V ol. 25 N o. 5
2003年9月Infr ar ed T echnolog y Sep. 2003
红外图像实时处理系统设计
毛玉星
1, 2
X
, 胡 旭
2
(1. 重庆大学电气工程学院, 重庆400044; 2. 重庆大学通信与测控研究所, 重庆400044)
摘要: 随着非制冷焦平面阵列(U FPA) 红外探测器的日益成熟, 热成像技术越来越广泛应用于公安、消防、军事、医学、监控等领域, 各具特色的热像仪应运而生。系统采用法国SOFRADIR 320@240探测器芯片, 与FPGA 、高速DSP 和现代图像处理技术相结合构成实时红外成像及处理系统。对系统涉及的关键技术和实现方法进行了分析, 对图像滤波、直方图均衡和伪彩色编码等算法进行了详细描述。关键词: 图像处理; 直方图均衡; 伪彩色编码
中图分类号:TN216 文献标识码:A 文章编号:1001-8891(2003) 05-0050-04
步、消隐信号和位时钟) 和相应的VRAM 读出信号。帧存中的数据进入FPGA, 进行实时伪彩色编码, 得到R 、G 、B 三路各十位数字信号, 连同控制时序送到编码
芯片合成视频信号输出到监视器。
引言
随着非制冷焦平面阵列(U FPA) 红外探测器的日益成熟, 热成像技术越来越广泛应用于公安、消防、军事、医学、监控等领域, 各具特色的热像仪应运而生。红外探测器敏感接受的辐射能量取决于物体温度、辐射系数、视场角等因素, 因而红外图像即为温度图像。由于影响红外成像的因素较多, 图像的视觉质量无法同可见光图像相比, 便加重了其后续处理负担。为了实现实时处理, 通常需要FPGA 及高速DSP 配合完成。
1 系统构成
图1是系统功能框图。UFPA 采用SOFRADIR 320@240红外探测器, 波长范围为8~12L m 。驱动时序由FPGA 产生, 专用温控芯片H Y5650提供恒温控制。UFPA 输出的模拟电信号经放大1~2倍后送14位A/D 转换器变成数字信号, 由FPGA 根据各点的乘、加校正系数进行非均匀校正, 然后送到行缓冲存储器, 并向DSP 申请中断。行存映射到DSP 的外部程序存储器区域, 在行消隐期读入内部程序存储区, 在下一个行消隐到来之前完成滤波运算和灰度统计。传送完一帧数据后, 由FPGA 在场消隐到来时申请中断。DSP 在场消隐期根据该帧图像得到灰度直方图, 由均衡算法计算出灰度查找表, 然后对帧存中的图像数据进行查表变换, 并送入VRAM 显示存储器。VRAM 映射到DSP 的外部程序存储器区域, 同时也可以由FPGA 访问。在显示期, FPGA 产生视频控制时序(同
X
图1 红外图像处理系统功能框图Fig. 1 Block diagram of syst ion
2 硬件设计
系统采用FPGA -DSP 结构, 图2是主控板的硬件结构框图。
FPGA 是系统的主控中心, 而DSP 为数据处理中心。前端信号包含由FPGA 产生的探测器所需标准时序、A/D 时钟以及来自前端板的数字信号、温度传感器得到的脉宽信号等。FLASH/SRAM 校正系数存储器组包含FLASH 存储器和二片SRAM 。FLASH 用于存两点校正系数, 二片SRAM 分别用于存放一点校正系数和临时两点校正系数。
收稿日期:2002-04-02
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2003年9月Sep. 2003
存储器设计是DSP 应用开发的重要环节。系统中16k 内部ROM 位于程序存储器第0页, COOOh -FFFFh 区域, 存放系统BOOTLOADER 等程序, 在系
统复位后运行, 采用并行I/O 方式将位于数据存储器区8000h -FFFFh 的外部EEPROM 程序装载到内部RAM 中高速运行。而128k 内部RAM 包含64kDARAM 和64kSARAM, 其中32kDARAM 映射到数据存储器0000-7fff 区, 用于DSP 的工作缓存, 灰度统计表、灰度查找表和部分内部帧存; 另外32kDARAM 映射到程序存储器18000-18fff 区, 存放DSP 的代码, 用于高速执行程序。剩下的64kSARAM
