红外图像处理系统的方案设计*

(海军装备部沈阳军事代表局 沈阳 110031)

红外图像处理系统的方案设计*

盛元平

(海军装备部沈阳军事代表局 沈阳 110031)

论文主要以红外焦平面图像处理系统内包含的图像采集模块、图像预处理模块和图像处理模块为设计中心,并根据各模块所要实现的具体功能提出实现方法。

图像处理系统;方案设计

ClassNumberTN97

1 引言

随着图像采集、图像处理技术的不断发展,采用红外热成像技术与图像采集系统、图像处理系统相结合的方式,利用最新的图像处理技术对红外热成像系统的红外图像信号信息进行实时的采集和处理,不仅提高了系统工作性能,也大大地改善了系统的成像质量。本文就红外成像、红外探测器、红外成像处理系统的方案设计等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 红外图像

红外图像装置工作在中红外区域(波长3μm～5μm)或远红外区域(波长8μm～12μm)。通过探测物体发出的红外辐射,热成像仪产生一个实时的图像,从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。热成像仪非常灵敏,能探测到小于0.1℃的温差[2]。

工作时,热成像仪利用光学器件将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上,然后来自于每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式,可以在标准的视频监视器上显示出来,或记录在录像带上。由于热成像系统探测的是热而不是光,所以可全天候使用;又因为它完全是被动式的装置,没有光辐射或射频能量,所以不会暴露使用者的位置。

目前,第三代红外焦平面阵列器件不仅要具有集成度更高、像元尺寸更大、像元数目更多、探测性能更好等特点,也要兼顾优秀的可靠性、更小的体积重量、更简单的结构、更低的成本等因素。

表1简要描述红外焦平面阵列的类型;表2简要展示了第三代红外焦平面阵列的概念及红外焦平面阵列的未来。

3 红外探测器

红外探测器的光学系统设计对于探测器的探测光谱的响应范围也会有影响,例如若光学窗口材料采用金属锗的话,可以使探测器能够提高在8μm～20μm波段红外光的透过率,而对其它波段的红外辐射的透过率就要相对降低[3]。

表1 红外焦平面阵列的类型

表2 第三代红外焦平面阵列的特征

例如,法国ULIS公司研制开发的型号为UL03191微测辐射热计,其像元尺寸为384×288,由一个内部集成的半导体制冷器和一个二维微测辐射热计阵列(FPA)组成,光谱响应波段8μm～14μm。UL03191型热探测器的工作参数如表3所示。

表3 UL03191型热探测器的工作参数表

Sofradir公司研制的中波红外320×256像素ID-MM067-XX-V3红外探测。20×256 IRCMOS碲镉汞光伏探测器阵列及杜瓦瓶组件,微斯特林制冷机。其灵敏度高,工作稳定性好。探测器主要参数如表4所示。

表4 红外探测器组件参数

4 红外图像处理系统的方案设计

4.1 图像采集及处理

红外焦平面阵列器件所输出的图像不管是分辨率还是对比度,相对都较低,不利于图像内目标的提取和图像的视觉观察,随着图像处理应用领域的不断增加,图像采集及处理技术也在不断发展。红外焦平面阵列器件输出的图像采用一定的图像采集及处理技术,例如实时增强以及非均匀性校正等数据处理技术,可以很大程度上改善红外焦平面阵列输出的图像质量。

对于图像采集及处理系统而言,依据微处理器在不同平台上完成的图像采集及处理运算,可以细分为三种形式:

1)采用计算机内置图像处理卡;

2)采用嵌入式操作系统技术的硬件平台;

3)采用DSP及FPGA的图像采集处理系统。

三种方法的对比,如表5所示。

表5 图像采集系统三种实现

近年来,数字电路设计技术发展迅速,开发环境不断完善,这就使越来越多的人采用具有实时处理能力的DSP+FPGA设计的专用图像采集及处理处理模块。DSP芯片具有运行速度快、寻址灵活、通信功能强大等特点,用来实现结构复杂的高层算法;FPGA芯片具有接口多、配置方便等特点,可用来实现运算结构简单但对数据数量速度要求高的低层算法。DSP+FPGA芯片同时使用不仅可以满足大部分应用场合,更具有升级能力强,性能高的特点,具有更强的适用性。

4.2 图像处理系统

图像处理系统依据各模块功能上的不同,可以区分为三个功能模块,分别为图像采集模块、图像预处理模块和图像处理模块。图像采集模块是用来产生数字化的红外图像信号,是图像预处理的前端和基础,图像采集模块将采集到的红外图像信息送至图像预处理模块进行预处理;图像预处理模块依据事先设置的算法对图像采集模块送来的红外图像进行处理;图像处理模块是依据预制的目标识别算法对预处理后的红外图像信息进行敏感信息提取,预处理和处理模块功能上是相对独立的。图像处理系统如图1所示[4]。

图1 图像处理系统

4.3 图像采集模块

图像采集模块的主要技术指标[5]:

1)图像采集所需的时间。通常来说,图像的采集过程包含两个部分内容,分别是模数转换和数据传输,图像采集时间也就是这两部分时间的叠加。采用高速的转换芯片和接口方式可以有效地提高系统图像采集效率,缩短图像采集时间。TI和ADI公司都提供了高速的AD转换芯片,此类芯片大多提供并口和SPI之类的数据传输接口方式。

2)图像处理时间。系统的图像处理时间是指从一副完成的红外图像采集完成到预处理,再到图像处理结束所需要的时间。系统的工作性能直接受其处理一副红外图像的速度影响,采用高速、高性能的处理器可以有效地缩短系统的图像处理时间,提高系统的工作性能。在图像采集系统中,表现是多样的,以生物识别系统为例,对一幅完整的图像处理时间(通常是图像特征值处理和比对时间之和)有十分严格的要求。

3)存储容量。有些图像采集处理系统需要存储一定的图像数据,如数码相机和数码摄像机等。在图像采集系统中,表现是多样的,以生物识别系统为例,能够存储大量生物体样本特征值是个重要的指标。

4)存储空间。图像采集处理器的特点是数据量大,占用的数据空间达到几兆。在所有图像处理系统中,是否具有大容量的数据存储空间是一个非常重要的指标,不仅可以直接影响到整个系统图像处理时间,也影响其图像的处理效果。

5)系统全功耗。系统全功耗可分为工作电流和静态电流两个部分。工作电流是指系统在图像采集、图像处理等工作时所消耗的电流。静态电流是指系统在没有进行图像处理相关工作状态下,即待机状态下的电流。在大多数场合中,系统的大部分时间都处于待机的状态,因此静态电流更具有参考意义。

4.4 图像采集模块电路设计

图像采集模块由两部分组成,分别是红外焦平面阵列电路以及图像信号处理电路组成,其主要实现的功能是将红外光信号转换模拟电平信号,再经过图像处理电路将模拟电平信号转换为可用于图像处理算法的数字图像信号,在传输给图像预处理、处理模块进行数字图像数据的处理、传输以及显示等。对于非制冷型红外焦平面阵列来说,还需对温度控制单元进行设计,来保证阵列的正常工作。

非制冷型红外焦平面阵列电路包含四个部分,其中电压偏置电路是用于产生偏置电压,电压匹配是用于比较电压,而驱动电路是用于对焦平面阵列的驱动控制,温度检测和控制电路是用来控制焦平面热敏单元的基准温度。

在设计红外焦平面阵列的外围电路时,应注意偏执电压电路的设计,应保证结构紧凑、工作稳定等特点,其纹波不应大于±5mV。基于电源精度要求的考虑,电压偏置电路使用的基准电源芯片的可调偏置电压应满足0.65V～5V,精密电位器的可调偏置电压应满足3.5V～7V。

非制冷红外焦平面阵列UL03191原理图如图2所示。

图2 非制冷型红外焦平面阵列UL03191原理图

由上图可以看出,红外焦平面阵列的温度反馈输出为VTEMP,温度控制端口为TEC+、TEC-,温度控制是通过控制TEC+、TEC-这两个控制端口的电流方向,来达到给焦平面阵列制冷或加热的效果。

