基于LabVIEW的高速圖像實時采集顯示系統設計

劉明，張保貴，張原野，袁遠

（1.北京空間機電研究所，北京100094；2.中國空間技術研究院天基空間目標監視技術核心專業實驗室，北京100094）

可見光探測是航天和國防研究的熱點領域，目前可見光相機通常選用CCD 或CMOS 傳感器，輸出的圖像朝著更高分辨率、更高幀頻的方向發展[1-2]，這對圖像采集系統提出了更高的要求[3-5]。傳統的圖像采集系統只能對固定的接口進行單通道數據采集，且采集速率較低；當相機接口改變后，需要完全重新設計圖像采集系統，增加研發的周期和成本。LabVIEW 是NI 公司推出的一種虛擬儀器開發平臺，將計算機資源與儀器硬件、DSP 技術相結合，采用可視化的圖形編程語言編程，并集成了包括控制與仿真、高級數字信號處理、統計過程控制、模糊控制和PID 控制等眾多模塊[6-8]。選擇NI 公司的PXIe-7962R 作為系統的圖像采集卡，設計接口電路，并將數據采集卡和接口電路板整合在通用工控機上，設計驅動程序和系統應用程序，形成新一代圖像采集系統。當采集不同數據接口的CMOS 相機的圖像時，只需重新設計接口電路。與傳統圖像采集系統相比，該系統具有研發周期短、集成度高、通用性好等特點，可廣泛運用于CMOS 相機圖像采集和光學性能測試。

1 系統組成及工作原理

1.1 圖像采集卡簡介

PXIe-7962R 圖像采集卡采用PXI 總線設計。PXI 是一種堅固且基于PC 的平臺，適用于測量和自動化系統。PXI 結合了PCIe 的電氣總線[9-10]特性與CompactPCI 的模塊化及Eurocard 機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線和主要軟件特性。PXI 的高性能、低成本部署平臺可用于多種領域，例如制造測試、軍事和航空、機器監控、汽車和工業測試[11]。

PXIe-7962R 采集板由兩大模塊組成：用于PXI和PXI Express 的NI Flex-RIOFPGA 模塊和提供高性能模擬和數字I/O 的NI FlexRIO 適配器模塊，它們共同構成一款可重新配置的儀器。用戶可通過NI FlexRIO適配器模塊開發套件(MDK)，創建自定義I/O，精確滿足應用的需求。該圖像采集卡支持高性能點對點數據流技術，點對點數據流是NI 開發的一項新技術，能夠實現多個FPGA 模塊之間的直接數據讀寫，或是指定PXI Express 模塊化儀器和FPGA 模塊之間的直接數據讀寫，且無需將數據傳回主機處理器[12-13]。PXIe-7962R 具有的特性：針對DSP 的Virtex-5SX50T FPGA, 通過NI LabVIEW FPGA 模塊對其編程512 MB 板載DDR2 DRAM；可訪問132 條單端I/O 線且可配置為66 組差分線對；通過NI FlexRIO 適配器模塊開發套件(MDK)可進行自定義的I/O；16 路DMA 通道,實現速率超過800 MB/s 的高速數據讀寫；可互換并可定制I/O；面向LabVIEW FPGA；兼容面向PXI 的NI FlexRIO FPGA 模塊；通過NI FlexRIO 適配器模塊開發套件(MDK)，可定制前端；可使用第三方適配器模塊和設計。

1.2 圖像采集系統的組成和功能

系統主要由工控機、PXIe-7962R 圖像采集卡和接口電路組成，外設包括顯示器和鼠標鍵盤。系統的組成如圖1所示。

圖1 圖像采集系統組成

CMOS 相機輸出多路并行LVDS 信號給接口電路；接口電路將接收的差分信號轉換成單端信號輸入給圖像采集卡，通過NI LabVIEW FPGA 模塊對板載FPGA 進行編程，采集CMOS 相機的圖像；PXIe-7962R 數據采集卡和工控機內存通過PXIe 總線交互數據，工控機接收數據后，對數據進行顯示和存儲。圖像采集系統的總體指標：實現四通道圖像實時采集和顯示；使用同步并行圖像數據接口：一個幀同步信號（可忽略，上升、下降沿有效可設置）、一個門控信號（高、低電平有效可設置）、一個時鐘信號（上升、下降沿采樣可設置）和并行數據信號（1、4、8 可設置），數據傳輸時鐘最高頻率為120 MHz；能夠通過上位機軟件獨立設置4 個接口的協議和圖像格式；能夠對采集到的四路圖像數據進行解析，并同時顯示在屏幕上；能夠對采集到的四路圖像數據進行統計、計算等處理；能夠實時計算圖像的MTF 和SNR等；能夠選擇四路圖像數據進行存儲及回放；具有降低噪聲功能，并能實時顯示降低噪聲后的圖像；具有測試設備自檢能力。

1.3 接口電路設計

該圖像采集系統主要采集CMOS 相機的高速并行LVDS 信號。LVDS 是低電壓差分信號，采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數據，可以實現點對點或一點對多點的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點。PXIe-7962R 圖像采集卡可以接收LVTTL 單端信號，設計LVDS 差分信號轉LVTTL單端信號接口電路，連接CMOS 相機和PXIe-7962R圖像采集卡。

接口電路由隔離電路和信號轉換電路兩部分組成。選取ISO7240M 數字隔離器，對輸入信號和PXIe-7962R 圖像采集卡進行電壓隔離，ISO7240M芯片的內在結構如圖2所示。

圖2 ISO7240M芯片內在結構

該型號隔離芯片具有的特點：4 個通道；最高數據率達到150 Mbps；250 kVrms 隔離電壓；最高工作溫度為105 ℃；3.3 V/5 V 的電平轉換；帶有輸出使能的功能；低功耗工作：精確定時特性：2 ns 的最大脈沖寬度失真；2 ns 的最大通道與通道之間的不匹配；高共模瞬態抑制能力：大于25 kV/μs。

選取RH_LVDS32 芯片，進行LVDS 差分信號和LVTTL 單端信號的轉換，選取100 Ω 電阻進行傳輸線阻抗匹配，接口電路信號轉換原理如圖3所示。

圖3 信號轉換原理圖

2 軟件設計

使用LabVIEW 平臺編程，軟件由FPGA 驅動程序和Windows 應用程序兩部分組成。FPGA 驅動程序由時序控制、數據采集和數據通信三部分組成；Windows 系統應用程序由數據通信、數據處理、磁盤管理和用戶界面四部分組成。軟件架構如圖4所示。

圖4 系統軟件架構圖

2.1 FPGA驅動程序設計

CMOS 相機按照時鐘、數據、門控三線協議輸出圖像，當門控為低且為時鐘上升沿時，CMOS 相機輸出圖像，圖像采集設備也在同樣條件下開始采集數據。CMOS 相機輸出圖像時序圖，如圖5所示。

圖5 CMOS相機輸出圖像時序圖

當圖像采集系統工作時，PXIe-7962R 和工控機以DMA 傳輸方式直接通過PXIe 總線交互數據。在實現DMA 傳輸數據前，CPU 要把總線控制權交給DMA 控制器，而在結束DMA 傳輸后，DMA 控制器應立即把總線控制權再交回給CPU，DMA 傳輸方式無需CPU 直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現場和恢復現場的過程，通過硬件為RAM 與I/O設備開辟了一條直接傳送數據的通路，提高了CPU的效率[14-15]，工作步驟如下：

1）DMA 請求

當圖像采集系統接收到采集數據指令后，PXIe-7962R 圖像采集卡中FPGA 的相應I/O 接口提出DMA 請求，CPU 對DMA 進行初始化操作，初始化后CPU 向I/O 接口發送控制指令。

2）DMA 響應

DMA 控制器首先對DMA 請求進行優先級及屏蔽的判斷，再向總線裁決邏輯單元提出請求。當CPU 執行完當前總線周期即可釋放總線控制權。此時，總線裁決邏輯輸出總線應答，表示DMA 已經響應，通過DMA 控制器通知I/O 接口開始DMA 傳輸。

3）DMA 傳輸

DMA 控制器獲得總線控制權后，CPU 立即掛起或只執行相應指令。DMA 控制器發送讀寫命令，直接控制RAM 與I/O 接口進行DMA 傳輸，FPGA 直接將高速FIFO 中的數據傳送進工控機的內存，傳送過程中不需要CPU 的參與。

4）DMA 結束

完成數據傳輸后，DMA 控制器立即釋放總線控制權，同時向I/O 接口發出結束指令。當I/O 接口收到結束指令后，立即停止I/O 設備的工作，并向CPU 提出中斷請求，使CPU 從不介入的狀態解脫，并執行一段檢查該次DMA 傳輸操作正確性的代碼。最后，帶著該次操作結果及狀態繼續執行原來的程序。

2.2 Windows系統應用程序設計

多任務是一種多個任務共享處理資源（如CPU）的方法。多任務實質是指操作系統在每個計算任務間快速切換，以致于看上去不同的應用似乎在同時執行多項操作。當CPU 時鐘頻率穩步提高時，不僅應用程序的運行速率可以更快，而且操作系統在應用間的切換速率也更快。一臺計算機可以同時發生多項操作，每項應用可以更快速地運行。將多任務的思想拓展到應用，將單個應用中的特定步驟進一步分解成一個個線程，每個線程可以并行運行。操作系統不僅在不同的應用任務間分配處理時間，而且在一項應用的每個線程間分配處理時間。圖像系統應用程序采用多線程設計，一個主線程、一個文件管理線程、一個人機交互線程，每個線程并行運行，提高了CPU 的利用效率和系統的可靠性。主線程和磁盤管理線程采用輪詢方式編寫，主線程不斷輪詢DMA 通道，從下位機讀取采集到的數據，經過緩沖后進行顯示和保存，應用程序設計框圖如圖6所示。

圖6 應用程序設計框圖

3 MTF算法設計

調制傳遞函數（MTF）是描述光學遙感系統對光學信號調制度的傳遞特征的函數。它實際上表示了空間相機在不同空間頻率下，對目標對比度的傳輸能力[16-17]。

CMOS 相機MTF 測試通常采用刃邊法，刃邊法在圖像上選擇具有一定反差的兩塊相鄰均勻亮暗物的直線邊界，通過測定成像系統對這一邊界的模糊情況來確定系統在各種空間頻率上的響應。

Nyqiust 頻率處MTF 的計算方法見式（1）：

式中，Imax為相鄰的一對亮暗條紋中的最大亮度；Imin為相鄰的一對亮暗條紋中的最小亮度。

以五線靶標為例，如圖7所示，5 根亮線的相鄰處有8 處，分別計算MTF（處數可選：1～8），找出其中最大的MTF，作為該組的MTF 值，共有10 組這樣的五線靶標，找出最大的MTF（組數可選：1～10），亮暗取多行平均（行數可選：1～100），10 組五線靶標，共9個間隔，軟件自動求出間隔。

圖7 MTF測試用五線靶標示意圖

假設當前需要計算的靶標圖像區域如圖8所示（亮暗為明暗條紋）。

圖8 五線靶標成像示意圖

對當前靶標圖像進行列平均，對得到的9 個DN值根據公式計算相鄰明暗條紋的傳函，得到8 組傳函值，再對得到的8 組傳函值進行平均，即可得到傳函的當前平均值。同理，下一時刻又可得到8 組傳函值，對于8 組傳函值中的每一組，取不同時刻的最大值，對取得的8 組最大值取平均即可得到傳函的平均最大值。詳細計算過程如下：

1）選定測試區域；

2）對列灰度進行平均，得到DN1～DN9；

3）相鄰灰度計算得到8 組MTF；

4）不同測量時刻得到不同的8 組MTF，對應列位置的MTF 取最大值。

示例如下：

T0 時刻得到：MTF1-0、MTF2-0、MTF3-0、MTF4-0、MTF5-0、MTF6-0、MTF7-0、MTF8-0；

T1 時刻得到：MTF1-1、MTF2-1、MTF3-1、MTF4-1、MTF5-1、MTF6-1、MTF7-1、MTF8-1；

…

最終結果：

MTF1=max（MTF1-0，MTF1-1…）

MTF2=max（MTF2-0，MTF2-1…）

…

MTF8=max（MTF8-0，MTF8-1…）

MTF=均值（MTF1，MTF2，MTF3，MTF4，MTF5，MTF6，MTF7，MTF8）

傳函區域最大值=max（MTF1，MTF2，MTF3，MTF4，MTF5，MTF6，MTF7，MTF8）

4 試驗和測試

使用圖像采集設備同時采集4 臺CMOS 相機輸出的圖像數據，系統工作時界面見圖9，由圖9可以看出，圖像采集系統實時采集和顯示四通道數據，圖像細節豐富。對圖像采集系統進行240 h 的老煉測試，無丟幀等異常現象，圖像采集系統工作正常，滿足使用要求。

圖9 圖像采集系統工作界面

5 結 論

基于LabVIEW 平臺設計了高速實時圖像采集顯示系統，極大地縮短了設計周期，降低了設計成本。與傳統圖像采集系統相比，該系統具有集成度高、通用性好和易于維護等特點。通過連接CMOS相機進行試驗表明，此系統可以實時采集和顯示四通道數據，最高可以采集120 Mb/s、8 bit 并行的圖像數據，并具有實時計算圖像MTF 等功能。基于LabVIEW 的虛擬儀器設計已經成為現代測控設備的一種解決方案，該解決方案可以運用到更多的測控設備上。