并能通過串口實(shí)時(shí)監(jiān)控探測器的工作狀態(tài)。圖8顯示的是該系統(tǒng)的一次掃描得到的紅外圖像。

圖8 系統(tǒng)處理的紅外圖像

4.2 結(jié)論

本文充分利用FPGA的內(nèi)部資源和NiosⅡ軟核處理器實(shí)現(xiàn)了紅外高速圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。FPGA具有并行運(yùn)算、高速傳輸、實(shí)時(shí)性優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)充分利用了這些優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)還發(fā)揮了NiosⅡ軟核處理器在控制和通信方面的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目的，不但具有集成度高、采集速度快、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很好的擴(kuò)展性和移植性。

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基于NiosⅡ高速紅外圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃煜棟*

High-Speed Infrared Image Acquisition System Based on NiosⅡ

HUANG Yudong*
(College of Information Engineering，Shaoxing Vocational and Technical Collage，Shaoxing Zhejiang312000，China)

A high-speed infrared image acquisition system is designed based on NiosⅡ.The algorithm of the image edge detection based on the Sobel arithmetic operators is used by the NiosⅡ soft core.With the external infrared detectors，SDRAM and high-speed DAC devices，the algorithm completes a high-speed infrared image acquisition and display.The design approach of this system results from a system-level circuit，which can realize the customization of this system through QuartusⅡand SOPC Builder.According to the experiment result，the system is reliable and it can perform real-time acquisition of infrared image stably.The system can be used in high frame rate，realtime acquisition of infrared images of large volumes of data.

NiosⅡ;Sobel;infrared image;acquisition system

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.020

TP317.4;TN911.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005－9490(2013)06－0842－04

2013-03-23修改日期:2013-04-21

EEACC:7220;6140C

黃煜棟(1981-)，男，漢，浙江省紹興市人，紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院工作，講師，碩士(浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè))，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、移?dòng)應(yīng)用開發(fā)，huangyudong1981@ 163.com。