基于PCI总线的实时红外图像采集处理系统

栏目编辑韩汝水

引言视频目标识别与跟踪技术是当今世界重要的研究课题，它涉及图像处理、自动控制、计算机应用等学科，广泛应用于军事领域的各个方面：预警、火控、制导等；在民用领域的应用也随着该技术的日益成熟，以及成本的大幅度下降而逐渐得到越来越广泛的推广。所谓视频动目标识别与跟踪系统就是一个可以完成图像的采集和处理，从而实现运动目标识别与跟踪的智能信号处理系统。信号处理的本质则是信息的变换和提取，是将信息从各种噪声、干扰的环境中提取出来，并变换为一种便于为人或机器所使用的形式。　红外动目标跟踪与识别系统系统要求红外动目标跟踪与识别系统的输入信号是红外摄像机提供的模拟或数字视频信号。该系统通过基于C6X系列高速DSP的数字视频处理卡，实时的处理红外数字视频序列，完成对运动目标的搜索、捕获、跟踪、记忆。并且在PC机上实时显示红外视频图像，实时给出运动目标的空间坐标，产生运动目标区域的特征数据，完成运动目标区域图像的实时存储或远程传输。硬件模块需要为系统功能的实现提供硬件支持，即提供与系统功能相适应的底层物理支持，包括运算处理速度，存储容量等。能够自动切换输入方式，就是说能按用户的需求选择视频信号的输入方式：这就要求系统既能处理模拟通道的视频数据，又能处理数字通道的视频数据。　模拟视频数字化精度要求：A/D精度为8bit。数字视频通道的要求：按RS422传输协议接收数据，像素精度14bit。系统组成　本系统的模块构成见图1(虚线框内)，分为四个模块。硬件模块该模块基于标准PCI总线，并配以超大规模可编程芯片(DSP、FPGA)，具有极强的运算、处理能力。DSP程序模块其功能主要实现运动背景下的动目标检测、跟踪。考虑到系统的实时性要求，运动背景下的动目标检测采用基于摄像机运动补偿的差分技术。首先对摄像机运动造成的全局运动进行补偿，对补偿后的序列图像进行差分运算；然后在差分域搜索目标运动引起红外动目标识别跟踪系统硬件设计与实现*HardwareDesignofDetectionandTrackingSystemforInfraredMovingObject■贾雅琼湖南工学院(衡阳421008)

文章编号－１６７２—８７８５（２００６）０４—０００１—０４　基于ＰＣＩ总线的位标器陀螺转子　实时数据采集系统　陈　琛，刘小英，刘德明　（华中科技大学光电子工程系，湖北武汉４３００７４）　摘　要：介绍了一种运用相位法测量扫描圆直径的数字测试方法。详细阐述了基于ＰＣＩ　总线的实时数据采集系统如何实现对扫描圆的数字化测量，包括系统的硬件与软件设　计，并对测试结果进行了分析。　关键词：ＰＣＩ总线；数据采集；陀螺转子；扫描圆　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：　Ａ　Ｒｅａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ　Ｇｙｒｏｒｏｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＣＩ　Ｂｕｓ　ＣＨＥＮ　Ｃｈｅｎ．ＬＩＵ　Ｘｉａｏ—ｙｉｎｇ。ＬＩＵ　Ｄｅ—ｍｉｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｏｐｔ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉ＆Ｔｅ曲，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，ＣｈｉｎａＪ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ａ　ｓｃａｎ　ｃｉｒｃｌｅ　ｂｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｅ　ｒｅＭ　ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ　ｇｙｒｏｒｏｔｏｒ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔ　ｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＣＩ　ｂｕｓ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｇｙｒｏｒｏｔｏｒ；ｓｃａｎ　ｃｉｒｃｌｅ　１引言　红外导弹位标器一般由光学系统、陀螺目　标跟踪系统、热能信号调制器（调制盘）与光电　信号转换器（探测器或光敏电阻）等部分组成。　位标器在控制电路的作用下，用于接收目标的　红外辐射并将辐射能转化为电能，产生带有目　标位置信息的目标探测信号，搜索和跟踪目标　并给出目标的坐标基准信号与离轴角信号。因　此，位标器的性能对红外导弹的性能具有决定　性的作用。　与以往的位标器陀螺转子扫描圆测量相　比，采用ＰＣＩ总线的数据采集系统可以实时采集　四路探测器的信号，代替了数字示波器功能，便　于计算机进行数据处理。与传统的位标器陀螺　转子扫描圆测量方法一偏转法（采用偏转角度计　算扫描圆）相比，采用相位测量方法来确定扫描　圆大小具有一定的优势：首先，它不依赖于平面　反射镜的偏转角度，从而不会引入平面反射镜　的机械误差；其次，可以通过测算四路信号间的　相位来保证扫描圆的严格水平平移，而不会引　入因扫描圆上下偏移带来的误差．　２系统方案设计　系统总体设计框图如图１所示。快速黑体作　为测试系统的模拟目标光源辐射出红外信号，　收稿日期，２００５—１ｏ啊ｕ　作者简介ｔ陈琛（１９８２——），男，湖北武汉人，现为华中科技大学光电子工程系２００４级在读硕士研究生，主要　研究方向为光纤传感与信号处理技术。　ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴｔＩＬＹ）／ＶＯＬ．２７，Ｎｏ．４，ＡＰＲ　２００６

