红外实时图像增强的硬件设计与实现_郭婧

收稿日期:2008-02-18作者简介:郭婧(1982-),女,江苏扬中人,硕士,主要研究方向为图像检测与实时处理;温秀兰(1966-),女,博士,教授,主要研究方向为计量技术智能优化算法及信号处理.文章编号:1673-1255(2008)01-0056-04红外实时图像增强的硬件设计与实现郭 婧1,温秀兰1,王利平2(1.南京工程学院,江苏 南京 211167;2.南京理工大学,江苏 南京 210094)摘 要:根据红外图像特点,提出了基于FP GA+SRAM 的硬件实时图像处理结构.该硬件设计包含4个主要模块:视频处理模块、FPG A 模块、图像存储模块和DA 转换及视频合成模块.FP GA 是该系统的核心部分,能够实现2D -T DI 、图像锐化和非均匀性校正等算法;SRAM 阵列是暂存实时图像的,用于算法的实现;FPG A 配置F LASH 存放FPGA 的配置程序;完成硬件调试工作后,尝试实现了部分图像增强算法.关键词:红外;图像增强;实时;FPGA 中图分类号:TN 702 文献标识码:ADesign and Implementation of Infrared Image Rea-l time Enhancement HardwareGUO Jing,WEN Xiu -lan,WANG L-i ping(11N anj ing I nstitute of T echnology ,N anj ing ,211167,China;21N anj ing University of Science and T echnology ,N anj ing,210094,China)Abstract:According to the infrared im age characteristics,the hardware of rea-l time im age processing is desig ned based on FPGA and SRAM in order to improve the quality of infrared image.T he hardware system includes four function modules:video processing A/D module,FPGA module,image storage module and video processing D/A module.The images collected by the non -refrigeration infrared imagingsystem can be converted into 8bit dig -ital signals through the A/D module.FPGA is the key part w hich can realize image sharpening and smoothing.T he arrays of SRAM are for store the rea-l time image for a w hile.At the last,D/A can recover the digital sig -nals to analog ones.And the result can be performed on the v ideo.Key words:infrared;im age enhancing;real time;FPGA 由于目前红外器件发展的限制,红外夜视成像仪的成像效果还不够理想,主要表现为红外图像中噪声较大,对比度较低,视觉效果不好,分辨图像细节能力比较差等缺点,影响了红外热像仪在实际应用中的应用效果.而解决以上所有问题的一个最经济有效的手段就是在热像仪的电子处理部分加入实时图像处理功能.实时图像处理技术能在现有的条件下不仅能提高红外图像质量、增大作用距离,更主要的是在较短的时间内迅速改善和提高红外热像仪的各项性能指标.因此,在开展红外热像仪整机系统研究的同时,也要极力进行红外图像实时处理技术的研究.其核心任务是研制模块化红外图像实时处理系统,从而有效地提高红外热成像系统的动态范围、抑制图像噪声、消除非均匀性、改善图像质量.本文以实时性为基本出发点,系统研究处理器的结构、算法及集成与调试过程,设计基于现场可编程门阵列(FPGA)和SRAM 的实时图像处理平台.1 系统设计原理系统的整体设计如图1所示.红外热像仪采集到的实时图像信号,经过集成视频处理A/D 之后,第23卷第1期2008年2月光电技术应用EL ECT RO-O PT IC T ECHNOL OGY APPL ICAT I ONVol.23,No.1Februar y.2008输出8位数字信号和相关的视频时序信号(经过锁相的像素时钟、行同步、场同步以及奇偶信号等);FPGA 是本系统的核心部分,实现2D -TDI 、图像锐化和非均匀性校正等增强算法;由于实时图像处理的数据量是非常庞大的,扩展的SRAM 阵列是存放图像的,用于算法的实现;FPGA 配置FLASH 存放FPGA 的配置程序;D/A 及视频合成是实现由数字信号向模拟信号的转变,并将模拟信号与同步信号进行生成全电视信号,通过监视屏输出经过实时处理的图像.图1 原理框图2 视频输入处理硬件电路中,实时图像信号的采集是使用红外热像仪,其输出标准为PAL 制全电视信号.图2为奇数场和偶数场的全电视信号.全电视信号不仅包括图像信号,还包括行同步信号、场同步信号、行消隐信号、场消隐信号、以及槽脉冲和均衡脉冲信号等[1].图2 全电视信号视频的输出信号峰值为1V 左右,其中0.7V 为有用的视频信号,在对信号进行模数转换之前,必须要对视频信号进行预处理.其原理框图如图3所示.图3 视频预处理框图57第1期 郭婧等:红外实时图像增强的硬件设计与实现根据要处理的PAL 制信号特征和要求,选用针对视频信号数字化处理的专用集成电路芯片,在这里选取了PH ILIPS 公司的视频输入处理器(VIP)SAA7111[2-3].SAA7111为一款可编程视频输入处理芯片,其采用CM OS 工艺,通过简单的I 2C 总线与外部控制CPU 接口.