基于SOPC的紅外熱成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘海林， 楊粵濤， 王 鑫， 曹 峰， 王 濤， 李 桃

(蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151)

1 引 言

在邊海防監(jiān)控系統(tǒng)中，非制冷連續(xù)變焦紅外熱像儀接收目標(biāo)物體紅外輻射，轉(zhuǎn)換為紅外圖像信息，是實(shí)現(xiàn)邊境目標(biāo)監(jiān)測(cè)與跟蹤的核心設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的捕獲能力與探測(cè)距離。非制冷紅外焦平面陣列(IRFPA)正朝著高靈敏、大面陣、高分辨率、低功耗、數(shù)字化方向發(fā)展。隨著國產(chǎn)廠商在非制冷焦平面制造技術(shù)上的突破和紅外光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)制造技術(shù)的快速發(fā)展，面向機(jī)載光電雷達(dá)、紅外搜跟系統(tǒng)、邊海防等全天候偵察監(jiān)控等領(lǐng)域的高分辨率紅外成像系統(tǒng)的國產(chǎn)化需求越來越迫切[1-5]。

基于此，針對(duì)邊海防監(jiān)控領(lǐng)域?qū)a(chǎn)高分辨率非制冷紅外成像顯示技術(shù)的需求，本文提出了一種基于GST817VM1E國產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)器成像與增強(qiáng)顯示技術(shù)方案。本文所設(shè)計(jì)紅外熱成像系統(tǒng)以可編程片上系統(tǒng)(SOPC)為核心搭建硬件平臺(tái)，以DDR3 SDRAM作為紅外圖像緩存器，使用SOPC內(nèi)部集成NiosⅡ軟核作為系統(tǒng)控制器，配合SOPC可編程單元實(shí)現(xiàn)探測(cè)器焦平面非均勻性校準(zhǔn)(NUC)、兩點(diǎn)校正、盲元補(bǔ)償、減本底和自適應(yīng)圖像增強(qiáng)等處理[6-8]，支持輸出PAL、Cameralink、DVI等紅外圖像視頻，最高可輸出14位灰度級(jí)800×600分辨率紅外圖像，幀率可達(dá)到60 frame/s，支持連續(xù)變焦和自動(dòng)調(diào)焦控制，具有大面陣、高分辨率、高幀頻等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足邊海防監(jiān)控系統(tǒng)紅外成像顯示需求，同時(shí)為城市高點(diǎn)監(jiān)控、森林防火等紅外熱成像應(yīng)用領(lǐng)域提供了可行的技術(shù)方案。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及其工作原理

2.1 紅外熱成像系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由紅外光學(xué)鏡頭、探測(cè)模塊、信號(hào)采樣模塊、圖像處理模塊、接口模塊構(gòu)成，如圖1所示。結(jié)合監(jiān)控距離需求，紅外光學(xué)鏡頭選用北京藍(lán)思泰克30～150 mm連續(xù)變焦鏡頭，支持電動(dòng)變焦與電動(dòng)調(diào)焦。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system

探測(cè)模塊由溫度傳感器、快門組件、非制冷紅外探測(cè)器GST817VM1E組成，采用TMP101檢測(cè)環(huán)境溫度，快門組件選用對(duì)開式磁電快門組件，為探測(cè)器校正提供均勻參考面。

信號(hào)采樣模塊由探測(cè)器偏置電壓生成、半導(dǎo)致冷器(TEC)溫控、信號(hào)調(diào)理采樣等功能電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器輸出的紅外圖像模擬信號(hào)調(diào)理采樣與探測(cè)器工作焦溫實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

圖像處理模塊采用Altera公司5CGXFC9D6

F27I7N現(xiàn)場可編程芯片為核心搭配存儲(chǔ)器控制電路，通過Avalon總線實(shí)現(xiàn)DDR數(shù)據(jù)存取，采用Nios軟核作為圖像處理控制器，實(shí)現(xiàn)圖像紅外非均勻校正、盲元補(bǔ)償、自動(dòng)聚焦和增強(qiáng)顯示等處理。

接口模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源輸入轉(zhuǎn)換、紅外圖像顯示輸出和對(duì)外調(diào)試通信功能。