文章编号：１６７２—８７８５（２０１２）１０—００２１—０４　

基于ＦＰ　ＧＡ的实时红外图像采集　

与预处理系统　

李　强　龚俊亮　

（１．６３８１１部队，四川西昌６１５０００；　

２．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）　

摘　要：设计了一套基于ＦＰＧＡ的实时红外图像采集与预处理系统。从系统总体设计　

入手，介绍了系统设计原理和硬件电路的各个组成部分。针对当今靶场设备图像处理　

在有效去除图像脉冲噪声的同时也会破坏图像细节等缺陷，结合ＦＰＧＡ在并行结构和　流水线操作方面的优势，提出了一种基于十字窗口的快速中值滤波算法在ＦＰＧＡ中实　

时实现的方法。该方法替换了靶场光学设备的高层次算法，节约了宝贵的处理时间。　

这种系统采用了模块化结构设计、流水线工作方式以及乒乓存储等多项技术。实验结　

果表明，该方法具有较强的噪声抑制能力，可提高整个系统的实时性，因而具有很高的　实用价值。　

关键词：ＦＰＧＡ；红外图像；图像采集；中值滤波　

中图分类号：ＴＰ９３１．４　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８７８５．２０１２．１０．００５　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｉｍａｇｅ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　

Ｐｒｅ—ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　

ＬＩ　Ｑｉａｎｇ　．Ｇｏｎｇ　Ｊｕｎ—ｌｉａｎｇ。　

．ｔｈｅ　Ｕｎｉｔ　ｏｆ　６３８１１，Ｘｉｃｈａｎｇ　６１５０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００３３，Ｃｈｉｎａｊ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ＦＰＧＡ—ｂａｓｅｄ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｅ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｅａｃｈ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔａｒｇｅｔ　ｒａｎｇｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｍａｙ　ｄｅｓｔｒｏｙ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌ　ｉｎ　ａｎ　ｉｍａｇｅ　ｗｈｉｌｅ　ｉｔ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｕｌｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｉｍａｇｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａ　ｃｒｏｓｓ—　ｗｉｎｄｏｗ—ｂａｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｆａｓｔ　ｍｅｄｉａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ＦＰＧＡ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ＦＰＧＡ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｉｐｅｌｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｌｅｖｅｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ａ　ｔａｒｇｅｔ　ｒａｎｇｅ　ｉｓ　ｒｅｐｌａｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍｕｃｈ　ｐｒｅｃｉｏｕｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ｓａｖｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｓｅｖｅｒａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｍｏｄｕｌａｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｐｉｎｇ－ｐｏｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ａ　ｂｅｔｔｅｒ　ｎｏｉｓｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｔｉｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏｊ　ｉｔ　ｉｓ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　

第３２卷第３期　２０１１年５月　应用光学　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｖ０１．３２　ＮＯ．３　Ｍａｙ　２０１１　

文章编号：１００２—２０８２（２０１１）０３—０５１８—０４　

基于ＰＣＩ—Ｅ和光纤的红外高速传输系统　

黄新栋　

（中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３）　

摘要：随着红外成像探测系统向长线列和大面阵方向发展，红外数据量大幅度增加，传统的数　

据传输技术已不能满足这么高的传输速度要求，针对这个问题采用先进的ＰＣＩ（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　ｃｏｍ—　

ｐｏｎｅｎｔ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ，外设组件互联）Ｅｘｐｒｅｓｓ（简称ＰＣＩ—Ｅ）技术和光纤高速传输技术，系统速度　

达到１００　Ｍｂｙｔｅ／ｓ以上，解决了红外图像超高速传输问题，并通过实验采集到了高质量的红外　

图像。结果表明，该系统对高速红外图像采集具有很高的实用价值。　

关键词：光纤；红外；ＰＣＩ　Ｅｘｐｒｅｓｓ；现场可编程门阵列　

中图分类号：ＴＮ８１８；ＴＰ３３６　文献标志码：Ａ　

Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｈｉｇｈ－－ｓｐｅｅｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＣＩ＿－Ｅ　ａｎｄ　ｆｉｂｅｒ　

ＨＵＡＮＧ　Ｘｉｎ—ｄｏｎｇ　

（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，ＣＡＳ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｄａｔａ　ｒａｔｅ　ｉｓ　ｒｅ—　

ｑｕｉｒｅｄ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｅｔｈ—　

ｏｄ　ｆｏｒ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｐｅ—