紅外圖像處理系統的方案設計*

(海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031)

紅外圖像處理系統的方案設計*

盛元平

(海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031)

論文主要以紅外焦平面圖像處理系統內包含的圖像采集模塊、圖像預處理模塊和圖像處理模塊為設計中心,并根據各模塊所要實現的具體功能提出實現方法。

圖像處理系統;方案設計

ClassNumberTN97

1 引言

隨著圖像采集、圖像處理技術的不斷發展,采用紅外熱成像技術與圖像采集系統、圖像處理系統相結合的方式,利用最新的圖像處理技術對紅外熱成像系統的紅外圖像信號信息進行實時的采集和處理,不僅提高了系統工作性能,也大大地改善了系統的成像質量。本文就紅外成像、紅外探測器、紅外成像處理系統的方案設計等,作進一步的研究和探討[1]。

2 紅外圖像

紅外圖像裝置工作在中紅外區域(波長3μm～5μm)或遠紅外區域(波長8μm～12μm)。通過探測物體發出的紅外輻射,熱成像儀產生一個實時的圖像,從而提供一種景物的熱圖像。并將不可見的輻射圖像轉變為人眼可見的、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏,能探測到小于0.1℃的溫差[2]。

工作時,熱成像儀利用光學器件將場景中的物體發出的紅外能量聚焦在紅外探測器上,然后來自于每個探測器元件的紅外數據轉換成標準的視頻格式,可以在標準的視頻監視器上顯示出來,或記錄在錄像帶上。由于熱成像系統探測的是熱而不是光,所以可全天候使用;又因為它完全是被動式的裝置,沒有光輻射或射頻能量,所以不會暴露使用者的位置。

目前,第三代紅外焦平面陣列器件不僅要具有集成度更高、像元尺寸更大、像元數目更多、探測性能更好等特點,也要兼顧優秀的可靠性、更小的體積重量、更簡單的結構、更低的成本等因素。

表1簡要描述紅外焦平面陣列的類型;表2簡要展示了第三代紅外焦平面陣列的概念及紅外焦平面陣列的未來。

3 紅外探測器

紅外探測器的光學系統設計對于探測器的探測光譜的響應范圍也會有影響,例如若光學窗口材料采用金屬鍺的話,可以使探測器能夠提高在8μm～20μm波段紅外光的透過率,而對其它波段的紅外輻射的透過率就要相對降低[3]。

表1 紅外焦平面陣列的類型

表2 第三代紅外焦平面陣列的特征

例如,法國ULIS公司研制開發的型號為UL03191微測輻射熱計,其像元尺寸為384×288,由一個內部集成的半導體制冷器和一個二維微測輻射熱計陣列(FPA)組成,光譜響應波段8μm～14μm。UL03191型熱探測器的工作參數如表3所示。

表3 UL03191型熱探測器的工作參數表

Sofradir公司研制的中波紅外320×256像素ID-MM067-XX-V3紅外探測。20×256 IRCMOS碲鎘汞光伏探測器陣列及杜瓦瓶組件,微斯特林制冷機。其靈敏度高,工作穩定性好。探測器主要參數如表4所示。

表4 紅外探測器組件參數

4 紅外圖像處理系統的方案設計

4.1 圖像采集及處理

紅外焦平面陣列器件所輸出的圖像不管是分辨率還是對比度,相對都較低,不利于圖像內目標的提取和圖像的視覺觀察,隨著圖像處理應用領域的不斷增加,圖像采集及處理技術也在不斷發展。紅外焦平面陣列器件輸出的圖像采用一定的圖像采集及處理技術,例如實時增強以及非均勻性校正等數據處理技術,可以很大程度上改善紅外焦平面陣列輸出的圖像質量。

對于圖像采集及處理系統而言,依據微處理器在不同平臺上完成的圖像采集及處理運算,可以細分為三種形式:

1)采用計算機內置圖像處理卡;