2.2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)基本工作原理為：系統(tǒng)工作時(shí)，圖像處理模塊上的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)生成GST817VM1E探測(cè)器所需工作時(shí)序、復(fù)位信號(hào)及相應(yīng)的偏置電壓，驅(qū)動(dòng)GST817VM1E探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，將經(jīng)光學(xué)鏡頭聚焦到探測(cè)模塊的GST817VM1E探測(cè)器上的被觀測(cè)場景中的紅外輻射轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，通過探測(cè)器奇偶兩路通道輸出，兩路模擬電壓信號(hào)經(jīng)過幅值調(diào)理、隔離、單端轉(zhuǎn)差分等信號(hào)調(diào)理后經(jīng)AD9251高精度采樣轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字信號(hào)，并以低電壓差分信號(hào)(LVDS) 電平標(biāo)準(zhǔn)輸入到圖像處理模塊FPGA，利用Nios軟核實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外數(shù)字圖像信號(hào)圖像非均勻性校正、盲元補(bǔ)償、灰度變換、自動(dòng)聚焦及圖像增強(qiáng)等處理流程控制，最后按照不同標(biāo)準(zhǔn)視頻時(shí)序重構(gòu)14位的灰度紅外圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)接口模塊輸出電路輸出標(biāo)準(zhǔn)視頻數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)PAL、DVI及CameraLink視頻輸出顯示。

3 GST817VM1E探測(cè)器簡介

探測(cè)器性能決定了紅外熱成像系統(tǒng)的性能上限，選擇高性能的探測(cè)器能顯著提高系統(tǒng)的成像效果和熱分辨力。本文選用武漢高德公司生產(chǎn)的金屬真空封裝氧化釩非制冷紅外焦平面陣列GST817VM1E。其陣列規(guī)模為800×600像素，內(nèi)部集成溫度傳感器，像元間距為17 μm，噪聲等效溫差(NETD)<80 mK，采用奇偶列兩通道輸出，幀頻達(dá)60 Hz，內(nèi)部包含氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列(IRFPA)，硅讀出電路(ROIC)和封裝在金屬管殼中的TEC，適用于監(jiān)控領(lǐng)域紅外輻射成像。ROIC由像素陣列、列級(jí)電容跨導(dǎo)放大器、采樣-保持電路、列緩沖電路、輸出緩沖電路組成，內(nèi)置非均勻校準(zhǔn)控制電路，包含列校準(zhǔn)電路和相關(guān)邏輯控制，通過外部輸入校準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)傳感器像素點(diǎn)做固定偏差和增益的校準(zhǔn)。

GST817VM1E探測(cè)器正常工作條件包括工作電源和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，工作電源由數(shù)字電源、模擬電源和偏置電壓構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括時(shí)鐘信號(hào)、配置數(shù)據(jù)和片上非均勻校準(zhǔn)(NUC)參數(shù)。根據(jù)GST817VM1E探測(cè)器使用手冊(cè)可知，探測(cè)器數(shù)字電源VDD33為3.3 V，VDD為1.8 V，模擬電源AVD33為3.6 V。為滿足探測(cè)器工作電源特性需求，本文分別采用低壓差線性穩(wěn)壓器TPS79933、TPS79918、ADP7102產(chǎn)生上述3.3，1.8，3.6 V工作電源。探測(cè)器正常工作所需的偏置電壓要求如表1所示，選用可編程線性穩(wěn)壓器 AD5324產(chǎn)生VSK、GFID偏置電壓，實(shí)際工作中需根據(jù)探測(cè)器片上非均勻校準(zhǔn)情況動(dòng)態(tài)微調(diào)偏置電壓幅值。

表1 GST817VM1E偏置電壓Tab.1 Bias voltage of GST817VM1E

GST817VM1E探測(cè)器工作所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括主時(shí)鐘(TMC)、行積分輸入時(shí)鐘(INT)、探測(cè)器復(fù)位輸入時(shí)鐘(RESET)、NUC參數(shù)及探測(cè)器配置數(shù)據(jù)。探測(cè)器通電后首先進(jìn)行初始化配置，配置數(shù)據(jù)通過SERDAT串口寫入探測(cè)器內(nèi)部寄存器。然后結(jié)合外部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入有效時(shí)鐘(CAL_DATAVALID)和非均勻校準(zhǔn)參數(shù)(CAL_DAT[5:0])實(shí)現(xiàn)探測(cè)器片上非均勻校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算和探測(cè)器校準(zhǔn)參數(shù)配置。探測(cè)器時(shí)序、校正數(shù)據(jù)和輸出的時(shí)序關(guān)系如圖2所示[9]。

圖2 探測(cè)器帶非均勻校準(zhǔn)工作時(shí)序圖Fig.2 Timing diagram of GST817VM1E

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 探測(cè)器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本文探測(cè)器驅(qū)動(dòng)由系統(tǒng)電源控制模塊、偏壓控制模塊、時(shí)序生成模塊和片上非均勻校準(zhǔn)模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)電源控制模塊采用Nios軟核控制各模塊電源轉(zhuǎn)換芯片使能信號(hào)使探測(cè)器數(shù)字電源先上電，模擬電源后上電，高電壓先上電，低電壓后上電，避免寄生和穿通電流對(duì)芯片可靠性和壽命的影響；系統(tǒng)下電時(shí)先關(guān)斷模擬電源后停止數(shù)字電源，低電壓先下電，高電壓后下電，避免閂鎖(Latch-up)效應(yīng)。

偏壓控制模塊采用AD5324芯片產(chǎn)生探測(cè)器工作所需偏置電壓VSK、GFID_E和GFID_O，并根據(jù)NUC校準(zhǔn)實(shí)時(shí)調(diào)整VSK偏置電壓使探測(cè)器輸出幀均值在7 800～8 300之間，固化VSK電壓。根據(jù)探測(cè)器奇偶通道輸出差異調(diào)整GFID_E和GFID_O幅值，減小奇偶通道數(shù)據(jù)差，提高輸出圖像信號(hào)均勻性。FPGA通過串行外設(shè)接口(SPI)編程配置AD5324四路輸出電壓，配置數(shù)據(jù)共16位，包含4位控制信號(hào)與12位有效數(shù)據(jù)。

(1)

其中：Vout為AD5324輸出電壓，Vref為精度0.001 V參考電壓源，D為12位有效數(shù)據(jù)，N為12。根據(jù)式(1)，計(jì)算出偏置電壓對(duì)應(yīng)的D，通過SPI寫入AD324輸入移位寄存器中即可。

時(shí)序生成模塊以探測(cè)器工作時(shí)序圖2為基準(zhǔn)，規(guī)格為800(H)×600(V)，按下列要求配置探測(cè)器工作時(shí)序。

(1)INT上升沿后2個(gè)主時(shí)鐘(MC)后，拉高CAL_DATAVALID，開始預(yù)存第一行的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(區(qū)別奇偶列)，整幀第一個(gè)INT和最后一個(gè)INT是dummy行，不進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，校準(zhǔn)工作共需(V+2)個(gè)INT行周期。第一個(gè)INT串口設(shè)置有效，預(yù)存第一行的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，最后一個(gè)INT讀出最后一行數(shù)據(jù)。

(2)為保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸入，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)CAL_DATA[5：0]相對(duì)于校準(zhǔn)時(shí)鐘(使用系統(tǒng)時(shí)鐘MC)的上升沿下降沿，延遲10 ns輸入。

(3)系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，串口數(shù)據(jù)SERDAT在第一行校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入前完成，系統(tǒng)每幀作外部復(fù)位，幀起始先做串口數(shù)據(jù)輸入，然后再作校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入，重復(fù)V+2行INT時(shí)鐘周期。

(4)INT時(shí)鐘高電平周期要大于30個(gè)MC，低電平周期要大于60個(gè)MC，INT高電平長度應(yīng)為MC主時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。

(5)INT時(shí)鐘需滯后MC 10 ns，CALDATAVALID滯后MC 10 ns，SERDAT滯后MC 10 ns，CAL_DATA[5:0]滯后MC上升沿和下降沿10 ns 。

(6)在Datavlid變高后2個(gè)MC，F(xiàn)PGA開始探測(cè)器采集輸出信號(hào)。

圖3 NUC校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算流程Fig.3 Flow chart of non-uniform correction

