基于FPGA的紅外圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李冬冬

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，圖像采集產(chǎn)品的成本快速降低，攝像頭技術(shù)已被應(yīng)用于人們生活的方方面面。但在一些特定的領(lǐng)域，例如在軍事方面熱成像追蹤系統(tǒng)。圖像的采集速度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速度是制約系統(tǒng)性能的重要因素。本文通主要論述了紅外圖像系統(tǒng)的硬件組成和程序的實(shí)現(xiàn)。在驗(yàn)鈔系統(tǒng)上采用紅外圖像采集系統(tǒng)，并以FPGA為程序邏輯載體，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速采集和處理圖像，并且FPGA的程序具有較強(qiáng)的兼容性，可以進(jìn)行二次開發(fā)。只需要對(duì)程序邏輯更改就可以用作別的系統(tǒng)，可以降低開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：圖像采集；FPGA；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2017）05-174-2

1 圖像采集概述

將現(xiàn)實(shí)中的圖像轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)就是圖像采集的過程。圖像采集是整個(gè)圖像處理的基礎(chǔ)，其特性的好壞直接決定后期處理的效果。它是影像處理的第一步，也是最重要的一步，因?yàn)檫@是所有成品藍(lán)本基礎(chǔ)。如果想進(jìn)一步提升圖像質(zhì)量需要進(jìn)行專業(yè)的處理，就像修改其基因一樣。

圖像采集系統(tǒng)與圖像本身和后續(xù)的處理系統(tǒng)有很大關(guān)系，所以在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素也很多，主要包括以下四個(gè)方面：①更高質(zhì)量的圖像就意味著所占儲(chǔ)存空間更大，對(duì)系統(tǒng)的要求會(huì)更高。內(nèi)存太小，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間不夠，接口傳速太慢，數(shù)據(jù)傳輸?shù)却?，這些都會(huì)拉低系統(tǒng)性能。另外，處理模塊的相應(yīng)速度也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重。②圖像文件占中存儲(chǔ)空間較大，對(duì)系統(tǒng)的傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、圖像顯示的要求較高，成本較高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮硬件的成本。③圖像處理模塊的方式可以是多種多樣的，可以根據(jù)系統(tǒng)的類型進(jìn)行選擇。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到處理模塊的數(shù)據(jù)接口。常用的是嵌入式的集成系統(tǒng)，其特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)，可以用于數(shù)據(jù)量較大的系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)也是較為常見的處理模塊，它加運(yùn)算能力強(qiáng)。其最大的特點(diǎn)是程序可以隨意更改，可以滿足大部分系統(tǒng)需求。應(yīng)用最廣泛的是通用型計(jì)算機(jī)裝置，他的集合了前兩種的優(yōu)點(diǎn)。而且最為突出的特點(diǎn)是友好的信息交互界面，程序強(qiáng)大的兼容性。④圖像采集系統(tǒng)是由多個(gè)模塊組成的。比如，光照控制模塊、圖像采集模塊、機(jī)械模塊。整個(gè)流程需要各個(gè)模塊協(xié)同工作，需要對(duì)個(gè)模塊的同步控制進(jìn)行整體規(guī)劃。

2 圖像采集系統(tǒng)的主要架構(gòu)

基于FPGA的高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常靈活、簡單。全部采用模塊化組件，可以快速構(gòu)建系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、可擴(kuò)展性好、數(shù)據(jù)處理快速、各模塊兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)通過FPGA邏輯程序來實(shí)現(xiàn)各相關(guān)模塊的連接和控制。首先控制圖像傳感器對(duì)圖像進(jìn)行采集，經(jīng)過簡單預(yù)處理，將數(shù)據(jù)壓縮空并通過數(shù)據(jù)接口傳給處理終端。

3 基于FPGA的驗(yàn)鈔圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以辨別紙幣的真假為目的，基于FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)紅外圖像采集系統(tǒng)。認(rèn)真研讀了人民幣鑒別準(zhǔn)則，結(jié)合圖像采集及分析技術(shù)，最終通過PC終端辨別紙幣的真假。

3.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)速度要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為800張/min。系統(tǒng)需要對(duì)錢幣的正反兩面上的真?zhèn)伪鎰e特征進(jìn)行圖像信息采取。圖像傳感器的選擇CIS（接觸式傳感器）在自帶光源的基礎(chǔ)上增加外部光源，提高圖像的曝光度，提高圖像采集質(zhì)量。傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)通過模擬轉(zhuǎn)化器ADC轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。數(shù)據(jù)的采集的程序基于FPGA來實(shí)現(xiàn)，在信息采集過程中傳感器和數(shù)字模擬器及曝光程度的控制都是通過FPGA的程序來控制，還可以對(duì)采集的照片信息進(jìn)行預(yù)處理，將數(shù)據(jù)整理后傳輸?shù)秸婕俦鎰e模塊，對(duì)紙幣真?zhèn)芜M(jìn)行鑒定。