2)采用嵌入式操作系統技術的硬件平臺;

3)采用DSP及FPGA的圖像采集處理系統。

三種方法的對比,如表5所示。

表5 圖像采集系統三種實現

近年來,數字電路設計技術發展迅速,開發環境不斷完善,這就使越來越多的人采用具有實時處理能力的DSP+FPGA設計的專用圖像采集及處理處理模塊。DSP芯片具有運行速度快、尋址靈活、通信功能強大等特點,用來實現結構復雜的高層算法;FPGA芯片具有接口多、配置方便等特點,可用來實現運算結構簡單但對數據數量速度要求高的低層算法。DSP+FPGA芯片同時使用不僅可以滿足大部分應用場合,更具有升級能力強,性能高的特點,具有更強的適用性。

4.2 圖像處理系統

圖像處理系統依據各模塊功能上的不同,可以區分為三個功能模塊,分別為圖像采集模塊、圖像預處理模塊和圖像處理模塊。圖像采集模塊是用來產生數字化的紅外圖像信號,是圖像預處理的前端和基礎,圖像采集模塊將采集到的紅外圖像信息送至圖像預處理模塊進行預處理;圖像預處理模塊依據事先設置的算法對圖像采集模塊送來的紅外圖像進行處理;圖像處理模塊是依據預制的目標識別算法對預處理后的紅外圖像信息進行敏感信息提取,預處理和處理模塊功能上是相對獨立的。圖像處理系統如圖1所示[4]。

圖1 圖像處理系統

4.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊的主要技術指標[5]:

1)圖像采集所需的時間。通常來說,圖像的采集過程包含兩個部分內容,分別是模數轉換和數據傳輸,圖像采集時間也就是這兩部分時間的疊加。采用高速的轉換芯片和接口方式可以有效地提高系統圖像采集效率,縮短圖像采集時間。TI和ADI公司都提供了高速的AD轉換芯片,此類芯片大多提供并口和SPI之類的數據傳輸接口方式。

2)圖像處理時間。系統的圖像處理時間是指從一副完成的紅外圖像采集完成到預處理,再到圖像處理結束所需要的時間。系統的工作性能直接受其處理一副紅外圖像的速度影響,采用高速、高性能的處理器可以有效地縮短系統的圖像處理時間,提高系統的工作性能。在圖像采集系統中,表現是多樣的,以生物識別系統為例,對一幅完整的圖像處理時間(通常是圖像特征值處理和比對時間之和)有十分嚴格的要求。

3)存儲容量。有些圖像采集處理系統需要存儲一定的圖像數據,如數碼相機和數碼攝像機等。在圖像采集系統中,表現是多樣的,以生物識別系統為例,能夠存儲大量生物體樣本特征值是個重要的指標。

4)存儲空間。圖像采集處理器的特點是數據量大,占用的數據空間達到幾兆。在所有圖像處理系統中,是否具有大容量的數據存儲空間是一個非常重要的指標,不僅可以直接影響到整個系統圖像處理時間,也影響其圖像的處理效果。

5)系統全功耗。系統全功耗可分為工作電流和靜態電流兩個部分。工作電流是指系統在圖像采集、圖像處理等工作時所消耗的電流。靜態電流是指系統在沒有進行圖像處理相關工作狀態下,即待機狀態下的電流。在大多數場合中,系統的大部分時間都處于待機的狀態,因此靜態電流更具有參考意義。

4.4 圖像采集模塊電路設計

圖像采集模塊由兩部分組成,分別是紅外焦平面陣列電路以及圖像信號處理電路組成,其主要實現的功能是將紅外光信號轉換模擬電平信號,再經過圖像處理電路將模擬電平信號轉換為可用于圖像處理算法的數字圖像信號,在傳輸給圖像預處理、處理模塊進行數字圖像數據的處理、傳輸以及顯示等。對于非制冷型紅外焦平面陣列來說,還需對溫度控制單元進行設計,來保證陣列的正常工作。

