紅外圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)*

(海軍裝備部沈陽(yáng)軍事代表局 沈陽(yáng) 110031)

紅外圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)*

盛元平

(海軍裝備部沈陽(yáng)軍事代表局 沈陽(yáng) 110031)

論文主要以紅外焦平面圖像處理系統(tǒng)內(nèi)包含的圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊和圖像處理模塊為設(shè)計(jì)中心,并根據(jù)各模塊所要實(shí)現(xiàn)的具體功能提出實(shí)現(xiàn)方法。

圖像處理系統(tǒng);方案設(shè)計(jì)

ClassNumberTN97

1 引言

隨著圖像采集、圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展,采用紅外熱成像技術(shù)與圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)相結(jié)合的方式,利用最新的圖像處理技術(shù)對(duì)紅外熱成像系統(tǒng)的紅外圖像信號(hào)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和處理,不僅提高了系統(tǒng)工作性能,也大大地改善了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。本文就紅外成像、紅外探測(cè)器、紅外成像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)等,作進(jìn)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(qū)域(波長(zhǎng)3μm～5μm)或遠(yuǎn)紅外區(qū)域(波長(zhǎng)8μm～12μm)。通過(guò)探測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射,熱成像儀產(chǎn)生一個(gè)實(shí)時(shí)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(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷摹⑶逦膱D像。熱成像儀非常靈敏,能探測(cè)到小于0.1℃的溫差[2]。

工作時(shí),熱成像儀利用光學(xué)器件將場(chǎng)景中的物體發(fā)出的紅外能量聚焦在紅外探測(cè)器上,然后來(lái)自于每個(gè)探測(cè)器元件的紅外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的視頻格式,可以在標(biāo)準(zhǔn)的視頻監(jiān)視器上顯示出來(lái),或記錄在錄像帶上。由于熱成像系統(tǒng)探測(cè)的是熱而不是光,所以可全天候使用;又因?yàn)樗耆潜粍?dòng)式的裝置,沒(méi)有光輻射或射頻能量,所以不會(huì)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(shù)目更多、探測(cè)性能更好等特點(diǎn),也要兼顧優(yōu)秀的可靠性、更小的體積重量、更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、更低的成本等因素。

表1簡(jiǎn)要描述紅外焦平面陣列的類型;表2簡(jiǎn)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(lái)。

3 紅外探測(cè)器

紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于探測(cè)器的探測(cè)光譜的響應(yīng)范圍也會(huì)有影響,例如若光學(xué)窗口材料采用金屬鍺的話,可以使探測(cè)器能夠提高在8μm～20μm波段紅外光的透過(guò)率,而對(duì)其它波段的紅外輻射的透過(guò)率就要相對(duì)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(guó)ULIS公司研制開發(fā)的型號(hào)為UL03191微測(cè)輻射熱計(jì),其像元尺寸為384×288,由一個(gè)內(nèi)部集成的半導(dǎo)體制冷器和一個(gè)二維微測(cè)輻射熱計(jì)陣列(FPA)組成,光譜響應(yīng)波段8μm～14μm。UL03191型熱探測(cè)器的工作參數(shù)如表3所示。

表3 UL03191型熱探測(cè)器的工作參數(shù)表

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

表4 紅外探測(cè)器組件參數(shù)

4 紅外圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

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(duì)比度,相對(duì)都較低,不利于圖像內(nèi)目標(biāo)的提取和圖像的視覺觀察,隨著圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增加,圖像采集及處理技術(shù)也在不斷發(fā)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(shù),例如實(shí)時(shí)增強(qiáng)以及非均勻性校正等數(shù)據(jù)處理技術(shù),可以很大程度上改善紅外焦平面陣列輸出的圖像質(zhì)量。

對(duì)于圖像采集及處理系統(tǒng)而言,依據(jù)微處理器在不同平臺(tái)上完成的圖像采集及處理運(yùn)算,可以細(xì)分為三種形式:

1)采用計(jì)算機(jī)內(nèi)置圖像處理卡;

2)采用嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)的硬件平臺(tái);

3)采用DSP及FPGA的圖像采集處理系統(tǒng)。

三種方法的對(duì)比,如表5所示。

表5 圖像采集系統(tǒng)三種實(shí)現(xiàn)

近年來(lái),數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展迅速,開發(fā)環(huán)境不斷完善,這就使越來(lái)越多的人采用具有實(shí)時(shí)處理能力的DSP+FPGA設(shè)計(jì)的專用圖像采集及處理處理模塊。DSP芯片具有運(yùn)行速度快、尋址靈活、通信功能強(qiáng)大等特點(diǎn),用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層算法;FPGA芯片具有接口多、配置方便等特點(diǎn),可用來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)量速度要求高的低層算法。DSP+FPGA芯片同時(shí)使用不僅可以滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合,更具有升級(jí)能力強(qiáng),性能高的特點(diǎn),具有更強(qiáng)的適用性。

