基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现
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基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现摘要:随着红外技术的发展,红外图像的实时采集与处理成为了很多领域的研究热点。
本文基于FPGA实现了一个红外图像实时采集系统。
通过对系统的设计与实现,提高了红外图像的采集速度和准确性。
1. 引言红外图像具有热成像、弱光成像等特点,在军事、安防、医疗等领域有着广泛应用。
红外图像实时采集与处理对于实现智能化、自动化具有重要意义。
FPGA作为一种可编程逻辑器件,具有高并行性和低延迟的特点,能够满足红外图像实时采集的需求。
2. 系统设计2.1 红外图像采集模块设计红外图像采集模块负责从红外传感器中采集图像数据。
首先,需要对传感器进行初始化设置,并启动数据传输模式。
然后,利用FPGA的高速IO接口,通过并行或串行方式将数据传输到FPGA中。
采集到的图像数据会经过预处理模块进行去噪和增强操作。
2.2 系统控制模块设计系统控制模块负责对整个系统进行控制和协调。
它接收用户的指令,并根据指令对红外图像采集模块进行操作。
同时,系统控制模块还负责与其他外设的连接和数据传输。
2.3 图像处理模块设计图像处理模块负责对采集到的红外图像进行处理和分析。
首先,需要对图像进行去噪处理,去除噪声干扰。
然后,进行图像增强,以提高图像质量和细节清晰度。
最后,通过算法实现目标检测、跟踪等功能。
3. 系统实现本系统使用Xilinx的FPGA芯片作为硬件平台,开发环境为Vivado。
首先,搭建红外图像采集模块,包括传感器接口电路和数据传输接口电路。
然后,设计系统控制模块,并与红外图像采集模块进行连接。
最后,实现图像处理算法,并将结果显示在屏幕上。
4. 实验结果与分析经过实验测试,本系统能够实时采集红外图像,并进行处理和分析。
通过对图像的增强处理,可以清晰地显示目标物体的热分布情况。
系统具有较高的采样速度和准确性,满足了实时采集红外图像的需求。
5. 总结与展望本文设计与实现了一个基于FPGA的红外图像实时采集系统。
基于FPGA的红外图像处理系统及算法设计的开题报告1. 题目介绍本课题的题目是基于FPGA的红外图像处理系统及算法设计。
随着红外成像技术的发展,红外图像在军事、医疗、工业、航空等领域的应用越来越广泛。
由于红外图像具有热性、高动态范围、高灵敏度等特点,使得其在一些特殊领域的应用比可见光图像更加重要。
因此,设计一套基于FPGA的红外图像处理系统并研究高效的图像处理算法,将会为红外图像的后续应用提供有力的技术支持。
2. 研究目的本研究的主要目的是设计一套基于FPGA的红外图像处理系统,通过对图像进行处理和优化,提高红外图像的质量和清晰度,并提出一些高效的图像处理算法以适应不同的应用需求。
具体研究目标如下:(1)研究FPGA的基本原理和红外图像处理技术,理解其工作原理和应用特点。
(2)设计一套基于FPGA的红外图像处理系统,该系统具有图像采集、去噪、增强、分析等功能,可以对红外图像进行高效处理。
(3)针对红外图像的特点,提出一些高效的图像处理算法,包括但不限于去噪算法、增强算法、特征提取算法、目标识别算法等。
(4)对系统进行实验,并比较不同算法的性能,优化算法,并使其能够适应不同的应用场景。
3. 研究方法本研究主要采用以下方法:(1)文献调研:在研究初期,通过查阅相关文献,深入了解FPGA的原理、红外图像的特点和处理技术,为后续研究提供基础。
(2)硬件开发:设计基于FPGA的红外图像处理系统,包括硬件电路和软件程序。
实现图像采集、处理和输出等功能。
(3)算法研究:针对红外图像的特点,提出一些高效的图像处理算法,包括去噪、增强、特征提取、目标识别等算法,并进行实验验证。
(4)性能评估:对实现的系统和算法进行实验测试,比较不同算法的性能和优劣,并不断优化。
4. 研究内容本研究的主要内容包括以下几个部分:(1)FPGA的原理和应用特点。
概述FPGA的基本原理、开发平台和应用特点,为后续研究提供理论基础。
(2)红外图像的特点和处理技术。
基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现摘要:随着红外图像在军事、航天、安防等领域的广泛应用,对红外图像的实时采集和处理需求越来越高。
本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统,通过系统硬件框架、图像采集流程设计以及软硬件协同优化等方面的探究,实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输,为相关领域的探究和应用提供了重要支持。
一、引言红外图像技术是一种利用物体发射的红外辐射进行成像分析的技术,具有透过阴郁、烟雾等不利环境的能力。