由于红外图像的视频信号都是只包含亮度信息的PAL 制式的标准视频信号,其采样规格为:50H z 、625行/720列,所以选择SAA7111工作于YUV -422模式,由于只有亮度信号,在输出中只取它的8位亮度Y 信号.除了8位Y 信号外,13.5MHz 的像素时钟LLC 、行同步信号HS 、场同步信号VS 、奇偶场信号OE 也一并输出到后续处理电路中,用于图像增强算法时序的相关信号.3 核心FPGA 技术图像处理系统对算法的实时处理要求较高.由于图像处理算法涉及的运算量很大,因此要达到实时处理这一目的,一方面要求算法简单,另一方面要求处理芯片有很高的处理速度和较大的数据吞吐量.由于图像处理算法涉及的运算量比较大,对系统的快速处理能力和大数据量的吞吐能力有严格的要求,因此系统中的核心器件FPGA 的选择必须遵循的原则:(1)调试使用方便;(2)适当的响应速度;(3)适当够用的逻辑资源;(4)足够的输入输出(I/O)端口.选用6片SRAM 作为图像数据的存储器,为节省I/O 端口,将6片SRAM 分成3组,每2片SRAM 共用一组地址线(19位的地址线),数据线和控制线分开,从而更有效地利用到FPGA 的资源.6片SRAM 共需要大约90个I/O 端口.通过对系统要求的分析和对器件的比较,选择Altera 公司的超大规模可编程逻辑器件Cyclone 系列的EP1C6PQ240作为系统核心芯片[4-5].4 图像存储模块本设计中采用了CYPRESS 公司的CY7C1049VC33-15[46].该芯片有如下特点:速度t A A =15ns,低活动功耗(504mW),低CMOS 标准功耗(1.8mW),2.0V 数据保持电压,未被选定是自动降低功耗,兼容T TL 输入、输出,利用CE 、OE 可以很简单地实现存储器的扩充,容量位512k 字@8bit.它实现的功能是实时图像的暂存,经过A/D 转换的实时图像的数字信号就存储在其中,FPGA 通过读写SRAM 中的数据完成算法,实现图像增强.5 DA 转换及视频合成经过算法处理后得到的数字化视频信号只有DA 转换和视频合成以后才能变成标准的视频信号,供给监视器来显示.由于数字视频信号是8位,像素时钟为13.5M,所以在本设计中使用了TI 公司的3路8位带三极管同步发生的视频DA 转换器THS8134.THS8134具有内部基准电平产生电路;最小转换速率可达到80MHz,满足系统的工作要求;芯片为电流输出型器件,可直接驱动双端758负载,生成标准视频信号;具有RGB888(3@8)等多种工作模式;同步信号SYNC 和消隐信号BLANK 能复合在单路或三路模拟输出信号上,复合视频信号符合RS -343或RS -170标准.6 结果分析硬件电路经过调试,成功应用到实时图像处理系统中,将硬件语言编写好的点模板程序烧录到FPGA 中去,热像仪采集到的实时信号,经过硬件电路成功的实现点模板的硬件增强,效果如图4、图5所示.通过效果图可以看到其他红外增强算法也可以通过这个硬件实现.图4 热像仪采集的原始图像58光 电 技 术 应 用 第23卷图5 经过硬件算法后的图像参考文献[1] 罗惠明.电视技术基础[M ].广州:华南理工大学出版社,1988.[2] 肖儿良,纪爽.可编程视频输入处理芯片SA 7111及其在图像多媒体中的应用[J].电子技术应用,1999(4):71-72.[3] 张军,李含善.可编程视频信号输入处理器SAA 7111[J].国外电子元器件,2002(8):39-42.[4] 褚振勇,翁木云.F PGA 设计及应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002.[5] 潘松,王国栋.VH DL 实用教程[M ].成都:电子科技大学出版社,2000.(上接第55页)器的气隙中心进行测试.在50Hz 频率下,作为施加电流函数的传感器响应特性如图3所示新设计中的灵敏度比原设计的几乎高3倍,这与3.3倍的计算值基本相符.因为临界角反射的稍许偏差以及金属面反射次数的增加,均可能导致一些误差的.图3 新设计和原设计中响应特性的比较本系统的频率响应由所使用的磁芯来限制.该磁芯材料为硅钢,只适合于低频电流应用.测得的3dB 带宽应属5.3kH z,这对输电线上大部分电流的测量都足够宽.本系统的噪音等效电流被测得为280Hz 频率下的1.6mA (均方根值),这相当于气隙中可检测的最小磁场为2.1@10-3GHz -1/2.3 结 论光磁式电流传感器中采用的新型设计法拉第传感元件已经过验证.该传感元件为一精密切割、研磨的玻璃棱镜,能使光束在玻璃内面作20次临界反射,具有高度的灵敏度.集磁器能设计成宽气隙型,以获得更好的线性;还应具有较大的横截面,以确保与传感器正交的磁场更均匀.经试验验证,该传感器的灵敏度比原来设计的几乎提高3倍.参考文献[1] Y i B ,Chu BCBChiang KS.M agneto -Optical electric -cur -rent sensor wit h enhanced sensitivity.M easur ement Sc-ience and T echnolog y [M ].P Ò:S0957-0233(02)28009.[2] Y i B,Chu BCB,Chung HS.new design of optical electric -cur rent sensor fo r sensit ivity improvement [J].I EEE T rans.Iustrum M eas,49418-23.本 刊 声 明本刊已成为5中国核心期刊(遴选)数据库6收录期刊;5中文科技期刊数据库6收录期刊;5中国期刊全文数据库6全文收录期刊;5中国学术期刊综合评价数据库6统计源期刊;5电子科技文摘6数据库收录源之数据期刊.本期刊所刊载的文章在国内外数据库检索机构(包括纸版、光盘版、网络版)报道时,不再征求作者意见.文稿刊登录用后作者著作权使用费与本刊稿酬一次性付给,并赠送当期样刊一份.59第1期 郭婧等:红外实时图像增强的硬件设计与实现。