基于1.25 KHz激光成像系統(tǒng)的程序模塊設(shè)計及性能分析

摘 要：本文主要設(shè)計了基于APD激光成像系統(tǒng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)接收和圖像處理程序模塊，通過脫機(jī)重復(fù)檢測分析了該程序模塊的效率和性能，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)對設(shè)計的程序模塊進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：激光成像；程序設(shè)計；性能分析

中圖分類號：TP3；TN9

本文所設(shè)計的程序模塊，負(fù)責(zé)采集1.25KHz雪崩光電二極管（APD）陣列成像系統(tǒng)中，由復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）發(fā)送至USB芯片CY7C68013A端點(diǎn)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并將前端8×8陣列APD探測的灰度圖像數(shù)據(jù)按照一定的格式在屏幕上重現(xiàn)。

1 接收和處理模塊設(shè)計

對于數(shù)據(jù)接收模塊，其工作流程如圖1所示；對于圖像處理模塊，其流程如圖2所示。

成像系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)一般用成像系統(tǒng)對兩個最小可辨目標(biāo)之間張開角度的大小表示，即角分辨率。人眼的理論分辨能力是20角秒，但由于感光細(xì)胞的分布不均以及本身的缺陷，人眼的實(shí)際分辨能力大約是1角分。所以，在像素構(gòu)成的屏幕上，1角分是人眼能夠把兩個像素點(diǎn)（線徑）明確分開的最小間距，若兩像素點(diǎn)小于以上的間距，那么它們將溶為一點(diǎn)或者一條直線。通過弧度與角度的關(guān)系，可知1角分=2.91×10-4弧度。所以人眼在1m處，能夠分辨的最小點(diǎn)距為：

目前主流便攜式筆記本電腦屏幕一般配備13.4英寸屏幕，其寬度約29.85cm，且默認(rèn)分辨率為1366×768。若按以上參數(shù)計算，可得像素橫距為：

由于接收到的圖像包含64像素的灰度數(shù)據(jù)，根據(jù)以上分析可知，若按原始8×8分辨率將圖像顯示在屏幕上，人眼在1m遠(yuǎn)處對兩相鄰像素已無法進(jìn)行有效區(qū)分。為解決此問題，在終端軟件編寫時，將對8×8原圖中每個像素點(diǎn)的寬、高分別進(jìn)行30倍放大，以使放大后的圖像充分滿足人眼的分辨條件。

首先將8×8原圖數(shù)組中每個像素數(shù)據(jù)在240×240擴(kuò)展數(shù)組中存儲30次，如前4個像素數(shù)據(jù)在原圖數(shù)組中為0、1、55、198…，則擴(kuò)展數(shù)組保存的數(shù)據(jù)格式為0…0、1…1…55…55…198…198…，此時，即完成零維（點(diǎn)）到一維（線）的轉(zhuǎn)換。之后，將擴(kuò)展數(shù)組中前240組數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，并依次存儲在擴(kuò)展數(shù)組的第2～30行中，完成一維（線）到二維（面）的擴(kuò)充。

通過本方法，將8×8原圖擴(kuò)大為240×240大圖，能夠在不丟失原始圖像信息的同時，顯著提升人眼對于成像結(jié)果的分辨能力。

若上位機(jī)程序采用SetPixel函數(shù)進(jìn)行繪制工作，則需要特別注意繪圖邊界值的設(shè)定問題。由于SetPixel函數(shù)從（N，1）開始繪制第N行圖像（N≥1），至（N，YMax+1）結(jié)束該行繪制。所以，在定義畫布尺寸時，須在240像素的基礎(chǔ)上，對寬度、高度各增加1像素的冗余，以滿足對于擴(kuò)展圖形的規(guī)格要求，否則，將出現(xiàn)如圖3右圖所示的扭曲錯位現(xiàn)象。

2 采集性能分析

在數(shù)據(jù)采集的過程中，分別對已接收字節(jié)數(shù)和圖像錯誤率進(jìn)行統(tǒng)計記錄，所得結(jié)果如表1所示。

測試接收時，圖像出現(xiàn)錯誤的原因可通過對錯誤圖像進(jìn)行分析得出。如果：

（1）接收到的圖像第X幀的幀尾與第X+1幀的幀頭相連，則說明數(shù)據(jù)錯誤發(fā)生的原因是PC機(jī)取數(shù)據(jù)線程與CPLD硬件寫數(shù)據(jù)速度失配。

（2）若幀頭、幀尾不相連，或在一幅圖像中僅有幀頭或僅有幀尾，或兩者均無，或出現(xiàn)多個幀頭幀尾，則說明主要錯誤發(fā)生在CPLD硬件傳輸階段。

通過圖4看到，錯誤圖像均滿足第1種情況所描述的特征，即說明產(chǎn)生錯誤的主要原因是速度失配。

3 結(jié)束語

根據(jù)以上兩節(jié)的分析，不難看出，本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)接收處理模塊，在以高速可編程邏輯器件為基礎(chǔ)的激光成像數(shù)據(jù)處理電路中，可以對APD陣列采集的實(shí)時激光數(shù)據(jù)達(dá)到比較理想的圖像處理和圖形繪制效果，為激光成像系統(tǒng)工作效率和成像質(zhì)量的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡介：苗亢然（1991-），男，北京人，實(shí)驗(yàn)室助理，實(shí)習(xí)研究員，工學(xué)學(xué)士，電子信息專業(yè)在校本科生，研究方向：計算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)化安全。

作者單位：北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081