它在军事、航天、安防等领域具有重要应用价值。
红外图像的实时采集和处理对于这些领域的探究和应用至关重要,然而传统的红外图像采集系统存在采集速度慢、波动大、传输距离限制等问题。
因此,设计并实现一种基于FPGA的红外图像实时采集系统具有重要意义。
二、系统框架设计基于FPGA的红外图像实时采集系统主要由硬件和软件两个部分组成。
硬件部分包括红外探测器、FPGA开发板、存储器、图像传输模块等;软件部分主要包括图像采集控制程序和数据处理程序。
硬件框架设计接受分层结构,分为红外图像采集层、控制层、存储层和传输层四个部分。
红外图像采集层包括红外探测器和模拟-数字转换电路,负责将红外辐射信号转换为数字信号。
控制层包括FPGA芯片和时钟控制电路,负责采集信号的控制和同步。
存储层包括高速存储器和图像缓存,负责暂存采集到的红外图像数据。
传输层包括数据传输电路和网络接口,负责将采集到的图像数据传输到外部设备。
三、图像采集流程设计图像采集流程是指将红外图像转换为数字信号并存储的过程。
在红外图像采集层,红外探测器将红外辐射信号转换为模拟信号,经过模拟-数字转换电路转换成数字信号。
在控制层,FPGA芯片控制采集信号的采样频率和位宽,通过时钟控制电路实现同步。
在存储层,高速存储器负责将采集到的图像数据暂存起来,图像缓存则将暂存的图像数据进行处理和压缩。
在传输层,数据传输电路将处理和压缩后的图像数据传输到外部设备。
一种基于FPGA的红外视频采集系统设计贺贝;张友奖;徐旺生【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》【年(卷),期】2012(012)004【摘要】介绍了一种基于FPGA技术的红外视频采集系统组成架构,给出了各功能模块的实现方法,包括主要的HDL代码、SignaltapⅡ波形以及QuartusⅡ顶层原理,并制作电路板进行调试,最终的红外图像通过VGA实时显示。
结果表明该系统能充分利用FPGA技术的优势,具有扩展性好、控制灵活、开发周期短等特点。
%The paper introduces the infrared video acquisiton system architecture based on FPGA, shows the implementation of each functional module including the main HDL code, signaltapII waveform and QuartusII top schematic, and designs the PCB board for testing. The infrared image is displayed in real-time on VGA. The result shows that the system makes full use of the advantages of FPGA technology, and it has good scalability, flexible control and short development cycle.【总页数】4页(P51-54)【作者】贺贝;张友奖;徐旺生【作者单位】武汉华中数控股份有限公司红外事业部,武汉430074;武汉烽火网络有限责任公司;武汉烽火网络有限责任公司【正文语种】中文【中图分类】TP368.1【相关文献】1.一种基于FPGA的视频采集系统设计 [J], 范超;赵琳;李真2.基于FPGA+TMS320DM6467T的多画面合成视频采集系统设计 [J], 魏仑3.基于FPGA的多通道视频采集系统设计实现 [J], 隋旭阳;李妍妍;向学辅;田瑞娟4.基于FPGA的多通道视频采集系统设计实现 [J], 隋旭阳;李妍妍;向学辅;田瑞娟5.基于FPGA的高清HD-SDI视频采集系统设计与实现 [J], 钱宏文;刘会;付强;王毅因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于FPGA的多DSP红外实时图像处理系统作者:吕雷,王明昌,秦金明来源:《现代电子技术》2010年第22期摘要: 多处理器系统已广泛应用于高速信号处理领域,为提高系统性能,更好地发挥多处理器优势,介绍采用基于FPGA的多DSP架构。
利用FPGA作为数据调度核心,将处理器从繁杂的数据通信工作中解放出来,充分发挥了多处理器的并行工作能力,增强了系统的重构和拓展性。
该系统已应用于工程实践中,以一块高密度电路板实现了从数据采集到图像校正、图像处理,以及图像显示的整个流程,能够满足对处理时间要求较高、较为复杂的图像处理算法的要求。