片上非均勻校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(NUC)模塊與偏壓控制模塊協(xié)同工作，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過CAL_DATA[5：0]和同步時(shí)鐘CAL_DATAVALID配合輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)像元點(diǎn)做固定偏差和增益的校準(zhǔn)。NUC校準(zhǔn)數(shù)據(jù)共12位，初始值為0×888，高4位對(duì)應(yīng)粗精度校準(zhǔn)，中間4位對(duì)應(yīng)中等精度校準(zhǔn)，低4位對(duì)應(yīng)微細(xì)精度校準(zhǔn)，NUC參數(shù)計(jì)算順序從高4位的粗精度校準(zhǔn)開始，隨后是中等精度校準(zhǔn)，最后是微細(xì)精度校準(zhǔn)。參數(shù)計(jì)算過程采用逐位逼近的方法從高4位向最低4位更新校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并將更新后的校正數(shù)據(jù)通過CAL_DATA[5：0]送入探測(cè)器，計(jì)算當(dāng)前校準(zhǔn)參數(shù)下探測(cè)器VIDEO輸出幀平均值Tj與探測(cè)器像元i(0

4.2 信號(hào)采樣與TEC溫控

4.2.1 模擬信號(hào)采樣

探測(cè)器像元數(shù)據(jù)采樣直接影響紅外熱成像圖像質(zhì)量優(yōu)劣，本文采用高精度差分采樣芯片AD9251實(shí)現(xiàn)探測(cè)器奇偶兩通道圖像模擬信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換(圖4)。探測(cè)器模擬信號(hào)輸出電壓范圍為1～3 V，AD9251差分輸入范圍為-1～1 V之間(2Vpp)，因此需要對(duì)探測(cè)器輸出的兩路圖像模擬信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)理和單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換[10]。本文采用ADA4896對(duì)奇偶通道模擬信號(hào)(VIDEO_O、VIDEO_E)進(jìn)行阻抗匹配和電壓信號(hào)跟隨放大，采用ADA4940對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)理濾波，將1～3 V模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為-1～1 V之間的差分信號(hào)送入AD9251兩路差分采樣轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字信號(hào)。AD9251所需差分時(shí)鐘信號(hào)CLK_AD9251通過AD9515轉(zhuǎn)換探測(cè)器MC同源時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。

圖4 模擬信號(hào)采樣流程Fig.4 Flow chart of analog signal sampling

針對(duì)探測(cè)器奇偶通道同時(shí)輸出機(jī)制，需要將轉(zhuǎn)換后的奇偶通道數(shù)字信號(hào)合并成一幀完整圖像數(shù)據(jù)。本文通過探測(cè)器成像時(shí)INT行積分與非INT行積分輸出的AD值差異尋找每幀圖像第一行第一個(gè)有效像素?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合探測(cè)器上電配置狀態(tài)實(shí)現(xiàn)奇偶通道紅外圖像數(shù)據(jù)拼接。

4.2.2 TEC溫控設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)熱成像分辨率，降低后期非均勻校正難度，最大程度改善成像質(zhì)量，必須確保探測(cè)器焦平面溫度的一致性和穩(wěn)定性[11]。本文結(jié)合探測(cè)器使用手冊(cè)對(duì)噪聲、精度和功耗等的要求，選用0.001 ℃精度的MAX1978為核心搭建系統(tǒng)TEC溫控電路穩(wěn)定探測(cè)器焦平面溫度。探測(cè)器焦溫輸出信號(hào)VTEMP經(jīng)OPA2340EA轉(zhuǎn)化為兩路電壓輸出，對(duì)其分壓調(diào)幅后一路送ADS1110溫度采樣芯片計(jì)算探測(cè)器焦平面溫度，另一路送入MAX1978作為探測(cè)器焦平面溫度輸入信號(hào)。采用TMP101采樣探測(cè)器環(huán)境溫度，設(shè)計(jì)線性分段溫控方法計(jì)算當(dāng)前環(huán)溫下應(yīng)設(shè)定焦溫值T，設(shè)定焦溫值T通過MAX5417電橋電路轉(zhuǎn)換設(shè)定焦溫電壓送入MAX1978，經(jīng)內(nèi)部PID網(wǎng)絡(luò)計(jì)算后輸出TEC溫控信號(hào)到探測(cè)器TEC+和TEC-引腳，實(shí)現(xiàn)焦溫實(shí)時(shí)控制，流程如圖5所示。

圖5 TEC溫控流程Fig.5 Flow chart of TEC

4.3 紅外圖像校正與增強(qiáng)顯示

4.3.1 熱成像工作模式設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)包含校正與標(biāo)定兩種工作模式，其中標(biāo)定模式主要用于計(jì)算兩點(diǎn)校正參數(shù)、盲元補(bǔ)償處理，校正模式為正常熱成像工作模式。系統(tǒng)上電后，完成探測(cè)器機(jī)芯電路和連續(xù)變焦光學(xué)鏡頭初始化，讀取當(dāng)前探測(cè)器襯底溫度，判斷是否達(dá)到設(shè)定工作焦溫，按照?qǐng)D2時(shí)序生成探測(cè)器工作時(shí)序，采樣探測(cè)器輸出圖像信號(hào)。Nios控制器根據(jù)外部輸入判定系統(tǒng)當(dāng)前工作模式后進(jìn)行紅外成像(默認(rèn)校正模式)和系統(tǒng)校正系數(shù)計(jì)算(標(biāo)定模式)，具體流程如圖6所示。在校正模式下，Nios軟核控制器讀取FLASH中非均勻校正系數(shù)至DDR3內(nèi)存，進(jìn)行紅外圖像校正與增強(qiáng)處理，并根據(jù)當(dāng)前溫度變化判斷是否需要重新計(jì)算當(dāng)前減本底參數(shù)。若需要?jiǎng)t采用單點(diǎn)標(biāo)定法計(jì)算，并采用更新后的本底參數(shù)與當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算，降低溫漂對(duì)紅外熱成像圖像質(zhì)量的影響，最后按照視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(VESA)標(biāo)準(zhǔn)生成標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出顯示。標(biāo)定模式下采集不同工作溫度下黑體紅外輻射，采用兩點(diǎn)法計(jì)算非均勻校正參數(shù)和探測(cè)器盲元點(diǎn)，并保存到外部FLASH中，供校正模式下紅外熱成像校正使用。

圖6 圖像處理與顯示流程Fig.6 Flow chart of image processing and display

4.3.2 FPGA與Nios交互機(jī)載設(shè)計(jì)

本文采用Nios軟核作為系統(tǒng)控制器，負(fù)責(zé)紅外成像處理流程和工作狀態(tài)控制，采用PIO通信機(jī)制與FPGA邏輯電路交互。FPGA負(fù)責(zé)校正系數(shù)計(jì)算，將計(jì)算好的參數(shù)數(shù)據(jù)通過DMA傳輸?shù)紻DR3，Nios通過配置不同的DMA描述字符將校正系數(shù)分配至不同地址，并存儲(chǔ)到外部FlASH中。系統(tǒng)上電初始化時(shí)，再通過Nios讀取外部FlASH中不同校正參數(shù)到DDR3相應(yīng)內(nèi)存地址，并通過PIO通信機(jī)制告知FPGA圖像處理邏輯電路，并按約定內(nèi)存地址讀取相應(yīng)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)片上非均勻校準(zhǔn)(NUC)、兩點(diǎn)定標(biāo)和減本底系數(shù)計(jì)算協(xié)同。

圖7 FPGA內(nèi)部交互架構(gòu)圖Fig.7 Internal interactions block diagram of FPGA

4.3.3 兩點(diǎn)非均勻校正與減本底設(shè)計(jì)

(1)

(2)

計(jì)算每個(gè)探測(cè)器像元的空間響應(yīng)輸出xij校正后輸出yij：

(3)

yij=Gijxij+Oij，

(4)

兩點(diǎn)校正算法計(jì)算量小，適用于嵌入式系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正，對(duì)目標(biāo)圖像無嚴(yán)格要求，但當(dāng)溫度變化范圍較寬時(shí)，由于探測(cè)器響應(yīng)并非嚴(yán)格線性，兩點(diǎn)校正系數(shù)Gij和Oij會(huì)依賴于所取的溫度T1和T2。本文針對(duì)此類情況，根據(jù)邊海防監(jiān)控所需工作環(huán)境溫度要求共選擇-20，10，30 ℃共3個(gè)溫度段內(nèi)進(jìn)行兩點(diǎn)校正參數(shù)計(jì)算。

(5)

(6)

式(5)中N為探測(cè)器面陣中探測(cè)元總的個(gè)數(shù)。把各校正因子一起存入外部FLASH，紅外成像時(shí)用采集到的探測(cè)器像元數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)減去Kij，并可根據(jù)探測(cè)器焦溫變化決定是否重新計(jì)算本底校正因子。

4.3.4 自適應(yīng)紅外圖像增強(qiáng)設(shè)計(jì)

為解決傳統(tǒng)直方圖均衡化后圖像灰度細(xì)節(jié)丟失、不能較好地適應(yīng)場景變化等問題，本文在直方圖均衡化算法基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)雙平臺(tái)直方圖均衡算法，增加了上下限平臺(tái)閾值，對(duì)占有大量像素的背景和噪聲進(jìn)行適度抑制，起到保留圖像的灰度信息、保護(hù)弱小目標(biāo)和細(xì)節(jié)的作用。

本文自適應(yīng)雙平臺(tái)直方圖均衡化算法FPGA實(shí)現(xiàn)過程主要分3步，首先進(jìn)行原圖直方圖統(tǒng)計(jì)，接著計(jì)算出上、下平臺(tái)閾值，最后根據(jù)上下平臺(tái)閾值，修正原來直方圖重新進(jìn)行灰度映射。平臺(tái)閾值計(jì)算需要使用一片隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和兩個(gè)先進(jìn)先出(FIFO)存儲(chǔ)資源完成，考慮到視頻處理的實(shí)時(shí)性，本文采用統(tǒng)計(jì)上一幀直方圖得到新的灰度級(jí)來實(shí)現(xiàn)下一幀畫面灰度映射的方法。其具體實(shí)現(xiàn)過程描述如下：

(1)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前幀的灰度直方圖并保存至雙口RAM1；

(2)在幀間隔時(shí)間內(nèi)(當(dāng)前幀結(jié)束與下一幀數(shù)據(jù)有效前)，從地址0開始依次讀出RAM1中的直方圖單元值，將非零直方圖單元值寫入FIFO1中；

(3)RAM1中數(shù)據(jù)讀出完成后，從FIFO1中依次取出數(shù)據(jù)先做一維3鄰域均值濾波并求出一維3鄰域極大值放入FIFO2中，將所有極大值相加并求均值，這個(gè)均值則為上平臺(tái)限閾值THigh。

(4)將直方圖單元值全部累加起來，除以原灰度級(jí)數(shù)(16 384)即得到下平臺(tái)閾值Tlow，每修正一次直方圖累加和F(M)發(fā)生改變，下限平臺(tái)閾值Tlow也隨之更新。

(5)再次從地址0開始讀出RAM1中的所有數(shù)據(jù)，根據(jù)上、下平臺(tái)閾值更新原直方圖單元值，超過上平臺(tái)閾值的直方圖單元用上平臺(tái)閾值替換，低于下平臺(tái)閾值的直方圖單元用下平臺(tái)閾值替換，其他保持不變，最終得到新的直方圖。

(6)更新直方圖單元值的同時(shí)，根據(jù)灰度映射公式，計(jì)算出原灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的新灰度值，將新的灰度值保存至RAM2。

考慮到FPGA中實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算較為復(fù)雜，本文求取灰度值不直接計(jì)算其累積概率函數(shù)，而是將最終灰度映射運(yùn)算一起考慮，先進(jìn)行整數(shù)乘法運(yùn)算，再做整數(shù)除法運(yùn)算，自適應(yīng)雙平臺(tái)直方圖均衡化算法的FPGA實(shí)現(xiàn)流程，如圖8所示。

4.3.5 連續(xù)變焦與自動(dòng)聚焦設(shè)計(jì)

連續(xù)變焦紅外成像系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)視場下清晰成像，需要支持光學(xué)鏡頭變焦和調(diào)焦、光學(xué)和機(jī)械補(bǔ)償?shù)裙δ躘16-19]。本文紅外圖像自動(dòng)聚焦設(shè)計(jì)包含變焦控制電路模塊和FPGA圖像清晰度計(jì)算模塊，變焦控制電路模塊通過控制連續(xù)變焦光學(xué)鏡頭變焦和調(diào)焦電機(jī)位置運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏡頭視場變倍和光學(xué)調(diào)焦，F(xiàn)PGA圖像清晰度計(jì)算模塊通過FPGA計(jì)算每幀圖像窗口區(qū)域內(nèi)的所有像素的清晰度值，并將計(jì)算結(jié)果按照?qǐng)D像幀頻的速率發(fā)送給變焦控制電路模塊。變焦控制電路模塊每接收到一幀圖像的清晰度值，首先匹配一下當(dāng)前調(diào)焦電機(jī)的位置值，然后執(zhí)行一次爬坡比較算法，接收連續(xù)5幀的圖像清晰度數(shù)值，進(jìn)行爬坡各過程的趨勢(shì)比較，并最終確定最佳清晰點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)紅外圖像自動(dòng)聚焦功能，自動(dòng)調(diào)焦主要步驟如下：

