基于FPGA的紅外圖像實時采集系統(tǒng)

彭楠

(北京京北職業(yè)技術(shù)學(xué)院,影視技術(shù)系， 北京 101400)

0 引言

隨著紅外成像技術(shù)的不斷發(fā)展，其已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，如：軍事探測、醫(yī)學(xué)診斷[1-3]。相對其它成像技術(shù)，紅外成像受環(huán)境影響小，探測距離遠等，因此紅外圖像處理成為圖像研究領(lǐng)域中的熱點[4]。

紅外圖像是紅外熱像儀根據(jù)物體的紅外輻射產(chǎn)生的圖像，在紅外成像過程中，紅外圖像采集十分關(guān)鍵，而且技術(shù)十分復(fù)雜，因此針對紅外圖像采集問題，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者進行了一定的研究，設(shè)計出許多性能優(yōu)異的紅外圖像采集系統(tǒng)[5-7]。如基于PCI總線紅外圖像采集系統(tǒng)，通過主控模式對紅外圖像進行實時采集；基于SOPC的紅外圖像采集系統(tǒng)，將SOPC系統(tǒng)嵌入到紅外線列圖像的驅(qū)動和采集，并引入了人機交互機制；基于DSP的紅外圖像采集系統(tǒng)，采用DSP作為數(shù)據(jù)處理器的核心[8-10]，它們均有各自的優(yōu)勢，同時也存在各自的不足，如紅外圖像采集實時性差、紅外圖像質(zhì)量低等，難以滿足復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用要求，而且會對后續(xù)的紅外圖像處理、識別等有不利影響[11]。

現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)可以通過編程方法實現(xiàn)芯片電路的連接，具有體積小、功耗低、便攜的特點[12]，因此為了獲得理想的紅外圖像采集效果，加快紅外圖像采集速度，本文提出了基于FPGA的紅外圖像采集系統(tǒng)，并通過具體的紅外圖像采集實驗分析其有效性和優(yōu)越性。

1 基于FPGA的紅外圖像采集系統(tǒng)

1.1 紅外圖像采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

紅外圖像采集是紅外圖像處理的基礎(chǔ)，因此要求紅外圖像采集系統(tǒng)的可靠性要高，需要具有一定的智能性和環(huán)境適應(yīng)能力，再加上紅外圖像的采集和處理過程比較復(fù)雜，紅外圖像需要大量的儲存空間，因此紅外圖像采集的結(jié)構(gòu)必須十分合理，綜合考慮紅外圖像采集的實際要求，建立如圖1所示的紅外圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 紅外圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

紅外圖像采集系統(tǒng)的核心部分為FPGA芯片，包括高速串行收發(fā)器、PCI Express集成模塊，這樣可以高速進行紅外圖像的采集和傳輸[12]。

紅外圖像采集系統(tǒng)通過紅外熱像儀進行圖像采集，然后將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘柌蓸雍湍?shù)轉(zhuǎn)換模塊，最后將轉(zhuǎn)換的紅外圖像通過PCI Express集發(fā)送到計算機，并通過顯示器實時顯示，同時將紅外圖像存儲起來。

1.2 模擬信號預(yù)處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換

因為計算機處理的是數(shù)字信號，紅外熱像儀輸出的信號為模擬信號，無法輸入到計算機進行處理，因此對紅外熱像儀輸出的信號進行采樣放大處理，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號[13]。

1.3 FPGA邏輯設(shè)計

在實際應(yīng)用中，紅外圖像采集實時性要求很高，F(xiàn)PGA可以對底層信號邏輯和時序進行合理設(shè)計，因此其是紅外圖像采集系統(tǒng)的核心，紅外熱像儀采集數(shù)據(jù)通過FPGA控制器發(fā)送到主機，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紅外圖像采集系統(tǒng)的FPGA邏輯結(jié)構(gòu)

(1) FPGA的邏輯結(jié)構(gòu)由紅外圖像傳輸、控制命令傳輸組成，紅外圖像采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸時，首先通過總線傳輸至主機，并通過隨機存取存儲器將其保存起來，主機對系統(tǒng)采集卡進行控制，并通過基址寄存器實現(xiàn)控制。