关键词:红外图像; 多DSP; FPGA;非均匀性校正中图分类号:TN219-34文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)22-0097-03Multi-DSP Processing System of Real-time Infrared Image Based on FPGAL Lei, WANG Ming-chang, QIN Jin-ming(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)Abstract: Multi-processor systems have been widely applied in high-speed signal processing field. In order to improve the system performance and better to use the multiple processors, the advantages of digital architecture based on FPGA are introduced. The FPGA is used as data processor core, and the processor is dispatched from multifarious data communication, the concurrent ability of multi-processors is fully used, the reconstruction and expansion of the system are strengthened. This system has been applied in engineering practice, the entire process of the data acquisition, image revise image processing and image display are achieved with a high density board achieved. It can satisfy thereq-DSP; FPGA; nonuniformity correction0 引言随着红外探测技术迅猛的发展,当今红外实时图像处理系统所要处理的数据量越来越大,速度要求也越来越快,利用目前主流的单DSP+FPGA硬件架构进行较为复杂的图像处理算法运算时,有时就显得有些捉襟见肘了。
第45卷第2期燕山大学学报Vol.45No.22021年3月Journal of Yanshan UniversityMar.2021㊀㊀文章编号:1007-791X (2021)02-0160-08基于FPGA 的红外成像系统及图像处理算法高美静1,2,∗,彭春阳1,李时雨1,张博智1,祖振龙1(1.燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛066004;2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室,河北秦皇岛066004)收稿日期:2019-10-11㊀㊀责任编辑:孙峰基金项目:国家重点研发计划资助项目(2019YFC1407900);国家自然科学基金资助项目(61971373);河北省自然科学基金资助项目(F2019203440)作者简介:∗高美静(1977-),女,天津人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为光电成像技术㊁光电测试与仪器㊁工业无损检测技术,Email:gaomeijing@㊂摘㊀要:红外成像技术一直是光电子领域的热点课题,由于受红外自身成像特点㊁红外探测器件工艺限制及成像环境的影响,导致红外图像噪声大㊁对比度低,造成红外图像待测目标模糊㊁图像信噪比较低㊁无法有效识别目标等问题㊂同时,传统红外图像处理系统往往无法在提升红外视频图像质量的同时兼顾图像处理速度㊂因此为提升硬件条件下的红外图像质量和图像处理速度,本文采用FPGA 作为红外图像处理系统核心处理器,搭建集图像采集㊁视频解码㊁数据缓存及显示等功能的红外图像成像系统,并基于该系统提出一种改进的红外图像处理算法提升红外图像质量,包括改进的中值滤波算法㊁伽马变换与直方图均衡化组合算法以及改进的伪彩色变换算法㊂仿真和系统实验结果表明本文提出的红外图像处理算法可以有效地改善红外成像质量并保持红外图像的处理速度,提升了红外成像系统的性能㊂关键词:红外图像处理;中值滤波;伪彩色变换;红外成像系统;FPGA中图分类号:TP751.2㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2021.02.0090㊀引言近年来,红外成像技术发展迅速,红外成像系统在军事㊁航空航天㊁工业生产㊁通信及医学等领域得到诸多的应用[1-3]㊂相较于可见光成像领域,由于当前红外传感器工艺技术缺陷和红外成像特性,红外图像噪声较高㊁图像对比度较小,使得红外图像质量往往并不理想,而且在红外图像处理领域并没有形成完善的理论体系[4]㊂同时,对于红外系统整体而言,红外成像系统往往无法在提升红外成像效果的同时兼顾图像的处理速度,为此,本文首先研究改进的红外图像处理方法,包括一种改进的中值滤波算法去除图像噪声;一种伽马变换与直方图均衡化组合算法对红外图像进行增强;一种改进的红外图像伪彩色变换算法提高人眼视觉效果㊂然后基于FPGA 搭建了硬件系统,并完成了改进的红外图像处理算法的硬件实现㊂以FPGA 为核心处理器的红外系统不仅具有体积小㊁可靠性强㊁重量轻等ASIC 芯片的特点,还具有并行执行㊁开发周期短㊁成本低㊁编程升级灵活等特点[5]㊂仿真数据和实验结果表明了本文红外图像处理算法的优越性和系统的有效性㊂1㊀改进的红外图像处理算法本章研究了一种改进的红外图像处理方法,包括改进的中值滤波算法㊁伽马变换与直方图均衡化的组合算法以及改进的伪彩色变换算法,用于完成图像的去噪㊁增强和伪彩色变化功能,获取在图像质量上优于传统算法处理后的红外图像㊂图1为该算法的流程图㊂1.1㊀改进的中值滤波算法传统的基于3ˑ3模板的中值滤波算法虽然能对噪声进行有效的滤除,但是该算法每处理一个第2期高美静等㊀基于FPGA 的红外成像系统及图像处理算法161㊀像素时,会重复利用邻域内的6个像素,占据模板像素个数的2/3㊂这意味着系统每次进行中值滤波时会进行一半的重复操作[6]㊂所以,本文提出一种改进的快速中值滤波算法,其原理图如图2所示㊂B2㊁C2为待处理的像素,改进的中值滤波算法执行的步骤为:1)取3ˑ4模板中对角线上的像素值,A1㊁C1㊁B2㊁C1㊁C3和B1㊁D1㊁C2㊁B3㊁D3㊂2)比较步骤(1)中两条对角线灰度值的大小,分别得出中值:Med_dia1和Med_dia2㊂3)将步骤(2)中得到的中值Med_dia1和Med _dia2,分别与剩下的两个像素A2和D2进行比较,得出Med1和Med2㊂4)将Med1和Med2替换模板内待处理的B2和C2,完成滤波过程㊂图1㊀红外图像处理算法流程图Fig1㊀Infrared image processing algorithmflowchart图2㊀改进的中值滤波算法原理Fig.2㊀Improved median filtering algorithm principle㊀㊀为了验证算法的有效性,采集实验室人员作为待处理红外图像,图3为改进中值滤波算法㊁传统中值滤波算法和冒泡法分别对带有椒盐噪声的图像的处理结果图㊂改进中值滤波算法在处理带有椒盐噪声的图像时,既保证了图像的清晰度,又消除了大部分图像噪声,处理效果与传统中值滤波算法在处理结果目视上一致㊂但是,从算法的复杂度来看,改进算法的相关度较传统算法降低50%,既减少了重复操作的次数,又降低了比较次数,增强了算法的实时性,更适合硬件平台的实现㊂表1是不同中值滤波算法复杂度的比较㊂假如算法比较一次消耗时间为20ns,如果一幅640ˑ480像素的待处理红外图像,3种算法消耗的时间约为2.211s㊁1.290s 与0.614s;如果是一幅2560ˑ1080像素的待处理红外图像,3种算法消162㊀燕山大学学报2021耗的时间约为19.906s㊁11.612s 与5.616s㊂算法消耗时间随图像中像素个数增加呈线性变化,如果待处理为多帧图像甚至是视频流,算法处理过程消耗的时间差别更为明显,由此可见,本文提出的算法的实时性最好㊂图3㊀不同算法处理后的效果对比图Fig.3㊀Comparison of the effects of different algorithms表1㊀不同算法的复杂度比较Tab.1㊀Comparison of the complexity of different algorithms滤波方法窗口周期比较次数滑动步长冒泡中值滤波3ˑ32721传统中值滤波3ˑ32421改进中值滤波3ˑ41202㊀㊀表2给出了采用冒泡法㊁传统中值滤波算法和改进中值滤波算法的峰值信噪比,PSNR0代表原始红外图像经3种方法处理后的峰值信噪比,PSNR1代表原始红外图像添加10%椒盐噪声后3种方法处理结果峰值信噪比㊂可见在两种情况下,本文改进的中值滤波算法的峰值信噪比最低,本文提出的改进方法是有效的㊂表2㊀不同算法处理结果峰值信噪比Tab.2㊀PSNR of different filtering algorithms冒泡法传统中值滤波改进中值滤波PSNR031.322130.910729.9851PSNR115.834215.55215.526㊀㊀本文改进的中值滤波算法的效果总结为三点:第一是算法复杂度低,该算法采用3ˑ4缓存窗口,窗内进行10次比较即可输出滤波结果;第二是算法耗时少,该算法在对单个红外图像处理时,消耗4个时钟周期;第三是该算法可以滤除大部分椒盐噪声,处理效果与传统中值滤波算法相当㊂综上,本文提出的改进的中值滤波算法是以上几种算法中最优的㊂1.2㊀伽马变换与直方图均衡组合算法完成图像滤波后,为了增强图像细节对比度,需要对红外图像进行图像增强处理,最常用的红外图像增强算法为直方图均衡法,然而传统的直方图均衡化会损伤原图的某些细节,影响图像处理效果[8]㊂考虑到算法应用平台为FPGA,要求算法复杂程度较低且实时性要好,本文提出一种伽马变换与直方图均衡化的组合算法㊂首先对红外图像进行直方图均衡化处理,然后根据该原始图像中要凸显的图像目标的位置与图像细节,来选取不同的伽马值进行伽马变换得到最终的处理结果㊂按照图4所示的原理,本文完成了仿真㊂图5是组合算法处理后的效果图与原图像的对比图㊂从图5中可以看出,组合算法在不损害目标细节的情况下,最大程度地拉伸了背景,增强了对比度,视觉效果明显优于单独的伽马变换和传统的直方图均衡化方法,达到了预期处理目标㊂第2期高美静等㊀基于FPGA的红外成像系统及图像处理算法163㊀图4㊀组合算法原理图Fig.4㊀Schematic diagram of the combined algorithm图5㊀组合算法处理的效果图Fig.5㊀Effect diagram of the combined algorithm processing1.3㊀改进的伪彩色变换算法传统伪彩色变换算法在处理背景复杂的红外图像时,会造成处理后的图像不清晰,对比度降低[10]㊂因此,本文提出一种改进的伪彩色变换算法㊂算法中各个温度区间的映射关系为R(x)=255x/2t㊀㊀xɤ2t2552t<xɤ4t {,(1) G(x)=255x/4t,(2)B(x)=255x/5t㊀㊀㊀㊀xɤt255(2t-x)/5t t<xɤ2t02tɤxɤ3t 255(x-3t)/t3tɤx<4tìîíïïïïïï,(3)式中,R㊁G和B分别代表图像的红㊁绿和蓝色分量,t为图像灰度级阈值,映射图如图6所示㊂图6(a)表示传统伪彩色灰度级彩色映射关系,而图6(b)为改进的灰度级彩色映射关系㊂图6㊀伪彩色变换映射关系Fig.6㊀Pseudo color transformation mapping164㊀燕山大学学报2021㊀㊀按照图6所示对红外图像进行仿真处理,处理结果如图7所示㊂可以看出传统的伪彩色变化算法在处理红外图像时,会造成图像清晰度下降,对比度降低,而新方法测量后的图像色彩变化连续,温度变化又暗到明,细节更为清晰,对比度更高㊂图7㊀伪彩色变换处理效果图Fig.7㊀Pseudo-color transformation processing diagram2㊀基于FPGA 的视频红外成像系统2.1㊀系统结构与功能本文基于FPGA 的红外成像系统,核心控制芯片选用Intel 公司生产CYCLONE Ⅳ系列EP4CE10F17C8型FPGA,红外图像采集部分选用FLIR 公司生产的PHOTON320热成像机芯,视频信号解码芯片采用ADI 公司生产的ADV7180视频解码芯片,图像的缓存芯片采用华邦公司生产的64M SDRAM 芯片,外部显示终端采用的是TFT液晶屏[11]㊂本文系统组成框图如图8所示,系统正常工作时,外部红外摄像头采集到的红外图像信号,经过视频解码芯片解码后,进行缓存与图像处理,随后将视频信号传送到液晶屏进行显示㊂图8㊀基于FPGA 的红外成像系统框图Fig.8㊀FPGA-based infrared imaging system block diagram㊀㊀其中,ADV7180芯片进行寄存器配置,视频解码模块为ITU656视频解码格式[3],ITU 解码模块的有两个功能:1)将视频控制信号与视频有效数据信号分离,并且通过计算行列坐标,确定像素的第2期高美静等㊀基于FPGA 的红外成像系统及图像处理算法165㊀具体位置㊂2)通过计算水平像素坐标,将图像分辨率修改为640ˑ480以便在TFT 中显示㊂SDRAM 作为系统的外部存储器用于储存图像[6]㊂显示设备为TFT 数字液晶显示屏,可以直接显示数字视频信号的颜色信息㊂2.2㊀改进的红外图像算法的FPGA 实现完成系统搭建后,需将改进的红外图像算法在系统中实现㊂红外图像的硬件实现流程按照滤波㊁增强和伪彩色变换的顺序进行㊂首先改进的中值滤波算法基于FPGA 的实现方案如图9所示,该方案主要分为两部分:3ˑ4缓存窗口模块以及快速中值滤波模块㊂当外部Tft_de 显示使能信号有效时,首先建立3ˑ4缓存窗口并判断当前像素是否处在奇数列;随后将图像数据送入改进的中值滤波模块完成滤波操作㊂图9㊀改进中值滤波算法实现方案Fig.9㊀Improved median filtering algorithm implementation㊀㊀伽马变换和直方图均衡化组合算法实现主要分为三步:首先建立灰度统计直方图;其次根据统计结果实现统计结果均衡化;最后将均衡化的结果进行伽马变换㊂这种组合增强算法实现算法容易,对红外图像增强的效果好,并且在硬件中资源消耗较低㊂改进的伪彩色变换算法按照图10所示的原理图进行操作㊂经过前期处理后的红外图像灰度值首先经过多路选择器进行温度分区;随后,在不同温度区间进行改进的线性变换;最后,将变换后的数据送给TFT 控制模块用于显示㊂图11为系统伪彩色处理效果图㊂通过系统处理结果与原始红外图像和传统伪彩色变换对比可知,本文搭建的红外成像系统,在最大限度保持目标细节的同时,能够更多地显示背景区域㊁增强图像的对比度,从图像处理视觉效果来看,清晰度㊁对比度要比传统算法好㊂图10㊀改进伪彩色变换算法实现的模块图Fig.10㊀Diagram of improved pseudo color conversion algorithm implementation166㊀燕山大学学报2021图11㊀伪彩色变换效果图Fig.13㊀Pseudo-color transformation effect diagram㊀㊀同时二者在硬件资源上的消耗基本一致,可见,本文提出的改进的伪彩色变换算法,在未增加FPGA 中资源的使用量的情况下,最大限度保持了原始图像的细节,增强了图像的清晰度以及对比度㊂3 结论本文首先针对红外图像噪声多和对比度低的问题提出了改进的红外图像处理方法,包括改进的中值滤波算法㊁伽马变换和直方图均衡化组合算法㊁改进的伪彩色变换算法㊂结果表明改进的中值滤波算法在保持滤波效果的同时减少了代码的复杂程度,缩短了运算时间;组合算法以较小代码量提升了红外图像的对比度,增强了图像细节;改进的伪彩色变换算法在未增加硬件资源消耗的情况下增强了彩色图像的清晰度和视觉效果㊂最后本文搭建了基于FPGA 的红外成像硬件系统并依次实现了红外图像滤波㊁增强和伪彩色变换等功能,并且达到实时处理的要求㊂本文搭建的基于FPGA 的红外成像系统体积小,成本低,性能和实时性较好,可以适应绝大多数应用场合㊂论文的研究对于红外成像系统搭建和红外图像处理领域具有一定的参考价值,虽然整体系统搭建成功,但是依然存在着红外图像处理算法适应性较低,受环境影响大和伪彩色效果评价具有主观性等问题㊂通过后续进一步对这些问题展开研究和实验,有望获得性能更优的红外成像系统㊂参考文献1 ABDEL-MOATI H MORRIS J ZENG Y et al.Near field icedetection using infrared based optical imaging technology J .Optics &Laser Technology 2018 99 402-410.2 WANG C G DUAN S B ZHANG X Y et al.An alternativesplit-window algorithm for retrieving land surface temperature from visible infrared imaging radiometer suite data J .InternationalJournal of Remote Sensing 2019 40 5/6 1640-1654.3 李其昌 李兵伟 王宏臣.非制冷红外成像技术发展动态及其军事应用 J .军民两用技术与产品 2016 21 54-57.LI Q C LI B W WANG H 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基于FPGA的红外成像系统及图像处理算法摘要:本论文针对基于FPGA的红外成像系统及图像处理算法进行研究,通过使用FPGA技术实现红外图像的采集、预处理、增强和显示等功能,提高红外成像系统的性能和实时性。
同时,通过优化图像处理算法,实现对红外图像的降噪、增强、目标检测等功能,提高图像质量和目标识别能力。
表明基于FPGA的红外成像系统及图像处理算法具有良好的实时性、稳定性和性能优势。
关键词:FPGA;红外成像;图像处理;目标识别引言:红外成像技术在我国多个领域具有广泛的应用前景。
然而,传统的红外成像系统存在成本高、实时性差、图像质量不高等问题。
基于FPGA的红外成像系统及图像处理算法可以通过硬件加速和优化算法实现对红外图像的快速处理和实时显示,提高系统性能和图像质量。
一、基于FPGA的红外成像系统设计1.1 系统架构设计基于FPGA的红外成像系统的设计包括硬件和软件两个方面。
系统的硬件架构主要包括红外传感器、图像采集模块、FPGA芯片、显示设备等组成。
在系统架构设计中,需要考虑系统的实时性、稳定性和可扩展性。
通过合理的硬件架构设计,可以实现高速数据传输和处理能力,满足对实时性要求的红外成像应用。
1.2 硬件设计与实现在基于FPGA的红外成像系统设计中,选择适合的FPGA芯片作为核心处理单元,具备较高的计算能力和可编程性。
同时,还需要设计合适的外围电路和接口电路,以实现与红外传感器、图像采集模块和显示设备的连接。
硬件设计还需要考虑功耗控制、时序设计、电磁兼容等方面的要求,以确保系统的性能和稳定性。
1.3 红外图像采集与预处理红外图像的采集和预处理是基于FPGA的红外成像系统的关键步骤。
通过红外传感器对环境中的红外辐射进行采集,将采集到的模拟信号转换为数字信号,并进行采样和量化。
然后,对采集到的红外图像进行预处理,包括去噪、增强和校正等操作,以提高图像质量和减少噪声干扰。
预处理过程中可以使用各种图像处理算法和滤波器,通过FPGA芯片的并行计算能力实现高效的图像处理。
1图像采集概述将现实中的图像转化为二进制的数据就是图像采集的过程。