(1)比較連續(xù)5幀頻圖像清晰度數(shù)據(jù)(AF_DATA[0]～AF_DATA[4])的排列趨勢(shì)，如果連續(xù)變小，則表示處于下坡趨勢(shì)，控制電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)；若連續(xù)變大，則表示處于上坡趨勢(shì)。清除當(dāng)前狀態(tài)圖像清晰度數(shù)據(jù)，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)繼續(xù)比較。

(2)重新保存連續(xù)5組(幀頻)的圖像清晰度數(shù)據(jù)(AF_DATA[0]～AF_DATA[4])，比較連續(xù)5幀頻圖像清晰數(shù)據(jù)的排列趨勢(shì)，若連續(xù)變小，則判斷已越過波峰頂點(diǎn)，開始下坡運(yùn)動(dòng)，此時(shí)連續(xù)清晰度數(shù)據(jù)中最后的數(shù)據(jù)AF_DATA[4]，即為坡峰的頂點(diǎn)位置；為了提高自動(dòng)聚焦正確率，調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向，減慢運(yùn)動(dòng)速度，重新尋找坡峰頂點(diǎn)位置，跳轉(zhuǎn)到步驟(3)繼續(xù)比較。

(3)降低電機(jī)步進(jìn)速度，提高尋位精度，再次重新保存有連續(xù)5組(幀頻)的圖像清晰數(shù)據(jù)(AF_DATA[0]～AF_DATA[4])，并比較連續(xù)5幀頻圖像清晰數(shù)據(jù)的排列趨勢(shì)，若再次連續(xù)變小，則表面此時(shí)再次越過了波峰頂點(diǎn)，并開始了下坡運(yùn)動(dòng)，則此時(shí)記錄的最大圖像清晰度數(shù)據(jù)即為再次找到的波峰頂點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的鏡頭位置即為調(diào)焦的最佳位置，將此位置值賦值給目標(biāo)位置，運(yùn)動(dòng)至此，則完成自動(dòng)聚焦位置定位。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

5.1 實(shí)驗(yàn)條件

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖9所示，采用法國HGH準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，通過準(zhǔn)直儀中控工作站(采集、控制和處理系統(tǒng))控制DCN1000H3差溫黑體溫度，達(dá)到不同的光照度。將被照射的靶標(biāo)放置在靶輪上平行光管的焦點(diǎn)上，透過靶標(biāo)的光能量經(jīng)過反射鏡反射后，模擬無窮遠(yuǎn)處的目標(biāo)，連續(xù)變焦紅外相機(jī)放置在平行光管前方，將接收到紅外輻照轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外圖像信號(hào)，通過Cameralink接口傳輸給中控工作站Cameralink采集卡后生成圖像，經(jīng)工作站中Infratest-LT軟件分析計(jì)算測(cè)試連續(xù)變焦紅外相機(jī)NETD和MRTD指標(biāo)。

(a)連續(xù)變焦紅外相機(jī)(a)Continuous zoom infrared camera

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)條件所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 紅外相機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于國產(chǎn)GST817VM1E探測(cè)器的高分辨率紅外成像系統(tǒng)，采用SOPC單芯片同步實(shí)現(xiàn)非均勻性校正和圖像增強(qiáng)，利用NiosⅡ軟核作為圖像處理控制器有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外圖像的片上非均勻性校正(NUC)、兩點(diǎn)校正和減本底處理，改進(jìn)自動(dòng)聚焦算法，設(shè)計(jì)自適應(yīng)雙平臺(tái)直方圖均衡化算法，有效增強(qiáng)了紅外圖像對(duì)比度，細(xì)節(jié)更加清晰同時(shí)背景得到了較好的抑制。系統(tǒng)支持輸出PAL、Cameralink、DVI等多種格式分辨率的紅外視頻圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該技術(shù)后可輸出14位灰度級(jí)的800×600分辨率紅外圖像，幀率可達(dá)到60 frame/s，具備連續(xù)變焦和自動(dòng)調(diào)焦控制功能，能夠滿足邊海防監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用需求。