图2 红外图像处理系统主控板硬件结构框图
Fig. 2 Infrared image ptoccessing boar d
映射到程序存储器28000-28fff 及38000-38fff, 作内部帧存之用。
设计中的另一关键要求是数据处理必须在规定时间内完成。采用6. 25M 的时钟, 320@240分辨率, 可以算出行处理时间为:64-(320/6. 25) =12. 8L s, 帧处理时间为:20-240@64/1000=4. 64ms, 为此必须对算法进行优化。系统中存在浮点运算, 通过充分利用两个40位的累加器转为定点运算, 可在精度满足要求的情况下大大提高处理效率, 达到了时间要求。
2. 1 FPGA 设计
FPGA 是该系统的核心控制部件。由于HDL 语言的特殊功能, 使硬件电路的软化设计成为可能, 利于系统的一次性成功调试和功能扩展。由于系统时序非常复杂, 引脚需要量大, 采用484脚BGA 封装的FP -GA 芯片。FPGA 内部部件以25M 时钟频率工作, 主要功能如下:
1) 内设控制寄存器, 接收DSP 写入的工作方式控制字, 决定当前工作模式。
2) 非均匀校正系数计算, 其中两点校正在FPGA 控制下由DSP 完成, 一点校正由FPGA 自身完成。
3) 总线分配, 根据工作模式产生控制信号, 实现各存储器的片选, 地址产生, DSP 映射空间和存储器物理空间的地址变换和数据线切换。
4) 温度传感器数据获取, 将脉宽信号变换为温度数据, 用于计算一点校正系数, 并产生DSP 多通道缓冲串行口所需的标准时序, 将温度信息传给DSP 。
5) 产生各种逻辑时序, 包括探测器正常工作所需的场复位(RESET ) 、行积分(INT ) 和主时钟(MAS -TERCLOCK) ; 产生各存储器的读写信号; 产生视频编码的复合同步(SYBC) 和消隐信号(BLANK) 。
6) 图像数据锁存, 读校正系数并完成校正计算, 然后写入行存储器。
7) 接收VRAM 数据, 实现伪彩色编码。
8) 接收外部按键, 产生相应控制信号, 实现与DSP 与USB 的接口。2. 2 DSP 程序设计
DSP 完成数据处理和部分控制功能。在综合分析了系统的处理需求后, 选用了TI 公司的T MS320C5416DSP 芯片为处理器。
3 算法实现
在红外探测器的成像与处理过程中, 需要进行非均匀校正、死点判别与恢复、图像滤波去噪声干扰、直方图均衡和伪彩色编码等算法处理。在一定的温度区域内, 探测器的输出电压与目标温度具有近似的线性关系, 但由于各探测点特性有区别, 需要对采集到的值V 变换后输出:V c =G c V +O c 。计算并记录各点的G c 和O c 即是非均匀校正, 包括一点校正和两点校正。两点校正在系统调试过程中由DSP 与FPGA 配合完成, 将校正系数写入FLASH 中; 一点校正系数写入SRAM 中, 可人为控制或根据探测器环境温度自动判别触发。死点可根据G c 值进行判别, 利用阵列中所有G c 求得均值G m c 和标准差R c , 考察第n 个像素的G n c , 若G n c >G m c +3*R c 或G n c
图像滤波是非制冷红外热成像组件的重要环节。由于随机噪声的干扰致使图像质量下降, 而滤波是一种行之有效的消噪方法。噪声在时间域和空间域都呈随机分布, 相应可采用时间域和空间域滤波方法。时
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域滤波适合于相对静止的图像, 空域滤波则适合于相对平滑的图像, 否则会丢失细节信息。
图像滤波的本质是将原始图像数据变换到频率域, 再根据需要对某些频带进行抑制或提升, 尽可能在不影响图像自身信息的情况下, 使噪声受到抑制。然而通常噪声频谱与有用的图像信息频谱分布会有重叠, 抑制噪声自然会使图像本身受损。研究图像滤波, 其目的就是选用合适的变换, 使变换域内图像与噪声得到分离, 抑制噪声频谱, 再将图像复原, 从而改善图像质量。图像滤波的方法有多种, 各有优劣, 如FIR 、中值滤波、多帧叠加、基于小波变换的滤波方法等。
本系统为保证实时成像和DSP 的处理能力, 采用多帧叠加方式, 其本质是一种时间域的低通滤波。加性随机白噪声是本成像系统的主要干扰源, 其能量在频域内均匀分布, 而图像数据主要分布在低频段内。低通滤波可以限制噪声能量, 同时减少图像能量的损失。为实时显示, 采用迭代形式:
Y d =B X n +(1-B ) Y n-1 B I (0, 1) 式中:X n 为第n 帧输入图像, Y n 为第n 帧输出图像, B 为系数。B 越小, 则关联帧数越多。通常在图像随时间变化剧烈时B 应取较大的值, 为此可以根据两帧图像的均方差自适应调整B 值。图像滤波还必须考虑算法的实时性。DSP 在内部RAM 中有行缓存和帧存储器, 在每个行消隐期间采集完一行数据后, 可利用内部帧存中的Y n -1, 计算当前行的Y n 并替换内部帧存中的相应行。当场中断到来后, 本帧的Y n 已计算完毕, 可进行其它处理及显示。3. 2 直方图均衡
直方图均衡是为了解决红外图像灰度分布集中, 对比度低的一种图像处理算法, 典型有HE 、H P 、PE 及各种线性拉伸算法。HE 是一种非线性拉伸算法, 该算法以灰度统计为基础, 重新构成灰度查找表。系统采用HE 算法:
设原灰度值为a, a +1, , , a +M -1, 变换后为b, b +1, , , b +N -1, 首先统计灰度分布。设f k 为一帧图像中灰度值为k 的像素数, k I {a, a +1, , , a +M -1}, 现计算灰度变换值g l g l =b +
E a f k l I {a, a +1, , , a +M -1}D k=
l
声, 因此适用于消噪后的图像。
系统在DSP 内部RAM 中开辟灰度统计表(f k ) 和灰度查找表(g l ) 。在行消隐期计算该行的灰度统计
值, 当场中断到来时, f k 已计算完毕, DSP 先计算并填写灰度查找表, 将原灰度值查表变换后送往VRAM 显示。
3. 3 伪彩色编码
红外探测器输出的是灰度图像, 而且对比度较低。在许多应用领域要求加强某些特定区域的温差分辨能力, 比如医学上非常关心30e 左右的温度变化。由于人眼视觉上对彩色图像更敏感, 为观察方便需要对图像作伪彩色编码变换。针对实际应用的不同, 伪彩色编码方法有各有特色, 实现方法也有构造彩色查找表和函数变换之分, 但通常是低温区对应蓝色, 高温区对应红色。
系统采用函数变换实现伪彩编码, R 、G 、B 各8位输出。设灰度变化范围为b, b +1, , , b +N -1, 为了实现实时运算, 采用线性变换方式:
R =255*(x -b) /(N -1)
B
=255*(1-(x -b) /(N -1) ) 255*(x -b ) /(N /2) , 当b F x F b +N /2
255*(1-(x -b -N /2) /(N /2) ) , 当b +N /2+1F x F b +N -1
G =
在图像显示期间, FPGA 向VRAM 帧存发出地址和读信号, 再从VRAM 读入灰度数据, 依据上面的变换关系得到R 、G 、B 值, 同时FPGA 的内部逻辑还产生相应的同步、消隐和时钟信号, 送到视频编码芯片, 合成彩色视频信号供监视器显示。
4 结束语
系统利用FPGA 设计灵活和DSP 处理快速的优势, 遵循实时图像处理系统的时序特征, 简化电路设计, 优化算法, 工作效率高。系统工作稳定, 图像质量好, 具有很强的应用价值。
参 考 文 献
[1] 顾东升. 一种基于DSP+FPGA 技术的实时红外图像直方图均衡
器[J]. 红外技术, 2002. 24(3) :15~19.
式中:D 为每帧图像的像素总数, g l 构成灰度查找表, 表示原灰度值为l 的像素的变换值。该算法的策略是将灰度分布集中的像素扩展到更多的灰度级上, 同时压缩数量少的像素, 增强了图像的对比度。当然, 这种方法也会提升分布于红外图像背景上的大量散粒噪
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毛玉星等:红外图像实时处理系统设计
2003年9月Sep. 2003
[2] 戴明桢, 周建江. TMS320C 54x DSP 结构原理及应用[M ]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2001. [3] 杨必武. 基于直方图非线性拉伸的红外图像增强新算法[J]. 红外与激光工程, 2003. 32(1):1~3. [4] 陈锐. 红外图像非均匀性校正方法综述J]. 红外技术, 2002. 24(1) :1~3. [5] 黄贤武. 数字图像处理与压缩编码技术[M ]. 成都:电子科技大学出版社, 2000.
[6] 李武森. 高速DSP 图像处理系统中模拟视频输出接口电路设计[J]. 红外技术, 2002. 24(1) :14~16. [7] 吴颖谦. 基于小波变换的低对比度图像增强J]. 红外与激光工程, 2003. 32(1) :4~7.
作者简介: 毛玉星, 男, 1967年生。现为重庆大学电气工程学院讲师, 长期从事单片机及DSP 开发工作。目前为重庆大学通信工程学院在读博士生, 主攻图像处理方向。
The Design of Rea-l Time Processing System of Infrared Image
MAO Yu -xing 1, 2, HU Xu 2
(1. College of Electr ical Engineer ing, Chongqing Univcer sity , Chongqing 400044, China ;
2. I nsititute of Communication &T racking T elemetry Command of Chongqing Univer sity , China Chongqing 400044, China)
Abstract: As more mature the uncooled infrared focal plane array detector is, the technology of thermal image is w idely used in the fields of public security, fire fighting, military affairs, medical science, surveillance system and so on. More and more thermographs w ith their ow n characteristics are occurred. Rea -l T ime Processing System of In -frared Image is designed in this system w ith the SOFRADIR 320@240infrared detector is used while FPGA, high speed DSP and modern image processing technology are adopted. The key technology and main methods the system
hav ing concern w ith are analyzed as w ell as the algorithm of image filter, histog ram equalization and pseudo -color en -coding are described.
Key words: image processing, histogram equalization, pseudo -color encoding (上接第49页)
参 考 文 献
[1] 刘景生. 红外物理[M ]. 北京:兵器工业出版社, 1992.
[2] (乌克兰) B(T(科洛勃罗多夫. 红外热成像[M ]. 八三五八所译, 1994. 10. [3] 孙再龙等译. 红外与光电系统手册[M ]. 八三五八所译, 1999.
作者简介: 路远, 男, 1971年生, 安徽萧县人。电子工程学院博士生, 主要从事光电对抗与空间电子对抗研究。
The Simple Method to Calculate the Atmosphere
Transmittance of Infrared Radiation
LU Yuan, LING Yong -shun
(Resear ch D epar tment, Electr onic Engineering I nstitute, H ef ei 230037, China)
Abstract: The physical reasons of attenuation w hen the infrared radiation transmits in the atmosphere w ere intro -duced. The methods to calculate the spectrum transmittance w ere studied. According to the ex perimental data, the absorption coefficients of H 2O and CO 2were calculated. T he relationship of H 2O absorption coefficient with the atmo -sphere temperature and relative hum idity were deduced. The method to calculate the atmosphere transmittance was offered under certain meteorological condition. An example to calculate the spectrum transm ittance ranged from 0. 3L m to 13. 9L m w as given. The method is valuable in engineering application.
Key words: infrared radiation; atmosphere transmittance; absorption coefficient
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红外图像实时处理系统设计
毛玉星
1, 2
X
, 胡 旭
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(1. 重庆大学电气工程学院, 重庆400044; 2. 重庆大学通信与测控研究所, 重庆400044)
摘要: 随着非制冷焦平面阵列(U FPA) 红外探测器的日益成熟, 热成像技术越来越广泛应用于公安、消防、军事、医学、监控等领域, 各具特色的热像仪应运而生。系统采用法国SOFRADIR 320@240探测器芯片, 与FPGA 、高速DSP 和现代图像处理技术相结合构成实时红外成像及处理系统。对系统涉及的关键技术和实现方法进行了分析, 对图像滤波、直方图均衡和伪彩色编码等算法进行了详细描述。关键词: 图像处理; 直方图均衡; 伪彩色编码
中图分类号:TN216 文献标识码:A 文章编号:1001-8891(2003) 05-0050-04
步、消隐信号和位时钟) 和相应的VRAM 读出信号。帧存中的数据进入FPGA, 进行实时伪彩色编码, 得到R 、G 、B 三路各十位数字信号, 连同控制时序送到编码
芯片合成视频信号输出到监视器。
引言
随着非制冷焦平面阵列(U FPA) 红外探测器的日益成熟, 热成像技术越来越广泛应用于公安、消防、军事、医学、监控等领域, 各具特色的热像仪应运而生。红外探测器敏感接受的辐射能量取决于物体温度、辐射系数、视场角等因素, 因而红外图像即为温度图像。由于影响红外成像的因素较多, 图像的视觉质量无法同可见光图像相比, 便加重了其后续处理负担。为了实现实时处理, 通常需要FPGA 及高速DSP 配合完成。
1 系统构成
图1是系统功能框图。UFPA 采用SOFRADIR 320@240红外探测器, 波长范围为8~12L m 。驱动时序由FPGA 产生, 专用温控芯片H Y5650提供恒温控制。UFPA 输出的模拟电信号经放大1~2倍后送14位A/D 转换器变成数字信号, 由FPGA 根据各点的乘、加校正系数进行非均匀校正, 然后送到行缓冲存储器, 并向DSP 申请中断。行存映射到DSP 的外部程序存储器区域, 在行消隐期读入内部程序存储区, 在下一个行消隐到来之前完成滤波运算和灰度统计。传送完一帧数据后, 由FPGA 在场消隐到来时申请中断。DSP 在场消隐期根据该帧图像得到灰度直方图, 由均衡算法计算出灰度查找表, 然后对帧存中的图像数据进行查表变换, 并送入VRAM 显示存储器。VRAM 映射到DSP 的外部程序存储器区域, 同时也可以由FPGA 访问。在显示期, FPGA 产生视频控制时序(同
X
图1 红外图像处理系统功能框图Fig. 1 Block diagram of syst ion
2 硬件设计
系统采用FPGA -DSP 结构, 图2是主控板的硬件结构框图。
FPGA 是系统的主控中心, 而DSP 为数据处理中心。前端信号包含由FPGA 产生的探测器所需标准时序、A/D 时钟以及来自前端板的数字信号、温度传感器得到的脉宽信号等。FLASH/SRAM 校正系数存储器组包含FLASH 存储器和二片SRAM 。FLASH 用于存两点校正系数, 二片SRAM 分别用于存放一点校正系数和临时两点校正系数。
收稿日期:2002-04-02
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毛玉星等:红外图像实时处理系统设计
2003年9月Sep. 2003
存储器设计是DSP 应用开发的重要环节。系统中16k 内部ROM 位于程序存储器第0页, COOOh -FFFFh 区域, 存放系统BOOTLOADER 等程序, 在系
统复位后运行, 采用并行I/O 方式将位于数据存储器区8000h -FFFFh 的外部EEPROM 程序装载到内部RAM 中高速运行。而128k 内部RAM 包含64kDARAM 和64kSARAM, 其中32kDARAM 映射到数据存储器0000-7fff 区, 用于DSP 的工作缓存, 灰度统计表、灰度查找表和部分内部帧存; 另外32kDARAM 映射到程序存储器18000-18fff 区, 存放DSP 的代码, 用于高速执行程序。剩下的64kSARAM
图2 红外图像处理系统主控板硬件结构框图
Fig. 2 Infrared image ptoccessing boar d
映射到程序存储器28000-28fff 及38000-38fff, 作内部帧存之用。
设计中的另一关键要求是数据处理必须在规定时间内完成。采用6. 25M 的时钟, 320@240分辨率, 可以算出行处理时间为:64-(320/6. 25) =12. 8L s, 帧处理时间为:20-240@64/1000=4. 64ms, 为此必须对算法进行优化。系统中存在浮点运算, 通过充分利用两个40位的累加器转为定点运算, 可在精度满足要求的情况下大大提高处理效率, 达到了时间要求。
2. 1 FPGA 设计
FPGA 是该系统的核心控制部件。由于HDL 语言的特殊功能, 使硬件电路的软化设计成为可能, 利于系统的一次性成功调试和功能扩展。由于系统时序非常复杂, 引脚需要量大, 采用484脚BGA 封装的FP -GA 芯片。FPGA 内部部件以25M 时钟频率工作, 主要功能如下:
1) 内设控制寄存器, 接收DSP 写入的工作方式控制字, 决定当前工作模式。
2) 非均匀校正系数计算, 其中两点校正在FPGA 控制下由DSP 完成, 一点校正由FPGA 自身完成。
3) 总线分配, 根据工作模式产生控制信号, 实现各存储器的片选, 地址产生, DSP 映射空间和存储器物理空间的地址变换和数据线切换。
4) 温度传感器数据获取, 将脉宽信号变换为温度数据, 用于计算一点校正系数, 并产生DSP 多通道缓冲串行口所需的标准时序, 将温度信息传给DSP 。
5) 产生各种逻辑时序, 包括探测器正常工作所需的场复位(RESET ) 、行积分(INT ) 和主时钟(MAS -TERCLOCK) ; 产生各存储器的读写信号; 产生视频编码的复合同步(SYBC) 和消隐信号(BLANK) 。
6) 图像数据锁存, 读校正系数并完成校正计算, 然后写入行存储器。
7) 接收VRAM 数据, 实现伪彩色编码。
8) 接收外部按键, 产生相应控制信号, 实现与DSP 与USB 的接口。2. 2 DSP 程序设计
DSP 完成数据处理和部分控制功能。在综合分析了系统的处理需求后, 选用了TI 公司的T MS320C5416DSP 芯片为处理器。
3 算法实现
在红外探测器的成像与处理过程中, 需要进行非均匀校正、死点判别与恢复、图像滤波去噪声干扰、直方图均衡和伪彩色编码等算法处理。在一定的温度区域内, 探测器的输出电压与目标温度具有近似的线性关系, 但由于各探测点特性有区别, 需要对采集到的值V 变换后输出:V c =G c V +O c 。计算并记录各点的G c 和O c 即是非均匀校正, 包括一点校正和两点校正。两点校正在系统调试过程中由DSP 与FPGA 配合完成, 将校正系数写入FLASH 中; 一点校正系数写入SRAM 中, 可人为控制或根据探测器环境温度自动判别触发。死点可根据G c 值进行判别, 利用阵列中所有G c 求得均值G m c 和标准差R c , 考察第n 个像素的G n c , 若G n c >G m c +3*R c 或G n c
图像滤波是非制冷红外热成像组件的重要环节。由于随机噪声的干扰致使图像质量下降, 而滤波是一种行之有效的消噪方法。噪声在时间域和空间域都呈随机分布, 相应可采用时间域和空间域滤波方法。时
V ol. 25 N o. 5
2003年9月Infr ar ed T echnolog y Sep. 2003
域滤波适合于相对静止的图像, 空域滤波则适合于相对平滑的图像, 否则会丢失细节信息。
图像滤波的本质是将原始图像数据变换到频率域, 再根据需要对某些频带进行抑制或提升, 尽可能在不影响图像自身信息的情况下, 使噪声受到抑制。然而通常噪声频谱与有用的图像信息频谱分布会有重叠, 抑制噪声自然会使图像本身受损。研究图像滤波, 其目的就是选用合适的变换, 使变换域内图像与噪声得到分离, 抑制噪声频谱, 再将图像复原, 从而改善图像质量。图像滤波的方法有多种, 各有优劣, 如FIR 、中值滤波、多帧叠加、基于小波变换的滤波方法等。
本系统为保证实时成像和DSP 的处理能力, 采用多帧叠加方式, 其本质是一种时间域的低通滤波。加性随机白噪声是本成像系统的主要干扰源, 其能量在频域内均匀分布, 而图像数据主要分布在低频段内。低通滤波可以限制噪声能量, 同时减少图像能量的损失。为实时显示, 采用迭代形式:
Y d =B X n +(1-B ) Y n-1 B I (0, 1) 式中:X n 为第n 帧输入图像, Y n 为第n 帧输出图像, B 为系数。B 越小, 则关联帧数越多。通常在图像随时间变化剧烈时B 应取较大的值, 为此可以根据两帧图像的均方差自适应调整B 值。图像滤波还必须考虑算法的实时性。DSP 在内部RAM 中有行缓存和帧存储器, 在每个行消隐期间采集完一行数据后, 可利用内部帧存中的Y n -1, 计算当前行的Y n 并替换内部帧存中的相应行。当场中断到来后, 本帧的Y n 已计算完毕, 可进行其它处理及显示。3. 2 直方图均衡
直方图均衡是为了解决红外图像灰度分布集中, 对比度低的一种图像处理算法, 典型有HE 、H P 、PE 及各种线性拉伸算法。HE 是一种非线性拉伸算法, 该算法以灰度统计为基础, 重新构成灰度查找表。系统采用HE 算法:
设原灰度值为a, a +1, , , a +M -1, 变换后为b, b +1, , , b +N -1, 首先统计灰度分布。设f k 为一帧图像中灰度值为k 的像素数, k I {a, a +1, , , a +M -1}, 现计算灰度变换值g l g l =b +
E a f k l I {a, a +1, , , a +M -1}D k=
l
声, 因此适用于消噪后的图像。
系统在DSP 内部RAM 中开辟灰度统计表(f k ) 和灰度查找表(g l ) 。在行消隐期计算该行的灰度统计
值, 当场中断到来时, f k 已计算完毕, DSP 先计算并填写灰度查找表, 将原灰度值查表变换后送往VRAM 显示。
3. 3 伪彩色编码
红外探测器输出的是灰度图像, 而且对比度较低。在许多应用领域要求加强某些特定区域的温差分辨能力, 比如医学上非常关心30e 左右的温度变化。由于人眼视觉上对彩色图像更敏感, 为观察方便需要对图像作伪彩色编码变换。针对实际应用的不同, 伪彩色编码方法有各有特色, 实现方法也有构造彩色查找表和函数变换之分, 但通常是低温区对应蓝色, 高温区对应红色。
系统采用函数变换实现伪彩编码, R 、G 、B 各8位输出。设灰度变化范围为b, b +1, , , b +N -1, 为了实现实时运算, 采用线性变换方式:
R =255*(x -b) /(N -1)
B
=255*(1-(x -b) /(N -1) ) 255*(x -b ) /(N /2) , 当b F x F b +N /2
255*(1-(x -b -N /2) /(N /2) ) , 当b +N /2+1F x F b +N -1
G =
在图像显示期间, FPGA 向VRAM 帧存发出地址和读信号, 再从VRAM 读入灰度数据, 依据上面的变换关系得到R 、G 、B 值, 同时FPGA 的内部逻辑还产生相应的同步、消隐和时钟信号, 送到视频编码芯片, 合成彩色视频信号供监视器显示。
4 结束语
系统利用FPGA 设计灵活和DSP 处理快速的优势, 遵循实时图像处理系统的时序特征, 简化电路设计, 优化算法, 工作效率高。系统工作稳定, 图像质量好, 具有很强的应用价值。
参 考 文 献
[1] 顾东升. 一种基于DSP+FPGA 技术的实时红外图像直方图均衡
器[J]. 红外技术, 2002. 24(3) :15~19.
式中:D 为每帧图像的像素总数, g l 构成灰度查找表, 表示原灰度值为l 的像素的变换值。该算法的策略是将灰度分布集中的像素扩展到更多的灰度级上, 同时压缩数量少的像素, 增强了图像的对比度。当然, 这种方法也会提升分布于红外图像背景上的大量散粒噪
Vo l. 25 N o. 5
毛玉星等:红外图像实时处理系统设计
2003年9月Sep. 2003
[2] 戴明桢, 周建江. TMS320C 54x DSP 结构原理及应用[M ]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2001. [3] 杨必武. 基于直方图非线性拉伸的红外图像增强新算法[J]. 红外与激光工程, 2003. 32(1):1~3. [4] 陈锐. 红外图像非均匀性校正方法综述J]. 红外技术, 2002. 24(1) :1~3. [5] 黄贤武. 数字图像处理与压缩编码技术[M ]. 成都:电子科技大学出版社, 2000.
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作者简介: 毛玉星, 男, 1967年生。现为重庆大学电气工程学院讲师, 长期从事单片机及DSP 开发工作。目前为重庆大学通信工程学院在读博士生, 主攻图像处理方向。
The Design of Rea-l Time Processing System of Infrared Image
MAO Yu -xing 1, 2, HU Xu 2
(1. College of Electr ical Engineer ing, Chongqing Univcer sity , Chongqing 400044, China ;
2. I nsititute of Communication &T racking T elemetry Command of Chongqing Univer sity , China Chongqing 400044, China)
Abstract: As more mature the uncooled infrared focal plane array detector is, the technology of thermal image is w idely used in the fields of public security, fire fighting, military affairs, medical science, surveillance system and so on. More and more thermographs w ith their ow n characteristics are occurred. Rea -l T ime Processing System of In -frared Image is designed in this system w ith the SOFRADIR 320@240infrared detector is used while FPGA, high speed DSP and modern image processing technology are adopted. The key technology and main methods the system
hav ing concern w ith are analyzed as w ell as the algorithm of image filter, histog ram equalization and pseudo -color en -coding are described.
Key words: image processing, histogram equalization, pseudo -color encoding (上接第49页)
参 考 文 献
[1] 刘景生. 红外物理[M ]. 北京:兵器工业出版社, 1992.
[2] (乌克兰) B(T(科洛勃罗多夫. 红外热成像[M ]. 八三五八所译, 1994. 10. [3] 孙再龙等译. 红外与光电系统手册[M ]. 八三五八所译, 1999.
作者简介: 路远, 男, 1971年生, 安徽萧县人。电子工程学院博士生, 主要从事光电对抗与空间电子对抗研究。
The Simple Method to Calculate the Atmosphere
Transmittance of Infrared Radiation
LU Yuan, LING Yong -shun
(Resear ch D epar tment, Electr onic Engineering I nstitute, H ef ei 230037, China)
Abstract: The physical reasons of attenuation w hen the infrared radiation transmits in the atmosphere w ere intro -duced. The methods to calculate the spectrum transmittance w ere studied. According to the ex perimental data, the absorption coefficients of H 2O and CO 2were calculated. T he relationship of H 2O absorption coefficient with the atmo -sphere temperature and relative hum idity were deduced. The method to calculate the atmosphere transmittance was offered under certain meteorological condition. An example to calculate the spectrum transm ittance ranged from 0. 3L m to 13. 9L m w as given. The method is valuable in engineering application.
Key words: infrared radiation; atmosphere transmittance; absorption coefficient