(2) FPGA接收控制命令包括：命令和目的地址，主機采集數(shù)據(jù)時，可以將所采集數(shù)據(jù)根據(jù)時序?qū)⒉煌瑘D像格式存儲于隊列中，F(xiàn)PGA可以將中斷命令發(fā)送到主機，主機根據(jù)接收的中斷命令進行相應(yīng)的操作，并實現(xiàn)紅外圖像存儲和顯示同步。

(3) FPGA控制命令由兩部分組成，分別為：計算機發(fā)送至紅外熱像儀命令和紅外熱像儀的相關(guān)命令。

(4) 狀態(tài)信息包括：紅外圖像的采集狀態(tài)和紅外熱像儀的狀態(tài)信息。紅外熱像儀狀態(tài)信息通過輸入模式得到，紅外圖像的采集狀態(tài)根據(jù)中斷指令獲得。

1.4 采集的紅外圖像相關(guān)處理

紅外圖像在采集過程，可能會受到噪聲干擾、外界條件的影響，得到的紅外圖像并不理想，如像素分布處理非均勻性現(xiàn)象，圖像清晰度不夠等，導(dǎo)致紅外圖像效果差。為了保證紅外圖像的質(zhì)量，對原始紅外圖像進行一定的預(yù)處理，是紅外圖像采集系統(tǒng)包括的模塊。本文主要進行紅外圖像的非均勻性校正和雙邊濾波操作，以獲得理想的紅外圖像。

1.4.1 紅外圖像的非均勻性校正處理

紅外熱像儀作為一種性能好的紅外探測器，在一定溫度范圍內(nèi)，紅外圖像采集系統(tǒng)所根據(jù)紅外熱像儀響應(yīng)特性，可以建立如下的紅外熱像儀模型

xij(φ)=ηijφ+uij

(1)

式中，j=0,1,…,M-1，ηij表示像素(i,j)響應(yīng)的增益系數(shù),uij為像素(i,j)響應(yīng)的偏移量,φ和xij(φ)分別為輻射通量以及相應(yīng)的響應(yīng)量化值[13]。

采用兩點校正法對紅外圖像進行非均勻校正，那么有

yij(φ)=Hijxij(φ)+Oij

(2)

式中，Hij與Oij分別為校正增益和偏移。

對于紅外熱像儀，陣列元件的溫度和輻照通量之間一種正態(tài)變化關(guān)系，在高溫TH、低溫TL環(huán)境下，可以計算不同陣列元件的輻射，根據(jù)校正增益和校正偏移進行紅外圖像的非均勻性校正。高溫條件下，紅外圖像的非均勻校正方式為

yH=Hijxij(φH)+Cij

(3)

低溫條件下，紅外圖像的非均勻校正方式如下：

yL=Hijxij(φL)+Cij

(4)

結(jié)合上述，可以得到：

(5)

(6)

根據(jù)不同陣列元的校正偏移和校正增益對紅外圖像采集系統(tǒng)的紅外熱像儀進行響應(yīng)值進行校正，從而實現(xiàn)紅外圖像的非均勻校正，改善紅外圖像的質(zhì)量。

1.4.2 雙邊濾波的紅外圖像預(yù)處理

紅外圖像增強技術(shù)分為硬件和軟件2部分，其中硬件增強技術(shù)的成本高，而軟件增強技術(shù)的成本低，更加靈活。紅外圖像軟件增強技術(shù)包括：均值濾波、高斯濾波，增強后的紅外圖像的邊緣會出現(xiàn)水波紋一樣的波動，影響紅外圖像的增強效果。為了彌補傳統(tǒng)濾波器的不足，本文采用雙邊濾波進行紅外圖像預(yù)處理，豐富紅外圖像的細節(jié)信息，提升紅外圖像對比度。雙邊濾波器包括：空間域濾波器和值域濾波器。輸入紅外圖像和輸出紅外圖像分別可以表示為f(x,y)和h(x)，空間域濾波器可以表示為[14-15]

(7)

式中，kd表示歸一化常數(shù)，c(ξ,x)表示像素點ξ與鄰域中心x之間的距離。

值域濾波器可以表示為

(8)

式中，(f(ξ),f(x))表示f(ξ)和f(x)之間亮度的相似度。

空間域濾波器和值域濾波器組合在一起，構(gòu)成了雙邊濾波器，可以得到

(9)