3.2 傳感器的選擇

首先在保證能得到清晰圖像的前提下盡量選擇低像素的傳感器來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這樣可以減少數(shù)據(jù)在傳輸速度和存儲(chǔ)上的壓力。經(jīng)驗(yàn)證采用100dpi分辨率可以滿足驗(yàn)鈔需求。百元人民幣的尺寸大為15.6cm×7.7cm，采集圖像大小在614×300可以滿足采集要求，每張紙幣的鑒別需要采集正反兩面所有信息，共需要兩幅圖像，完成一次檢測(cè)數(shù)據(jù)大小為9.8Mbit。根據(jù)系驗(yàn)鈔系統(tǒng)速度要求800張/min，每張檢測(cè)周期為0.075秒，每分鐘有158.35Mbps的數(shù)據(jù)需要被處理，傳感器的性能要求較為嚴(yán)格。根據(jù)需求可以選擇CIS（接觸式圖像傳感器）其結(jié)構(gòu)簡單體積小、一致性高、曝光時(shí)間短等特點(diǎn)，可以滿足系統(tǒng)需求。

3.3 控制系統(tǒng)的概述

控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，相當(dāng)于人得大腦。PFGA就是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，在本次設(shè)計(jì)方案中FPGA是采用阿爾特拉公司的成熟產(chǎn)品暴風(fēng)系列。該元件上擁有大連存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)上萬邏輯程序。同時(shí)，F(xiàn)PGA的兼容性較高，額定電壓1.5V，可以嵌入大部分系統(tǒng)，且低能耗又是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以降低運(yùn)行成本。PFGA兼容性高的另一方面表現(xiàn)在其萬能數(shù)據(jù)接口，可以和IO、USB等其他大部分的接口連接，應(yīng)用范圍廣闊。

FPGA在系統(tǒng)中主要通過發(fā)送控制信號(hào)來控制各模塊的動(dòng)作。例如，在控制圖像傳感器的同時(shí)，還需要控制燈光強(qiáng)度，保證所采集圖像的清晰程度。在FPGA的選擇上需要考慮其數(shù)據(jù)處理速度及其最大傳輸速度。由上文可知，該系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)158.35Mbps，而所選FPGA有6個(gè)通道與模擬轉(zhuǎn)換器相連，每條通道都是8位8MHz，所以該系統(tǒng)的寬帶為384Mbps。其性能遠(yuǎn)大于系統(tǒng)需求，完全可以保證正常運(yùn)行。

3.4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.4.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊由三部分組成，分別是圖像成像傳感器、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊、存儲(chǔ)模塊。圖1是圖像三個(gè)組成部分協(xié)同工作的順序邏輯圖。當(dāng)SI保持一個(gè)周期的高電位狀態(tài)下，圖像傳感器（CIS）接收信號(hào)，執(zhí)行一次掃描動(dòng)作。完成掃描動(dòng)作的時(shí)間為64個(gè)周期，完成掃描后SI電壓發(fā)生變化。

CIS輸出的可用信號(hào)經(jīng)過ADC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化器）后由ADC_IF讀入SRAM。

3.4.2 圖像傳輸模塊

圖像傳感器所采集的數(shù)據(jù)是分散的，有正面和反面兩個(gè)部分。圖像傳輸模塊首先將同一張紙幣兩個(gè)面的相關(guān)數(shù)據(jù)合并，組成一張紙幣的完整信息。其次，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，將完整的數(shù)據(jù)信息通過DPS進(jìn)行傳輸。在進(jìn)行圖像傳輸之前的工作稱為視頻采集，包含攝像頭控制器、預(yù)覽引擎、圖像處理等單元。

3.4.3 軟件構(gòu)架

在之前完成了系統(tǒng)硬件的布局和數(shù)據(jù)傳輸通道的分配，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下一步，也是整個(gè)方案最核心的一步就是程序的編寫。每個(gè)組件的是否應(yīng)該工作，應(yīng)該在什么情況下工作，這是整個(gè)系統(tǒng)的邏輯順序。程序就是將系統(tǒng)的邏輯用程序語言編寫出來，并存入芯片，控制整個(gè)系統(tǒng)各組件按照設(shè)計(jì)的邏輯順序完成工作。

①第一步是圖像的采集，傳感器將圖像采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并臨時(shí)存入存儲(chǔ)器上。同時(shí)也要協(xié)同外部光源與傳感器進(jìn)行配合，獲得高質(zhì)量的圖像源。②其次，通過DPS數(shù)據(jù)接口，及時(shí)地將采集的圖像信息準(zhǔn)確無誤地傳給處理模塊。③最后，根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)行周期，制定系統(tǒng)各組件運(yùn)行的信號(hào)控制周期及順序。并控制系統(tǒng)按照正常流程運(yùn)行，保證系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于 FPGA 的紅外圖像采集系統(tǒng)并從技術(shù)上加以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的程序是以FPGA為載體，控制紅外圖像的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以及圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示。圖像采集器采用紅外圖像傳感器，光源變化對(duì)圖像影響較小，所得圖像紙幣線條清晰，為后續(xù)的圖像處理和真?zhèn)伪鎰e提供了重要的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，程序可操作性高，還可以對(duì)程序進(jìn)行二次編程，搭載不同的圖像處理系統(tǒng)就可以進(jìn)行廣泛的應(yīng)用，可推廣應(yīng)用于軍事、生產(chǎn)監(jiān)控、醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 郭永彩，蘇渝維，高潮.基于FPGA的紅外圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011（03）：514-519.