4.2 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)依據(jù)各模塊功能上的不同,可以區(qū)分為三個(gè)功能模塊,分別為圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊和圖像處理模塊。圖像采集模塊是用來(lái)產(chǎn)生數(shù)字化的紅外圖像信號(hào),是圖像預(yù)處理的前端和基礎(chǔ),圖像采集模塊將采集到的紅外圖像信息送至圖像預(yù)處理模塊進(jìn)行預(yù)處理;圖像預(yù)處理模塊依據(jù)事先設(shè)置的算法對(duì)圖像采集模塊送來(lái)的紅外圖像進(jìn)行處理;圖像處理模塊是依據(jù)預(yù)制的目標(biāo)識(shí)別算法對(duì)預(yù)處理后的紅外圖像信息進(jìn)行敏感信息提取,預(yù)處理和處理模塊功能上是相對(duì)獨(dú)立的。圖像處理系統(tǒng)如圖1所示[4]。

圖1 圖像處理系統(tǒng)

4.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊的主要技術(shù)指標(biāo)[5]:

1)圖像采集所需的時(shí)間。通常來(lái)說(shuō),圖像的采集過(guò)程包含兩個(gè)部分內(nèi)容,分別是模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸,圖像采集時(shí)間也就是這兩部分時(shí)間的疊加。采用高速的轉(zhuǎn)換芯片和接口方式可以有效地提高系統(tǒng)圖像采集效率,縮短圖像采集時(shí)間。TI和ADI公司都提供了高速的AD轉(zhuǎn)換芯片,此類芯片大多提供并口和SPI之類的數(shù)據(jù)傳輸接口方式。

2)圖像處理時(shí)間。系統(tǒng)的圖像處理時(shí)間是指從一副完成的紅外圖像采集完成到預(yù)處理,再到圖像處理結(jié)束所需要的時(shí)間。系統(tǒng)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(tǒng)的圖像處理時(shí)間,提高系統(tǒng)的工作性能。在圖像采集系統(tǒng)中,表現(xiàn)是多樣的,以生物識(shí)別系統(tǒng)為例,對(duì)一幅完整的圖像處理時(shí)間(通常是圖像特征值處理和比對(duì)時(shí)間之和)有十分嚴(yán)格的要求。

3)存儲(chǔ)容量。有些圖像采集處理系統(tǒng)需要存儲(chǔ)一定的圖像數(shù)據(jù),如數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等。在圖像采集系統(tǒng)中,表現(xiàn)是多樣的,以生物識(shí)別系統(tǒng)為例,能夠存儲(chǔ)大量生物體樣本特征值是個(gè)重要的指標(biāo)。

4)存儲(chǔ)空間。圖像采集處理器的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大,占用的數(shù)據(jù)空間達(dá)到幾兆。在所有圖像處理系統(tǒng)中,是否具有大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是一個(gè)非常重要的指標(biāo),不僅可以直接影響到整個(gè)系統(tǒng)圖像處理時(shí)間,也影響其圖像的處理效果。

5)系統(tǒng)全功耗。系統(tǒng)全功耗可分為工作電流和靜態(tài)電流兩個(gè)部分。工作電流是指系統(tǒng)在圖像采集、圖像處理等工作時(shí)所消耗的電流。靜態(tài)電流是指系統(tǒng)在沒(méi)有進(jìn)行圖像處理相關(guān)工作狀態(tài)下,即待機(jī)狀態(tài)下的電流。在大多數(shù)場(chǎng)合中,系統(tǒng)的大部分時(shí)間都處于待機(jī)的狀態(tài),因此靜態(tài)電流更具有參考意義。

4.4 圖像采集模塊電路設(shè)計(jì)

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(hào)處理電路組成,其主要實(shí)現(xiàn)的功能是將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬電平信號(hào),再經(jīng)過(guò)圖像處理電路將模擬電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用于圖像處理算法的數(shù)字圖像信號(hào),在傳輸給圖像預(yù)處理、處理模塊進(jìn)行數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的處理、傳輸以及顯示等。對(duì)于非制冷型紅外焦平面陣列來(lái)說(shuō),還需對(duì)溫度控制單元進(jìn)行設(shè)計(jì),來(lái)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(gè)部分,其中電壓偏置電路是用于產(chǎn)生偏置電壓,電壓匹配是用于比較電壓,而驅(qū)動(dòng)電路是用于對(duì)焦平面陣列的驅(qū)動(dòng)控制,溫度檢測(cè)和控制電路是用來(lái)控制焦平面熱敏單元的基準(zhǔn)溫度。

在設(shè)計(jì)紅外焦平面陣列的外圍電路時(shí),應(yīng)注意偏執(zhí)電壓電路的設(shè)計(jì),應(yīng)保證結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定等特點(diǎn),其紋波不應(yīng)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(zhǔn)電源芯片的可調(diào)偏置電壓應(yīng)滿足0.65V～5V,精密電位器的可調(diào)偏置電壓應(yīng)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(guò)控制TEC+、TEC-這兩個(gè)控制端口的電流方向,來(lái)達(dá)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(shè)計(jì)