(10)

綜合上述可知，雙邊濾波器考慮了空間域的平滑濾波和亮度相似度的權(quán)重，可以保留紅外圖像的邊緣。

2 紅外圖像采集系統(tǒng)性能的仿真測試分析

為測試基于FPGA的紅外圖像采集系統(tǒng)的有效性和優(yōu)直性，在MATLAB 2017平臺上進行仿真實驗，在相同條件下，選擇基于DSP的紅外圖像采集系統(tǒng)、基于SOPC的紅外圖像采集系統(tǒng)進行對比測試，對系統(tǒng)性能進行定量和定性分析。

2.1 紅外圖像采集結(jié)果的定性分析

采用3種系統(tǒng)對不同范圍中的圖像進行采集效果，輸出的紅外圖像如圖3～圖5所示。對圖3的紅外圖像進行分析發(fā)現(xiàn)，對于在不同場景環(huán)境下，本系統(tǒng)均可以獲得理想的紅外圖像效果，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性，這是因為本文系統(tǒng)引入了雙邊濾波算法和非均勻性校正技術(shù)對紅外圖像進行了處理，使采集的紅外圖像更加完整、清晰，增加了紅外圖像的視覺效果，獲得理想的紅外圖像采集結(jié)果。而對比系統(tǒng)采集的紅外圖像缺陷十分明顯，如出現(xiàn)模糊、清晰度不夠等，對比實驗結(jié)果體現(xiàn)了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。

(a) 簡單場景

(b) 復(fù)雜場景圖3 本文系統(tǒng)的紅外圖像采集結(jié)果

(a) 簡單場景

(b) 復(fù)雜場景圖4 DSP的紅外圖像采集結(jié)果

(a) 簡單場景

(b) 復(fù)雜場景圖5 SOPC系統(tǒng)的紅外圖像采集結(jié)果

2.2 紅外圖像采集結(jié)果的定量分析

為了更加全面的分析紅外圖像采集系統(tǒng)的性能，對實驗結(jié)果進行定量分析，采用紅外圖像傳輸速度、紅外圖像采集時間進行評價。

2.2.1 不同系統(tǒng)的采集紅外圖像傳輸速度對比

進行10次紅外圖像采集實驗，統(tǒng)計它們每次紅外圖像傳輸速度，采用傳輸?shù)募t外圖像數(shù)量對傳輸速度進行描述，實驗結(jié)果如表1所示。對表1的實驗結(jié)果進行分析可以發(fā)現(xiàn)，本文系統(tǒng)每秒鐘傳輸?shù)募t外圖像數(shù)量大約為20幅，而DSP系統(tǒng)每秒鐘傳輸?shù)募t外圖像數(shù)量大約為17幅，SOP系統(tǒng)每秒鐘傳輸?shù)募t外圖像數(shù)量大約為16幅，本文系統(tǒng)的紅外圖像傳輸數(shù)量明顯增多，提高了紅外圖像傳輸速度。

表1 不同系統(tǒng)的紅外圖像傳輸速度對比

2.2.2 不同系統(tǒng)的采集紅外圖像采集時間對比

同樣進行10次紅外圖像采集實驗，每次實驗，采集不同數(shù)量的紅外圖像，統(tǒng)計紅外圖像采集時間，結(jié)果如圖6所示。對圖6的圖像采集時間進行對比可知，本文系統(tǒng)采集紅外圖像的時間明顯減少，加快了紅外圖像采集速度，本文系統(tǒng)具有更好的紅外圖像采集實時性。

圖6 不同系統(tǒng)的紅外圖像采集時時間對比

3 總結(jié)

為了解決當(dāng)前紅外圖像采集系統(tǒng)存在的不足，改善紅外圖像采集效果，設(shè)計了基于FPGA的紅外圖像采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先對采集的紅外成像信號轉(zhuǎn)換，然后對采集的紅外圖像進行校正和去噪處理，最后保存和輸出紅外圖像，具體仿真測試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可以獲得理想的紅外圖像，紅外圖像采集實時性強，相對于其它紅外圖像采集系統(tǒng)，具有更加廣泛應(yīng)用前景。