图像采集是整个图像处理的基础,其特性的好坏直接决定后期处理的效果。
它是影像处理的第一步,也是最重要的一步,因为这是所有成品蓝本基础。
如果想进一步提升图像质量需要进行专业的处理,就像修改其基因一样。
图像采集系统与图像本身和后续的处理系统有很大关系,所以在进行系统设计时需要考虑的因素也很多,主要包括以下四个方面:①更高质量的图像就意味着所占储存空间更大,对系统的要求会更高。
内存太小,数据存储空间不够,接口传速太慢,数据传输等待,这些都会拉低系统性能。
另外,处理模块的相应速度也是系统设计的重中之重。
②图像文件占中存储空间较大,对系统的传输技术、数据存储技术、图像显示的要求较高,成本较高,在系统设计时需要考虑硬件的成本。
③图像处理模块的方式可以是多种多样的,可以根据系统的类型进行选择。
在进行设计时需要考虑到处理模块的数据接口。
常用的是嵌入式的集成系统,其特点是计算能力强,可以用于数据量较大的系统。
单片机系统也是较为常见的处理模块,它加运算能力强。
其最大的特点是程序可以随意更改,可以满足大部分系统需求。
应用最广泛的是通用型计算机装置,他的集合了前两种的优点。
而且最为突出的特点是友好的信息交互界面,程序强大的兼容性。
④图像采集系统是由多个模块组成的。
比如,光照控制模块、图像采集模块、机械模块。
整个流程需要各个模块协同工作,需要对个模块的同步控制进行整体规划。
2图像采集系统的主要架构基于FPGA的高速数字图像采集系统的结构非常灵活、简单。
全部采用模块化组件,可以快速构建系统。
该系统具有开发成本低、可扩展性好、数据处理快速、各模块兼容性好等优点。
系统通过FPGA逻辑程序来实现各相关模块的连接和控制。
首先控制图像传感器对图像进行采集,经过简单预处理,将数据压缩空并通过数据接口传给处理终端。
3基于FPGA的验钞图像采集系统的设计本文以辨别纸币的真假为目的,基于FPGA设计实现红外图像采集系统。
基于FPGA的红外图像数据实时采集处理系统
郑耀汉;李欣
【期刊名称】《电子测量技术》
【年(卷),期】2013()11
【摘要】主要研究对象是基于FPGA的红外图像数据实时处理系统,该系统主要应用于森林防火自动报警系统。
针对红外成像系统在图像处理中所涉及的数据量大、实时处理难于实现的特点,采用可编程逻辑器件,可充分发挥FPGA高速、实时的特点,为图像数据实时处理提供一个解决途径。
同时系统中还设计了RS232和RS485 2种串口传输模式,使整个系统与上位机能保持实时通信,为系统的远程控制提供了可能。
经过不断仿真和调试,整个系统运行良好,达到预期目标,运用在森林防火自动报警系统中有非常好的实用价值。
【总页数】5页(P34-38)
【关键词】FPGA;红外图像;串口;实时处理
【作者】郑耀汉;李欣
【作者单位】中国海洋大学信息科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.基于FPGA的实时视频图像采集处理系统设计 [J], 高俊岭;陈志飞;章佩佩
2.基于FPGA的实时红外图像采集与预处理系统 [J], 李强;龚俊亮
3.基于FPGA的实时MIPI CSI-2图像采集与处理系统 [J],
4.基于FPGA的实时双目图像采集与预处理系统设计 [J], 任梦茹; 侯宏录
5.基于FPGA和DSP的高速实时轨道巡检图像采集处理系统 [J], 程雨;杜馨瑜;顾子晨;戴鹏;李海浪;王昊
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基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现
基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现
摘要:随着红外图像在军事、航天、安防等领域的广泛应用,对红外图像的实时采集和处理需求越来越高。
本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统,通过系统硬
件框架、图像采集流程设计以及软硬件协同优化等方面的研究,实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输,为相关领域的研究和应用提供了重要支持。
一、引言
红外图像技术是一种利用物体发射的红外辐射进行成像分析的技术,具有透过黑暗、烟雾等不利环境的能力。
它在军事、航天、安防等领域具有重要应用价值。
红外图像的实时采集和处理对于这些领域的研究和应用至关重要,然而传统的红外图像采集系统存在采集速度慢、波动大、传输距离限制等问题。
因此,设计并实现一种基于FPGA的红外图像实时采集系统具有
重要意义。
二、系统框架设计
基于FPGA的红外图像实时采集系统主要由硬件和软件两个部
分组成。
硬件部分包括红外探测器、FPGA开发板、存储器、
图像传输模块等;软件部分主要包括图像采集控制程序和数据处理程序。