非制冷型紅外焦平面陣列電路包含四個部分,其中電壓偏置電路是用于產生偏置電壓,電壓匹配是用于比較電壓,而驅動電路是用于對焦平面陣列的驅動控制,溫度檢測和控制電路是用來控制焦平面熱敏單元的基準溫度。

在設計紅外焦平面陣列的外圍電路時,應注意偏執電壓電路的設計,應保證結構緊湊、工作穩定等特點,其紋波不應大于±5mV。基于電源精度要求的考慮,電壓偏置電路使用的基準電源芯片的可調偏置電壓應滿足0.65V～5V,精密電位器的可調偏置電壓應滿足3.5V～7V。

非制冷紅外焦平面陣列UL03191原理圖如圖2所示。

圖2 非制冷型紅外焦平面陣列UL03191原理圖

由上圖可以看出,紅外焦平面陣列的溫度反饋輸出為VTEMP,溫度控制端口為TEC+、TEC-,溫度控制是通過控制TEC+、TEC-這兩個控制端口的電流方向,來達到給焦平面陣列制冷或加熱的效果。

4.5 圖像采集模塊的設計

將紅外光輻射信息轉換紅外數字圖像信號是圖像采集模塊所要具備的基本功能。首先,熱探測器將紅外信號轉換為電信號,再經過A/D轉換電路器將模擬電信號轉換為的數字圖像信號。這一過程包括信號的獲取及處理兩個步驟。系統中圖像采集模塊是由三部分組成,分別是紅外焦平面陣列、圖像信號處理電路和溫度控制單元三部分組成。圖像采集模塊圖如圖3所示[6]。

圖3 圖像采集模塊圖

紅外焦平面電路即所選用的紅外焦平面的器件,采用成熟的產品,因此不在本設計方案涉及范圍之內。需要研制開發的是圖像信號處理電路和溫度控制單元部分。溫度控制單元只是針對非制冷型紅外探測器,制冷型紅外探測器包含制冷系統,可通過探測器自身的溫度調控系統調節焦平面陣列基準溫度。

1)溫度控制單元。紅外焦平面陣列包含制冷型和非制冷型兩種,非制冷型焦平面陣列可以在室溫狀態下正常工作,而制冷型紅外焦平面陣列需要利用制冷劑把工作面溫度降低到200K以下。非制冷型紅外焦平面陣列的熱敏單元的溫度可以直接影響到陣列的靈敏度和成像質量,使陣列上所有熱敏單元均工作于相同且恒定的室溫下,是非制冷型紅外焦平面陣列穩定、高效工作的保證,因此,為非制冷型紅外焦平面陣列設計一個高精度的溫度控制單元是設計非制冷型紅外焦平面圖像處理系統關鍵。

2)圖像信號處理電路。圖像信號處理電路是輔助處理電路,不形成單獨功能,主要為消除圖像噪聲、增強圖像信號。通常的圖像信號處理方法有開關指數濾波法和相關雙采樣法兩種。

開關指數型濾波器中RC常數相對居中,既有雙斜積分法的特點,也包含相關雙采樣的特點,可以允許同時有兩個不同的截止頻率。

相關雙采樣電路中RC常數相對較小,可以使其具有信號提取速度快的特點,可以在短時間內實現電平的跳變。

紅外焦平面輸出信號受抑制紅外焦平面電壓偏置電路波動的影響,信號處理電路采用相關雙采樣信號處理方法。對于電路設計來說,相關雙采樣電路和放大器等器件可以集成,從而使信號處理電路的設計得到簡化,使系統可靠性得到提高。

4.6 圖像預處理模塊的設計

圖像預處理模塊的設計也可以采用專用集成電路(ASIC)、DSP處理器以及FPGA等幾種設計方案。圖像預處理模塊一般來說只包含低層處理算法,這種算法的運算量巨大,對處理速度的要求相對較高,但其算法運算結構比較簡單,因此可以采用FPGA芯片設計專用的處理單元來實現預處理模塊的功能[7]。

