基于FPGA的紅外圖像實時采集系統設計與實現

李冬冬

摘 要：隨著科技的不斷發展，圖像采集產品的成本快速降低，攝像頭技術已被應用于人們生活的方方面面。但在一些特定的領域，例如在軍事方面熱成像追蹤系統。圖像的采集速度和數據的實時傳輸速度是制約系統性能的重要因素。本文通主要論述了紅外圖像系統的硬件組成和程序的實現。在驗鈔系統上采用紅外圖像采集系統，并以FPGA為程序邏輯載體，對系統進行控制。該系統可以實現快速采集和處理圖像，并且FPGA的程序具有較強的兼容性，可以進行二次開發。只需要對程序邏輯更改就可以用作別的系統，可以降低開發成本。

關鍵詞：圖像采集；FPGA；系統設計

中圖分類號： TN911.73 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-174-2

1 圖像采集概述

將現實中的圖像轉化為二進制的數據就是圖像采集的過程。圖像采集是整個圖像處理的基礎，其特性的好壞直接決定后期處理的效果。它是影像處理的第一步，也是最重要的一步，因為這是所有成品藍本基礎。如果想進一步提升圖像質量需要進行專業的處理，就像修改其基因一樣。

圖像采集系統與圖像本身和后續的處理系統有很大關系，所以在進行系統設計時需要考慮的因素也很多，主要包括以下四個方面：①更高質量的圖像就意味著所占儲存空間更大，對系統的要求會更高。內存太小，數據存儲空間不夠，接口傳速太慢，數據傳輸等待，這些都會拉低系統性能。另外，處理模塊的相應速度也是系統設計的重中之重。②圖像文件占中存儲空間較大，對系統的傳輸技術、數據存儲技術、圖像顯示的要求較高，成本較高，在系統設計時需要考慮硬件的成本。③圖像處理模塊的方式可以是多種多樣的，可以根據系統的類型進行選擇。在進行設計時需要考慮到處理模塊的數據接口。常用的是嵌入式的集成系統，其特點是計算能力強，可以用于數據量較大的系統。單片機系統也是較為常見的處理模塊，它加運算能力強。其最大的特點是程序可以隨意更改，可以滿足大部分系統需求。應用最廣泛的是通用型計算機裝置，他的集合了前兩種的優點。而且最為突出的特點是友好的信息交互界面，程序強大的兼容性。④圖像采集系統是由多個模塊組成的。比如，光照控制模塊、圖像采集模塊、機械模塊。整個流程需要各個模塊協同工作，需要對個模塊的同步控制進行整體規劃。

2 圖像采集系統的主要架構

基于FPGA的高速數字圖像采集系統的結構非常靈活、簡單。全部采用模塊化組件，可以快速構建系統。該系統具有開發成本低、可擴展性好、數據處理快速、各模塊兼容性好等優點。系統通過FPGA邏輯程序來實現各相關模塊的連接和控制。首先控制圖像傳感器對圖像進行采集，經過簡單預處理，將數據壓縮空并通過數據接口傳給處理終端。

3 基于FPGA的驗鈔圖像采集系統的設計

本文以辨別紙幣的真假為目的，基于FPGA設計實現紅外圖像采集系統。認真研讀了人民幣鑒別準則，結合圖像采集及分析技術，最終通過PC終端辨別紙幣的真假。

3.1 方案設計

根據檢測速度要求，系統設計為800張/min。系統需要對錢幣的正反兩面上的真偽辨別特征進行圖像信息采取。圖像傳感器的選擇CIS（接觸式傳感器）在自帶光源的基礎上增加外部光源，提高圖像的曝光度，提高圖像采集質量。傳感器采集的圖像數據通過模擬轉化器ADC轉化為二進制數據進行存儲和傳輸。數據的采集的程序基于FPGA來實現，在信息采集過程中傳感器和數字模擬器及曝光程度的控制都是通過FPGA的程序來控制，還可以對采集的照片信息進行預處理，將數據整理后傳輸到真假辨別模塊，對紙幣真偽進行鑒定。

3.2 傳感器的選擇

首先在保證能得到清晰圖像的前提下盡量選擇低像素的傳感器來進行系統設計，這樣可以減少數據在傳輸速度和存儲上的壓力。經驗證采用100dpi分辨率可以滿足驗鈔需求。百元人民幣的尺寸大為15.6cm×7.7cm，采集圖像大小在614×300可以滿足采集要求，每張紙幣的鑒別需要采集正反兩面所有信息，共需要兩幅圖像，完成一次檢測數據大小為9.8Mbit。根據系驗鈔系統速度要求800張/min，每張檢測周期為0.075秒，每分鐘有158.35Mbps的數據需要被處理，傳感器的性能要求較為嚴格。根據需求可以選擇CIS（接觸式圖像傳感器）其結構簡單體積小、一致性高、曝光時間短等特點，可以滿足系統需求。

3.3 控制系統的概述

控制器作為整個系統的控制中心，相當于人得大腦。PFGA就是整個系統的控制中心，在本次設計方案中FPGA是采用阿爾特拉公司的成熟產品暴風系列。該元件上擁有大連存儲空間，可以存儲上萬邏輯程序。同時，FPGA的兼容性較高，額定電壓1.5V，可以嵌入大部分系統，且低能耗又是它的另一個優點，可以降低運行成本。PFGA兼容性高的另一方面表現在其萬能數據接口，可以和IO、USB等其他大部分的接口連接，應用范圍廣闊。

FPGA在系統中主要通過發送控制信號來控制各模塊的動作。例如，在控制圖像傳感器的同時，還需要控制燈光強度，保證所采集圖像的清晰程度。在FPGA的選擇上需要考慮其數據處理速度及其最大傳輸速度。由上文可知，該系統最大數據158.35Mbps，而所選FPGA有6個通道與模擬轉換器相連，每條通道都是8位8MHz，所以該系統的寬帶為384Mbps。其性能遠大于系統需求，完全可以保證正常運行。

3.4 系統的實現

3.4.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊由三部分組成，分別是圖像成像傳感器、圖像數據轉化模塊、存儲模塊。圖1是圖像三個組成部分協同工作的順序邏輯圖。當SI保持一個周期的高電位狀態下，圖像傳感器（CIS）接收信號，執行一次掃描動作。完成掃描動作的時間為64個周期，完成掃描后SI電壓發生變化。

CIS輸出的可用信號經過ADC（數字模擬轉化器）后由ADC_IF讀入SRAM。

3.4.2 圖像傳輸模塊

圖像傳感器所采集的數據是分散的，有正面和反面兩個部分。圖像傳輸模塊首先將同一張紙幣兩個面的相關數據合并，組成一張紙幣的完整信息。其次，通過數據網絡傳輸協議，將完整的數據信息通過DPS進行傳輸。在進行圖像傳輸之前的工作稱為視頻采集，包含攝像頭控制器、預覽引擎、圖像處理等單元。

3.4.3 軟件構架

在之前完成了系統硬件的布局和數據傳輸通道的分配，系統設計的下一步，也是整個方案最核心的一步就是程序的編寫。每個組件的是否應該工作，應該在什么情況下工作，這是整個系統的邏輯順序。程序就是將系統的邏輯用程序語言編寫出來，并存入芯片，控制整個系統各組件按照設計的邏輯順序完成工作。

①第一步是圖像的采集，傳感器將圖像采集并轉化為數字數據，并臨時存入存儲器上。同時也要協同外部光源與傳感器進行配合，獲得高質量的圖像源。②其次，通過DPS數據接口，及時地將采集的圖像信息準確無誤地傳給處理模塊。③最后，根據數據處理模塊運行周期，制定系統各組件運行的信號控制周期及順序。并控制系統按照正常流程運行，保證系統穩定正常工作。

4 總結

本文設計了基于 FPGA 的紅外圖像采集系統并從技術上加以實現。系統的程序是以FPGA為載體，控制紅外圖像的傳感器進行實時采集，以及圖像數據的存儲及顯示。圖像采集器采用紅外圖像傳感器，光源變化對圖像影響較小，所得圖像紙幣線條清晰，為后續的圖像處理和真偽辨別提供了重要的數據信息。系統結構簡單，程序可操作性高，還可以對程序進行二次編程，搭載不同的圖像處理系統就可以進行廣泛的應用，可推廣應用于軍事、生產監控、醫療器械等多個領域。

參 考 文 獻

[1] 郭永彩，蘇渝維，高潮.基于FPGA的紅外圖像實時采集系統設計與實現[J].儀器儀表學報，2011（03）：514-519.