硬件框架设计采用分层结构,分为红外图像采集层、控制层、存储层和传输层四个部分。
红外图像采集层包括红外探测器和模拟-数字转换电路,负责将红外辐射信号转换为数字信号。
控制层包括FPGA芯片和时钟控制电路,负责采集信号的
控制和同步。
存储层包括高速存储器和图像缓存,负责暂存采
集到的红外图像数据。
传输层包括数据传输电路和网络接口,负责将采集到的图像数据传输到外部设备。
三、图像采集流程设计
图像采集流程是指将红外图像转换为数字信号并存储的过程。
在红外图像采集层,红外探测器将红外辐射信号转换为模拟信号,经过模拟-数字转换电路转换成数字信号。
在控制层,FPGA芯片控制采集信号的采样频率和位宽,通过时钟控制电路实现同步。
在存储层,高速存储器负责将采集到的图像数据暂存起来,图像缓存则将暂存的图像数据进行处理和压缩。
在传输层,数据传输电路将处理和压缩后的图像数据传输到外部设备。
四、软硬件协同优化
为了提高系统的性能和稳定性,本文进行了软硬件协同优化。
在硬件方面,使用了高速存储器和FPGA芯片,提高了系统的采集速度和数据处理能力。
在软件方面,通过优化图像采集流程,减少了数据传输时间,提高了系统的实时性和稳定性。
五、系统实现与测试
基于FPGA的红外图像实时采集系统经过硬件搭建和软件编程实现后,进行了系统测试。
测试结果表明,系统能够实时采集红外图像并将数据传输到外部设备,采集速度和稳定性满足实际需求。
六、总结与展望
本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统,通过优化系统的硬件框架、图像采集流程和软硬件协同等方面,实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输。
未来,可以进一步优化系统的算法和接口设计,提高系统的采集速度和数据处理能力,为红外图像在各个领域的应用提供更多可能性
七、系统的局限性和改进方向
尽管本文设计并实现了一个高效和稳定的红外图像实时采集系统,但仍存在一些局限性。
首先,系统的采集速度和数据处理能力仍有提升空间。
尽管使用了高速存储器和FPGA芯片,但随着红外图像采集和处理的复杂度增加,系统可能无法满足更高需求。
因此,可以进一步优化系统的算法和接口设计,提高系统的采集速度和数据处理能力。
其次,系统的实时性和稳定性仍需改进。
尽管已经通过优化图像采集流程减少了数据传输时间,但仍可能存在图像数据传输延迟和丢失的问题。
因此,可以引入更高效的传输协议和数据压缩算法,提高系统的实时性和稳定性。
此外,在存储层,尽管采用了高速存储器来暂存采集到的图像数据,但由于存储容量有限,可能无法满足长时间的图像采集需求。
因此,可以考虑增加存储容量或使用外部存储设备,以满足更长时间的数据存储需求。
最后,系统的成本也是一个需要考虑的因素。
尽管FPGA
芯片和高速存储器提供了较高的性能,但它们的成本也相对较高。
为了降低系统的成本,可以考虑使用更便宜的硬件组件或寻找更经济的解决方案。
综上所述,本文所设计和实现的红外图像实时采集系统在性能和稳定性方面已经取得了一定的成果,但仍有一些局限性。
通过进一步优化系统的算法和接口设计,提高系统的采集速度和数据处理能力,改进系统的实时性和稳定性,增加存储容量,并降低系统的成本,可以进一步完善该系统,并为红外图像在各个领域的应用提供更多的可能性
经过对红外图像实时采集系统的设计和实现,我们发现系统在性能和稳定性方面已经取得了一定的成果。
然而,还存在一些局限性需要进一步改进。
首先,我们可以进一步优化系统的算法和接口设计,以提高系统的采集速度和数据处理能力。
目前系统的图像采集速度还有待提高,可以通过改进图像传感器的性能或增加采集通道的数量来加快采集速度。
此外,我们可以优化图像处理算法,减少图像处理的时间和计算量,提高数据处理效率。
其次,系统的实时性和稳定性仍需改进。
尽管已经通过优化图像采集流程减少了数据传输时间,但仍可能存在图像数据传输延迟和丢失的问题。
为了解决这些问题,可以引入更高效的传输协议和数据压缩算法,以减少数据传输延迟和提高数据传输的稳定性。
此外,在存储层,尽管采用了高速存储器来暂存采集到的图像数据,但由于存储容量有限,可能无法满足长时间的图像采集需求。
为了解决这个问题,可以考虑增加存储容量或使用外部存储设备,以满足更长时间的数据存储需求。
最后,系统的成本也是一个需要考虑的因素。
目前系统采用的FPGA芯片和高速存储器虽然提供了较高的性能,但它们
的成本也相对较高。
为了降低系统的成本,我们可以考虑使用更便宜的硬件组件或寻找更经济的解决方案。
综上所述,通过进一步优化系统的算法和接口设计,提高系统的采集速度和数据处理能力,改进系统的实时性和稳定性,增加存储容量,并降低系统的成本,可以进一步完善该红外图像实时采集系统,并为红外图像在各个领域的应用提供更多的可能性。
我们相信,通过不断的改进和完善,该系统将能够更
好地满足红外图像采集和处理的需求,为相关领域的研究和应用提供更可靠和高效的技术支持。