將紅外光輻射信息轉(zhuǎn)換紅外數(shù)字圖像信號(hào)是圖像采集模塊所要具備的基本功能。首先,熱探測(cè)器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為的數(shù)字圖像信號(hào)。這一過(guò)程包括信號(hào)的獲取及處理兩個(gè)步驟。系統(tǒng)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(hào)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(chǎn)品,因此不在本設(shè)計(jì)方案涉及范圍之內(nèi)。需要研制開發(fā)的是圖像信號(hào)處理電路和溫度控制單元部分。溫度控制單元只是針對(duì)非制冷型紅外探測(cè)器,制冷型紅外探測(cè)器包含制冷系統(tǒng),可通過(guò)探測(cè)器自身的溫度調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)焦平面陣列基準(zhǔn)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(tài)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(zhì)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(wěn)定、高效工作的保證,因此,為非制冷型紅外焦平面陣列設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的溫度控制單元是設(shè)計(jì)非制冷型紅外焦平面圖像處理系統(tǒng)關(guān)鍵。

2)圖像信號(hào)處理電路。圖像信號(hào)處理電路是輔助處理電路,不形成單獨(dú)功能,主要為消除圖像噪聲、增強(qiáng)圖像信號(hào)。通常的圖像信號(hào)處理方法有開關(guān)指數(shù)濾波法和相關(guān)雙采樣法兩種。

開關(guān)指數(shù)型濾波器中RC常數(shù)相對(duì)居中,既有雙斜積分法的特點(diǎn),也包含相關(guān)雙采樣的特點(diǎn),可以允許同時(shí)有兩個(gè)不同的截止頻率。

相關(guān)雙采樣電路中RC常數(shù)相對(duì)較小,可以使其具有信號(hào)提取速度快的特點(diǎn),可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電平的跳變。

紅外焦平面輸出信號(hào)受抑制紅外焦平面電壓偏置電路波動(dòng)的影響,信號(hào)處理電路采用相關(guān)雙采樣信號(hào)處理方法。對(duì)于電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),相關(guān)雙采樣電路和放大器等器件可以集成,從而使信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化,使系統(tǒng)可靠性得到提高。

4.6 圖像預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)

圖像預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)也可以采用專用集成電路(ASIC)、DSP處理器以及FPGA等幾種設(shè)計(jì)方案。圖像預(yù)處理模塊一般來(lái)說(shuō)只包含低層處理算法,這種算法的運(yùn)算量巨大,對(duì)處理速度的要求相對(duì)較高,但其算法運(yùn)算結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,因此可以采用FPGA芯片設(shè)計(jì)專用的處理單元來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)處理模塊的功能[7]。

采用FPGA作為圖像預(yù)處理模塊的工作平臺(tái),采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)非均勻性校正、盲點(diǎn)替代以及圖像增強(qiáng)相關(guān)算法等運(yùn)算數(shù)據(jù)量大、算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的紅外圖像預(yù)處理算法,是非常適合的。

4.7 圖像處理模塊的設(shè)計(jì)

圖像處理模塊是用來(lái)統(tǒng)一管理和控制紅外圖像信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和紅外圖像預(yù)處理模塊的,并可接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令,不僅實(shí)現(xiàn)圖像采集模塊和圖像預(yù)處理模塊的控制,還要實(shí)現(xiàn)基于預(yù)置目標(biāo)識(shí)別算法的敏感目標(biāo)提取的功能。圖像處理模塊可采用以下四種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]:

1)基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案。單片機(jī)具有功耗低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便等特點(diǎn),但其外圍電路相對(duì)較多,硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單片機(jī)不能自行完成對(duì)紅外焦平面陣列的驅(qū)動(dòng),需要借助專用的集成芯片來(lái)完成,圖像數(shù)據(jù)的傳輸和顯示等功能也需要占用大量的單片機(jī)資源。

2)基于DSP芯片的設(shè)計(jì)方案。DSP芯片具有運(yùn)行頻率高、數(shù)據(jù)處理速度快、集成度高等特點(diǎn),其外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單,由于芯片自身特點(diǎn),針對(duì)目標(biāo)識(shí)別等圖像處理算法具有很強(qiáng)的適用性,可以滿足高速圖像數(shù)據(jù)處理的要求[9]。

3)基于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。嵌入式系統(tǒng)具有適用范圍廣,具有成熟的模塊,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),可在線編程、在線仿真、開發(fā)環(huán)境友好等特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)紅外焦平面陣列的工作原理以及其工作特點(diǎn),提出了圖像采集處理系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能和主要技術(shù)指標(biāo),用以確定所要遵循的設(shè)計(jì)原則和技術(shù)要求,并詳細(xì)分析了幾種主要的圖像采集方法,在此基礎(chǔ)上提出了采用現(xiàn)場(chǎng)可編程的紅外焦平面圖像處理系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)方案[10]。

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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(jí)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