基于FPGA的紅外圖像實時采集系統

彭楠

(北京京北職業技術學院,影視技術系， 北京 101400)

0 引言

隨著紅外成像技術的不斷發展，其已經在許多領域得到成功應用，如：軍事探測、醫學診斷[1-3]。相對其它成像技術，紅外成像受環境影響小，探測距離遠等，因此紅外圖像處理成為圖像研究領域中的熱點[4]。

紅外圖像是紅外熱像儀根據物體的紅外輻射產生的圖像，在紅外成像過程中，紅外圖像采集十分關鍵，而且技術十分復雜，因此針對紅外圖像采集問題，國內外許多專家和學者進行了一定的研究，設計出許多性能優異的紅外圖像采集系統[5-7]。如基于PCI總線紅外圖像采集系統，通過主控模式對紅外圖像進行實時采集；基于SOPC的紅外圖像采集系統，將SOPC系統嵌入到紅外線列圖像的驅動和采集，并引入了人機交互機制；基于DSP的紅外圖像采集系統，采用DSP作為數據處理器的核心[8-10]，它們均有各自的優勢，同時也存在各自的不足，如紅外圖像采集實時性差、紅外圖像質量低等，難以滿足復雜環境的應用要求，而且會對后續的紅外圖像處理、識別等有不利影響[11]。

現場可編程邏輯門陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)可以通過編程方法實現芯片電路的連接，具有體積小、功耗低、便攜的特點[12]，因此為了獲得理想的紅外圖像采集效果，加快紅外圖像采集速度，本文提出了基于FPGA的紅外圖像采集系統，并通過具體的紅外圖像采集實驗分析其有效性和優越性。

1 基于FPGA的紅外圖像采集系統

1.1 紅外圖像采集系統的總體結構

紅外圖像采集是紅外圖像處理的基礎，因此要求紅外圖像采集系統的可靠性要高，需要具有一定的智能性和環境適應能力，再加上紅外圖像的采集和處理過程比較復雜，紅外圖像需要大量的儲存空間，因此紅外圖像采集的結構必須十分合理，綜合考慮紅外圖像采集的實際要求，建立如圖1所示的紅外圖像采集系統結構。

圖1 紅外圖像采集系統的結構

紅外圖像采集系統的核心部分為FPGA芯片，包括高速串行收發器、PCI Express集成模塊，這樣可以高速進行紅外圖像的采集和傳輸[12]。

紅外圖像采集系統通過紅外熱像儀進行圖像采集，然后將采集數據傳輸到信號采樣和模數轉換模塊，最后將轉換的紅外圖像通過PCI Express集發送到計算機，并通過顯示器實時顯示，同時將紅外圖像存儲起來。

1.2 模擬信號預處理以及模數轉換

因為計算機處理的是數字信號，紅外熱像儀輸出的信號為模擬信號，無法輸入到計算機進行處理，因此對紅外熱像儀輸出的信號進行采樣放大處理，并通過模數轉換將模擬信號轉換數字信號[13]。

1.3 FPGA邏輯設計

在實際應用中，紅外圖像采集實時性要求很高，FPGA可以對底層信號邏輯和時序進行合理設計，因此其是紅外圖像采集系統的核心，紅外熱像儀采集數據通過FPGA控制器發送到主機，其邏輯結構如圖2所示。

圖2 紅外圖像采集系統的FPGA邏輯結構

(1) FPGA的邏輯結構由紅外圖像傳輸、控制命令傳輸組成，紅外圖像采集系統進行數據傳輸時，首先通過總線傳輸至主機，并通過隨機存取存儲器將其保存起來，主機對系統采集卡進行控制，并通過基址寄存器實現控制。

(2) FPGA接收控制命令包括：命令和目的地址，主機采集數據時，可以將所采集數據根據時序將不同圖像格式存儲于隊列中，FPGA可以將中斷命令發送到主機，主機根據接收的中斷命令進行相應的操作，并實現紅外圖像存儲和顯示同步。

(3) FPGA控制命令由兩部分組成，分別為：計算機發送至紅外熱像儀命令和紅外熱像儀的相關命令。

(4) 狀態信息包括：紅外圖像的采集狀態和紅外熱像儀的狀態信息。紅外熱像儀狀態信息通過輸入模式得到，紅外圖像的采集狀態根據中斷指令獲得。

1.4 采集的紅外圖像相關處理

紅外圖像在采集過程，可能會受到噪聲干擾、外界條件的影響，得到的紅外圖像并不理想，如像素分布處理非均勻性現象，圖像清晰度不夠等，導致紅外圖像效果差。為了保證紅外圖像的質量，對原始紅外圖像進行一定的預處理，是紅外圖像采集系統包括的模塊。本文主要進行紅外圖像的非均勻性校正和雙邊濾波操作，以獲得理想的紅外圖像。

1.4.1 紅外圖像的非均勻性校正處理

紅外熱像儀作為一種性能好的紅外探測器，在一定溫度范圍內，紅外圖像采集系統所根據紅外熱像儀響應特性，可以建立如下的紅外熱像儀模型

xij(φ)=ηijφ+uij

(1)

式中，j=0,1,…,M-1，ηij表示像素(i,j)響應的增益系數,uij為像素(i,j)響應的偏移量,φ和xij(φ)分別為輻射通量以及相應的響應量化值[13]。

采用兩點校正法對紅外圖像進行非均勻校正，那么有

yij(φ)=Hijxij(φ)+Oij

(2)

式中，Hij與Oij分別為校正增益和偏移。

對于紅外熱像儀，陣列元件的溫度和輻照通量之間一種正態變化關系，在高溫TH、低溫TL環境下，可以計算不同陣列元件的輻射，根據校正增益和校正偏移進行紅外圖像的非均勻性校正。高溫條件下，紅外圖像的非均勻校正方式為

yH=Hijxij(φH)+Cij

(3)

低溫條件下，紅外圖像的非均勻校正方式如下：

yL=Hijxij(φL)+Cij

(4)

結合上述，可以得到：

(5)

(6)

根據不同陣列元的校正偏移和校正增益對紅外圖像采集系統的紅外熱像儀進行響應值進行校正，從而實現紅外圖像的非均勻校正，改善紅外圖像的質量。

1.4.2 雙邊濾波的紅外圖像預處理

紅外圖像增強技術分為硬件和軟件2部分，其中硬件增強技術的成本高，而軟件增強技術的成本低，更加靈活。紅外圖像軟件增強技術包括：均值濾波、高斯濾波，增強后的紅外圖像的邊緣會出現水波紋一樣的波動，影響紅外圖像的增強效果。為了彌補傳統濾波器的不足，本文采用雙邊濾波進行紅外圖像預處理，豐富紅外圖像的細節信息，提升紅外圖像對比度。雙邊濾波器包括：空間域濾波器和值域濾波器。輸入紅外圖像和輸出紅外圖像分別可以表示為f(x,y)和h(x)，空間域濾波器可以表示為[14-15]

(7)

式中，kd表示歸一化常數，c(ξ,x)表示像素點ξ與鄰域中心x之間的距離。

值域濾波器可以表示為

(8)

式中，(f(ξ),f(x))表示f(ξ)和f(x)之間亮度的相似度。

空間域濾波器和值域濾波器組合在一起，構成了雙邊濾波器，可以得到

(9)

(10)

綜合上述可知，雙邊濾波器考慮了空間域的平滑濾波和亮度相似度的權重，可以保留紅外圖像的邊緣。

2 紅外圖像采集系統性能的仿真測試分析

為測試基于FPGA的紅外圖像采集系統的有效性和優直性，在MATLAB 2017平臺上進行仿真實驗，在相同條件下，選擇基于DSP的紅外圖像采集系統、基于SOPC的紅外圖像采集系統進行對比測試，對系統性能進行定量和定性分析。

2.1 紅外圖像采集結果的定性分析

采用3種系統對不同范圍中的圖像進行采集效果，輸出的紅外圖像如圖3～圖5所示。對圖3的紅外圖像進行分析發現，對于在不同場景環境下，本系統均可以獲得理想的紅外圖像效果，具有較強的環境適應性，這是因為本文系統引入了雙邊濾波算法和非均勻性校正技術對紅外圖像進行了處理，使采集的紅外圖像更加完整、清晰，增加了紅外圖像的視覺效果，獲得理想的紅外圖像采集結果。而對比系統采集的紅外圖像缺陷十分明顯，如出現模糊、清晰度不夠等，對比實驗結果體現了本文系統的優越性。

(a) 簡單場景

(b) 復雜場景圖3 本文系統的紅外圖像采集結果

(a) 簡單場景

(b) 復雜場景圖4 DSP的紅外圖像采集結果

(a) 簡單場景

(b) 復雜場景圖5 SOPC系統的紅外圖像采集結果

2.2 紅外圖像采集結果的定量分析

為了更加全面的分析紅外圖像采集系統的性能，對實驗結果進行定量分析，采用紅外圖像傳輸速度、紅外圖像采集時間進行評價。

2.2.1 不同系統的采集紅外圖像傳輸速度對比

進行10次紅外圖像采集實驗，統計它們每次紅外圖像傳輸速度，采用傳輸的紅外圖像數量對傳輸速度進行描述，實驗結果如表1所示。對表1的實驗結果進行分析可以發現，本文系統每秒鐘傳輸的紅外圖像數量大約為20幅，而DSP系統每秒鐘傳輸的紅外圖像數量大約為17幅，SOP系統每秒鐘傳輸的紅外圖像數量大約為16幅，本文系統的紅外圖像傳輸數量明顯增多，提高了紅外圖像傳輸速度。

表1 不同系統的紅外圖像傳輸速度對比

2.2.2 不同系統的采集紅外圖像采集時間對比

同樣進行10次紅外圖像采集實驗，每次實驗，采集不同數量的紅外圖像，統計紅外圖像采集時間，結果如圖6所示。對圖6的圖像采集時間進行對比可知，本文系統采集紅外圖像的時間明顯減少，加快了紅外圖像采集速度，本文系統具有更好的紅外圖像采集實時性。

圖6 不同系統的紅外圖像采集時時間對比

3 總結

為了解決當前紅外圖像采集系統存在的不足，改善紅外圖像采集效果，設計了基于FPGA的紅外圖像采集系統，該系統首先對采集的紅外成像信號轉換，然后對采集的紅外圖像進行校正和去噪處理，最后保存和輸出紅外圖像，具體仿真測試結果表明，本文系統可以獲得理想的紅外圖像，紅外圖像采集實時性強，相對于其它紅外圖像采集系統，具有更加廣泛應用前景。