基于NiosⅡ高速紅外圖像采集系統設計

(紹興職業技術學院信息工程學院，浙江紹興312000)

(紹興職業技術學院信息工程學院，浙江紹興312000)

設計了一種基于NiosⅡ紅外高速圖像采集系統。該系統通過NiosⅡ軟核處理器實現了基于Sobel算子的圖像邊緣檢測算法，加上外圍的紅外探測器、SDRAM、高速DAC等器件，完成了高速紅外圖像采集和顯示。其設計方法是基于一種系統級電路，通過QuartusⅡ和SOPC Builder實現對此系統的定制。測試結果表明，此高速紅外圖像采集系統性能穩定可靠，可以完成紅外圖像的實時采集、存儲和顯示。系統可以用在高幀頻、數據量大的紅外圖像實時采集。

NiosⅡ;Sobel;紅外圖像;采集系統

紅外探測技術具有隱蔽性好、被動探測、抗電磁干擾、晝夜工作等突出優勢，在各類遙感探測應用領域到了越來越廣泛的運用［1-2］。近年來，隨著紅外探測器的規模不斷增大，需要傳輸和處理的數據量也越來越大，所以要完成紅外圖像數據的采集就需要更高速的紅外圖像采集系統。目前使用的紅外圖像采集系統大部分都是基于USB或PCI的圖像采集卡。但是基于USB的紅外圖像采集系統只能用于數據率較低的場合，PCI總線是并行總線，當連接多個設備時，傳輸速率就會變慢。本系統使用Altera公司的NiosⅡ軟核處理器實現基于Sobel算子的圖像邊緣檢測算法，在FPGA上產生相應的控制信號，實現對數據的快速讀寫，具有傳輸速度快、數據準確、可擴展的優點。

1 Sobel圖像邊緣檢測算法原理

Sobel圖像邊緣檢測是一種非線性的邊緣檢測算法，效率很高，用途非常廣泛。Sobel圖像邊緣檢測算法的大致過程是首先采用Sobel算子去計算出垂直梯度與水平梯度，然后將這兩個方向的梯度進行結合，最終運用門限處理法對圖像邊緣進行鑒定。算法的具體流程圖如圖1所示。

圖1 Sobel圖像邊緣檢測算法流程圖

具體的算法是以檢測像素點為中心，x表示水平方向，y表示垂直方向，在x，y方向上分別使用不同的兩個卷積核，例如:

設x，y是通過x，y方向卷積核算出的某個像素的卷積像素值，此時這個像素的邊界強度q和方向η的計算公式是:

通過式(1)對紅外圖像中的每一個像素出來后，然后進行閾值化處理，這樣就能完成對目標的邊緣提?。?-4］。

2 系統硬件設計

2.1 系統整體硬件設計

本文是基于NIOSⅡ系統實現的。在設計中選用采用Altera公司的cycloneⅡ型FPGA。此芯片具有低靜態和動態功耗低的優點。整體框圖如圖2所示，包括:紅外探測器、AD電路、在FPGA上實現的NIOSⅡ系統、FLASH芯片、SDRAM芯片、SRAM芯片、EPCS16、TFT-LCD、DMA控制器。FPGA選用Altera公司的而cyclone IV GX型FPGA。其中NIOSⅡ系統是核心，由其完成整個系統的控制以及數據處理，并將所得數據發送到TFT-LCD進行顯示。使用SOPC Builder開發平臺完成NIOSⅡ系統的定制［5-6］。SOPC Builder提供的片內資源非常的豐富，只需根據設計進行定制，具體添加的IP核如圖3所示，定制完成后會自動生成地址和中斷，最后會生成一個.bsf文件。

圖2 圖像采集系統框圖

圖3 NIOSⅡ系統定制文件

2.2 線列驅動時序

Clk、Rst、Start、SHP、SHD等幾個信號組成了紅外線列探測器驅動時序。其中Clk信號為探測器信號的讀出時鐘;當Rst為高電平時表示線列的積分時間，當Rst是低電平的時候為正在復位;Start表示探測器一行讀出控制信號;SHD和SHP表示積分雙采樣(CDS)控制信號。

紅外探測器模擬輸出信號中有復位噪聲、1/f噪聲、輸出放大器噪聲等很多噪聲，這些噪聲會嚴重影響器件的信噪比。SHD信號可以把258個像元積分前的基底噪聲存儲在一個電容中，SHP信號可以把258個像元積分后的信號存儲在另外一個電容中，時序運行時把兩個電容的信號同時讀出，然后通過采樣電路對這兩個信號做差，這樣就能去除大部分這類噪聲，提取出需要的視頻信號。在每個像素周期內，參考電平和信號電平各被CDS采樣一次，如圖4所示。SHP上升沿采樣紅外探測器輸出信號的參考電平，SHD上升沿采樣紅外探測器曝光后的信號電平，最后把這兩次采樣值相減，就能得到需要的視頻模擬信號［7］。

圖4 紅外探測器驅動時序

2.3 AD轉換電路

紅外探測器最高輸出頻率是2 MHz，輸出的模擬電平為0～3 V，所以選擇使用的ADC芯片必須滿足紅外探測器的數據需求，而且噪聲要盡量小。本系統選用的是逐次逼近ADC芯片AD9252，此芯片能滿足系統的數據需求，而且具有功耗低、便于PCB布線的優點。該器件的控制和輸出很容易由FPGA實現，具體原理如圖5所示。

