基于FPGA的红外图像实时采集系统

彭楠

(北京京北职业技术学院,影视技术系， 北京 101400)

0 引言

随着红外成像技术的不断发展，其已经在许多领域得到成功应用，如：军事探测、医学诊断[1-3]。相对其它成像技术，红外成像受环境影响小，探测距离远等，因此红外图像处理成为图像研究领域中的热点[4]。

红外图像是红外热像仪根据物体的红外辐射产生的图像，在红外成像过程中，红外图像采集十分关键，而且技术十分复杂，因此针对红外图像采集问题，国内外许多专家和学者进行了一定的研究，设计出许多性能优异的红外图像采集系统[5-7]。如基于PCI总线红外图像采集系统，通过主控模式对红外图像进行实时采集；基于SOPC的红外图像采集系统，将SOPC系统嵌入到红外线列图像的驱动和采集，并引入了人机交互机制；基于DSP的红外图像采集系统，采用DSP作为数据处理器的核心[8-10]，它们均有各自的优势，同时也存在各自的不足，如红外图像采集实时性差、红外图像质量低等，难以满足复杂环境的应用要求，而且会对后续的红外图像处理、识别等有不利影响[11]。

现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)可以通过编程方法实现芯片电路的连接，具有体积小、功耗低、便携的特点[12]，因此为了获得理想的红外图像采集效果，加快红外图像采集速度，本文提出了基于FPGA的红外图像采集系统，并通过具体的红外图像采集实验分析其有效性和优越性。

1 基于FPGA的红外图像采集系统

1.1 红外图像采集系统的总体结构

红外图像采集是红外图像处理的基础，因此要求红外图像采集系统的可靠性要高，需要具有一定的智能性和环境适应能力，再加上红外图像的采集和处理过程比较复杂，红外图像需要大量的储存空间，因此红外图像采集的结构必须十分合理，综合考虑红外图像采集的实际要求，建立如图1所示的红外图像采集系统结构。

图1 红外图像采集系统的结构

红外图像采集系统的核心部分为FPGA芯片，包括高速串行收发器、PCI Express集成模块，这样可以高速进行红外图像的采集和传输[12]。

红外图像采集系统通过红外热像仪进行图像采集，然后将采集数据传输到信号采样和模数转换模块，最后将转换的红外图像通过PCI Express集发送到计算机，并通过显示器实时显示，同时将红外图像存储起来。

1.2 模拟信号预处理以及模数转换

因为计算机处理的是数字信号，红外热像仪输出的信号为模拟信号，无法输入到计算机进行处理，因此对红外热像仪输出的信号进行采样放大处理，并通过模数转换将模拟信号转换数字信号[13]。

1.3 FPGA逻辑设计

在实际应用中，红外图像采集实时性要求很高，FPGA可以对底层信号逻辑和时序进行合理设计，因此其是红外图像采集系统的核心，红外热像仪采集数据通过FPGA控制器发送到主机，其逻辑结构如图2所示。

图2 红外图像采集系统的FPGA逻辑结构

(1) FPGA的逻辑结构由红外图像传输、控制命令传输组成，红外图像采集系统进行数据传输时，首先通过总线传输至主机，并通过随机存取存储器将其保存起来，主机对系统采集卡进行控制，并通过基址寄存器实现控制。

(2) FPGA接收控制命令包括：命令和目的地址，主机采集数据时，可以将所采集数据根据时序将不同图像格式存储于队列中，FPGA可以将中断命令发送到主机，主机根据接收的中断命令进行相应的操作，并实现红外图像存储和显示同步。

(3) FPGA控制命令由两部分组成，分别为：计算机发送至红外热像仪命令和红外热像仪的相关命令。

(4) 状态信息包括：红外图像的采集状态和红外热像仪的状态信息。红外热像仪状态信息通过输入模式得到，红外图像的采集状态根据中断指令获得。

1.4 采集的红外图像相关处理

红外图像在采集过程，可能会受到噪声干扰、外界条件的影响，得到的红外图像并不理想，如像素分布处理非均匀性现象，图像清晰度不够等，导致红外图像效果差。为了保证红外图像的质量，对原始红外图像进行一定的预处理，是红外图像采集系统包括的模块。本文主要进行红外图像的非均匀性校正和双边滤波操作，以获得理想的红外图像。

1.4.1 红外图像的非均匀性校正处理

红外热像仪作为一种性能好的红外探测器，在一定温度范围内，红外图像采集系统所根据红外热像仪响应特性，可以建立如下的红外热像仪模型

xij(φ)=ηijφ+uij

(1)

式中，j=0,1,…,M-1，ηij表示像素(i,j)响应的增益系数,uij为像素(i,j)响应的偏移量,φ和xij(φ)分别为辐射通量以及相应的响应量化值[13]。

采用两点校正法对红外图像进行非均匀校正，那么有

yij(φ)=Hijxij(φ)+Oij

(2)

式中，Hij与Oij分别为校正增益和偏移。

对于红外热像仪，阵列元件的温度和辐照通量之间一种正态变化关系，在高温TH、低温TL环境下，可以计算不同阵列元件的辐射，根据校正增益和校正偏移进行红外图像的非均匀性校正。高温条件下，红外图像的非均匀校正方式为

yH=Hijxij(φH)+Cij

(3)

低温条件下，红外图像的非均匀校正方式如下：

yL=Hijxij(φL)+Cij

(4)

结合上述，可以得到：

(5)

(6)

根据不同阵列元的校正偏移和校正增益对红外图像采集系统的红外热像仪进行响应值进行校正，从而实现红外图像的非均匀校正，改善红外图像的质量。

1.4.2 双边滤波的红外图像预处理

红外图像增强技术分为硬件和软件2部分，其中硬件增强技术的成本高，而软件增强技术的成本低，更加灵活。红外图像软件增强技术包括：均值滤波、高斯滤波，增强后的红外图像的边缘会出现水波纹一样的波动，影响红外图像的增强效果。为了弥补传统滤波器的不足，本文采用双边滤波进行红外图像预处理，丰富红外图像的细节信息，提升红外图像对比度。双边滤波器包括：空间域滤波器和值域滤波器。输入红外图像和输出红外图像分别可以表示为f(x,y)和h(x)，空间域滤波器可以表示为[14-15]

(7)

式中，kd表示归一化常数，c(ξ,x)表示像素点ξ与邻域中心x之间的距离。

值域滤波器可以表示为

(8)

式中，(f(ξ),f(x))表示f(ξ)和f(x)之间亮度的相似度。

空间域滤波器和值域滤波器组合在一起，构成了双边滤波器，可以得到

(9)

(10)

综合上述可知，双边滤波器考虑了空间域的平滑滤波和亮度相似度的权重，可以保留红外图像的边缘。

2 红外图像采集系统性能的仿真测试分析

为测试基于FPGA的红外图像采集系统的有效性和优直性，在MATLAB 2017平台上进行仿真实验，在相同条件下，选择基于DSP的红外图像采集系统、基于SOPC的红外图像采集系统进行对比测试，对系统性能进行定量和定性分析。

2.1 红外图像采集结果的定性分析

采用3种系统对不同范围中的图像进行采集效果，输出的红外图像如图3～图5所示。对图3的红外图像进行分析发现，对于在不同场景环境下，本系统均可以获得理想的红外图像效果，具有较强的环境适应性，这是因为本文系统引入了双边滤波算法和非均匀性校正技术对红外图像进行了处理，使采集的红外图像更加完整、清晰，增加了红外图像的视觉效果，获得理想的红外图像采集结果。而对比系统采集的红外图像缺陷十分明显，如出现模糊、清晰度不够等，对比实验结果体现了本文系统的优越性。

(a) 简单场景

(b) 复杂场景图3 本文系统的红外图像采集结果

(a) 简单场景

(b) 复杂场景图4 DSP的红外图像采集结果

(a) 简单场景

(b) 复杂场景图5 SOPC系统的红外图像采集结果

2.2 红外图像采集结果的定量分析

为了更加全面的分析红外图像采集系统的性能，对实验结果进行定量分析，采用红外图像传输速度、红外图像采集时间进行评价。

2.2.1 不同系统的采集红外图像传输速度对比

进行10次红外图像采集实验，统计它们每次红外图像传输速度，采用传输的红外图像数量对传输速度进行描述，实验结果如表1所示。对表1的实验结果进行分析可以发现，本文系统每秒钟传输的红外图像数量大约为20幅，而DSP系统每秒钟传输的红外图像数量大约为17幅，SOP系统每秒钟传输的红外图像数量大约为16幅，本文系统的红外图像传输数量明显增多，提高了红外图像传输速度。

表1 不同系统的红外图像传输速度对比

2.2.2 不同系统的采集红外图像采集时间对比

同样进行10次红外图像采集实验，每次实验，采集不同数量的红外图像，统计红外图像采集时间，结果如图6所示。对图6的图像采集时间进行对比可知，本文系统采集红外图像的时间明显减少，加快了红外图像采集速度，本文系统具有更好的红外图像采集实时性。

图6 不同系统的红外图像采集时时间对比

3 总结

为了解决当前红外图像采集系统存在的不足，改善红外图像采集效果，设计了基于FPGA的红外图像采集系统，该系统首先对采集的红外成像信号转换，然后对采集的红外图像进行校正和去噪处理，最后保存和输出红外图像，具体仿真测试结果表明，本文系统可以获得理想的红外图像，红外图像采集实时性强，相对于其它红外图像采集系统，具有更加广泛应用前景。