采用FPGA作為圖像預處理模塊的工作平臺,采用VHDL語言實現可實現非均勻性校正、盲點替代以及圖像增強相關算法等運算數據量大、算法結構簡單的紅外圖像預處理算法,是非常適合的。

4.7 圖像處理模塊的設計

圖像處理模塊是用來統一管理和控制紅外圖像信號的實時采集和紅外圖像預處理模塊的,并可接收上位機發出的控制指令,不僅實現圖像采集模塊和圖像預處理模塊的控制,還要實現基于預置目標識別算法的敏感目標提取的功能。圖像處理模塊可采用以下四種方案來實現[8]:

1)基于單片機的設計方案。單片機具有功耗低、實現簡單、調試方便等特點,但其外圍電路相對較多,硬件結構復雜,單片機不能自行完成對紅外焦平面陣列的驅動,需要借助專用的集成芯片來完成,圖像數據的傳輸和顯示等功能也需要占用大量的單片機資源。

2)基于DSP芯片的設計方案。DSP芯片具有運行頻率高、數據處理速度快、集成度高等特點,其外圍電路相對簡單,由于芯片自身特點,針對目標識別等圖像處理算法具有很強的適用性,可以滿足高速圖像數據處理的要求[9]。

3)基于嵌入式系統的設計方案。嵌入式系統具有適用范圍廣,具有成熟的模塊,設計簡單,數據處理能力強,可在線編程、在線仿真、開發環境友好等特點。

5 結語

根據紅外焦平面陣列的工作原理以及其工作特點,提出了圖像采集處理系統所需實現的功能和主要技術指標,用以確定所要遵循的設計原則和技術要求,并詳細分析了幾種主要的圖像采集方法,在此基礎上提出了采用現場可編程的紅外焦平面圖像處理系統的模塊設計方案[10]。

[1]潘小冬,陳澤祥,高升久,等.FPGA+DSP的紅外圖像數據采集與顯示[J].紅外與激光工程,2007,36(6):968-971.

[2]董心雨,黃俊.基于FPGA的紅外圖像采集與傳輸系統設計[J].半導體光電,2012,33(4):579-581.

[4]曾祥鴻,劉慧.320×240非制冷紅外焦平面陣列驅動電路的設計[J].現代電子技術,2005(20):40-41.

[5]秦良,蔣亞東,呂堅,等.非制冷紅外焦平面陣列CMOS讀出電路設計[J].國外電子測量技術,2006(6):32-34.

[6]秦文罡,讓星,高愛華.非制冷紅外焦平面陣列器件驅動電路的研究 [J].紅外,2008(6):1-4.

[7]周慧鑫,拜麗萍,秦翰林,等.基于自適應濾波的紅外焦平面陣列非均勻性校正算法[J].強激光與粒子束,2009(11):1611-1614.

[8]張沛,祝紅彬,呂堅,等.低噪聲非制冷紅外焦平面陣列驅動電路的設計[J].紅外與激光工程,2010(5):806-810.

[9]李靜,金龍旭,郭偉強.320×240元非制冷焦平面信號處理電路設計[J].激光與紅外,2005(12):935-937.

[10]趙正輝,李宇,劉恒輝.非制冷紅外熱像儀信號處理系統的設計與研究[J].紅外,2009,30(10):18-22.

SchemeDesignoftheInfraredImageProcessingSystem

SHENG Yuanping

(Shenyang Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Shenyang 110031)

Regarding the image acquisition module, image preprocessing module and image processing module in the infrared focal plane image processing system as design center, the method is put forward to realize specific functions in the order to realize each module.

image processing system, scheme design

2013年11月3日,

:2013年12月7日

盛元平,男,碩士,高級工程師,研究方向:水聲、電子裝備研制及裝備保障。

TN97DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.028