圖5 累加平均和乒乓存儲原理框圖

因為AD9252采用串行輸出，因此FPGA就首先需要對輸入數據做串并轉換，然后將經過轉換獲得的數據運用累加器將同一個信號進行8次采樣后相加。然后將累加的數據送入除法模塊，與此同時將累加器清零。最后依據乒乓原理送至對應的BlockRam里做存儲，等候信號的發送。

2.4 圖像采集模塊設計

紅外探測器初始化完成后，當FPGA檢測到幀有效信號FRAME_VA LID引腳的上升沿時，行計數清零;當行引腳LIN E_VALID有效時，幀計數器開始對像素時鐘計數，記滿一行數據之后，列計數器清零，行計數器加1，一幀圖像傳輸完畢，此時圖像數據就能按順序傳輸至圖像采集模塊的寄存器中。如果行與幀有效信號同時高電平有效，那么當圖像采集模塊每次輸出一組數據的時候，幀計數器加1來就能表示輸出圖像數據的有效性，該圖像數據在整個圖像中的幀數就是這時候計數器的值。如果幀計數器運算為04，表示第1行數據傳輸結束，接著傳輸第2行的數據。第2行圖像數據傳輸完之后，圖像幀數會變成00，這樣就表示一幀圖像數據傳輸結束［8］。仿真結果如圖6所示，仿真結果證明了采集模塊的正確性。

圖6 時序仿真結果

3 軟件系統設計

系統軟件流程圖如圖7所示，系統的軟件設計是在NiosⅡ IDE平臺下，采用 C語言和 Verilog HDL語言相結合的方式編寫而成。

圖7 軟件程序流程圖

NiosⅡ系統在完成紅外探測器初始化的同時，也在圖像采集、處理和顯示邊緣檢測結果。由紅外探測器把采集到的圖像數據在SDRAM中做臨時存儲。一幀圖像采集完成后，NiosⅡ通過復位紅外探測器結束對圖像的采集，同時對存儲在SDRAM中的圖像進行處理并且在SRAM中寫入處理的結果。圖像通過處理后，NiosⅡ系統啟動DMA控制器，通過DMA控制器運用流模式傳輸方式把SRAM中處理好的圖像傳輸給TFT-LCD做圖像處理結果的顯示。

4 測試結果和結論

4.1 測試結果

整個系統能很好的完成圖像數據采集和顯示。本系統可以實時紅外圖像顯示，并能通過串口實時監控探測器的工作狀態。圖8顯示的是該系統的一次掃描得到的紅外圖像。

圖8 系統處理的紅外圖像

4.2 結論

本文充分利用FPGA的內部資源和NiosⅡ軟核處理器實現了紅外高速圖像采集系統的設計。FPGA具有并行運算、高速傳輸、實時性優點，系統充分利用了這些優點。系統還發揮了NiosⅡ軟核處理器在控制和通信方面的優勢。本系統達到了預期設計的目的，不但具有集成度高、采集速度快、性能穩定的優點，而且具有很好的擴展性和移植性。

［1］左雷.用于紅外探測器組件檢測的超高靈敏度檢漏儀［J］.激光與紅外，2011，41(12):1327-1330.

［2］尚媛園，楊新華，徐達維，等.基于SOPC技術的高速圖像采集控制系統的設計與研究［J］.傳感技術學報，2011，24(6):864-869.

［3］劉紫燕.實時圖像邊緣檢測的設計及FPGA實現［J］.電子科技，2011，24(12):1-3，6.

［4］陳東明，葉玉堂，蒲亮，等.基于SOPC可重構的圖像采集與處理系統設計［J］.電子器件，2011，34(2):232-235.

［5］劉艷翠，彭俊.基于NiosⅡ的色差儀控制系統［J］.儀表技術與傳感器，2011(7):18-20，32.

［6］馮偉昌，林玉池，何冬，等.基于FPGA的雙通道實時圖像處理系統［J］.傳感技術學報，2010，23(8):1118-1122.

［7］曾戈虹.紅外光子探測器與熱探測器性能分析［J］.紅外技術，2011，33(9):497-500.

［8］郭柄，趙凱.高幀頻圖像采集處理系統的設計與實現［J］.電光系統，2011(4):5-7.

基于NiosⅡ高速紅外圖像采集系統設計

黃煜棟*

High-Speed Infrared Image Acquisition System Based on NiosⅡ

HUANG Yudong*
(College of Information Engineering，Shaoxing Vocational and Technical Collage，Shaoxing Zhejiang312000，China)

A high-speed infrared image acquisition system is designed based on NiosⅡ.The algorithm of the image edge detection based on the Sobel arithmetic operators is used by the NiosⅡ soft core.With the external infrared detectors，SDRAM and high-speed DAC devices，the algorithm completes a high-speed infrared image acquisition and display.The design approach of this system results from a system-level circuit，which can realize the customization of this system through QuartusⅡand SOPC Builder.According to the experiment result，the system is reliable and it can perform real-time acquisition of infrared image stably.The system can be used in high frame rate，realtime acquisition of infrared images of large volumes of data.

NiosⅡ;Sobel;infrared image;acquisition system

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.020

TP317.4;TN911.73 文獻標識碼:A 文章編號:1005－9490(2013)06－0842－04

2013-03-23修改日期:2013-04-21

EEACC:7220;6140C

黃煜棟(1981-)，男，漢，浙江省紹興市人，紹興職業技術學院工作，講師，碩士(浙江工業大學畢業)，研究方向為人工智能、移動應用開發，huangyudong1981@ 163.com。