4.5 图像采集模块的设计

将红外光辐射信息转换红外数字图像信号是图像采集模块所要具备的基本功能。首先,热探测器将红外信号转换为电信号,再经过A/D转换电路器将模拟电信号转换为的数字图像信号。这一过程包括信号的获取及处理两个步骤。系统中图像采集模块是由三部分组成,分别是红外焦平面阵列、图像信号处理电路和温度控制单元三部分组成。图像采集模块图如图3所示[6]。

图3 图像采集模块图

红外焦平面电路即所选用的红外焦平面的器件,采用成熟的产品,因此不在本设计方案涉及范围之内。需要研制开发的是图像信号处理电路和温度控制单元部分。温度控制单元只是针对非制冷型红外探测器,制冷型红外探测器包含制冷系统,可通过探测器自身的温度调控系统调节焦平面阵列基准温度。

1)温度控制单元。红外焦平面阵列包含制冷型和非制冷型两种,非制冷型焦平面阵列可以在室温状态下正常工作,而制冷型红外焦平面阵列需要利用制冷剂把工作面温度降低到200K以下。非制冷型红外焦平面阵列的热敏单元的温度可以直接影响到阵列的灵敏度和成像质量,使阵列上所有热敏单元均工作于相同且恒定的室温下,是非制冷型红外焦平面阵列稳定、高效工作的保证,因此,为非制冷型红外焦平面阵列设计一个高精度的温度控制单元是设计非制冷型红外焦平面图像处理系统关键。

2)图像信号处理电路。图像信号处理电路是辅助处理电路,不形成单独功能,主要为消除图像噪声、增强图像信号。通常的图像信号处理方法有开关指数滤波法和相关双采样法两种。

开关指数型滤波器中RC常数相对居中,既有双斜积分法的特点,也包含相关双采样的特点,可以允许同时有两个不同的截止频率。

相关双采样电路中RC常数相对较小,可以使其具有信号提取速度快的特点,可以在短时间内实现电平的跳变。

红外焦平面输出信号受抑制红外焦平面电压偏置电路波动的影响,信号处理电路采用相关双采样信号处理方法。对于电路设计来说,相关双采样电路和放大器等器件可以集成,从而使信号处理电路的设计得到简化,使系统可靠性得到提高。

4.6 图像预处理模块的设计

图像预处理模块的设计也可以采用专用集成电路(ASIC)、DSP处理器以及FPGA等几种设计方案。图像预处理模块一般来说只包含低层处理算法,这种算法的运算量巨大,对处理速度的要求相对较高,但其算法运算结构比较简单,因此可以采用FPGA芯片设计专用的处理单元来实现预处理模块的功能[7]。

采用FPGA作为图像预处理模块的工作平台,采用VHDL语言实现可实现非均匀性校正、盲点替代以及图像增强相关算法等运算数据量大、算法结构简单的红外图像预处理算法,是非常适合的。

4.7 图像处理模块的设计

图像处理模块是用来统一管理和控制红外图像信号的实时采集和红外图像预处理模块的,并可接收上位机发出的控制指令,不仅实现图像采集模块和图像预处理模块的控制,还要实现基于预置目标识别算法的敏感目标提取的功能。图像处理模块可采用以下四种方案来实现[8]:

1)基于单片机的设计方案。单片机具有功耗低、实现简单、调试方便等特点,但其外围电路相对较多,硬件结构复杂,单片机不能自行完成对红外焦平面阵列的驱动,需要借助专用的集成芯片来完成,图像数据的传输和显示等功能也需要占用大量的单片机资源。

2)基于DSP芯片的设计方案。DSP芯片具有运行频率高、数据处理速度快、集成度高等特点,其外围电路相对简单,由于芯片自身特点,针对目标识别等图像处理算法具有很强的适用性,可以满足高速图像数据处理的要求[9]。

3)基于嵌入式系统的设计方案。嵌入式系统具有适用范围广,具有成熟的模块,设计简单,数据处理能力强,可在线编程、在线仿真、开发环境友好等特点。

5 结语

根据红外焦平面阵列的工作原理以及其工作特点,提出了图像采集处理系统所需实现的功能和主要技术指标,用以确定所要遵循的设计原则和技术要求,并详细分析了几种主要的图像采集方法,在此基础上提出了采用现场可编程的红外焦平面图像处理系统的模块设计方案[10]。

[1]潘小冬,陈泽祥,高升久,等.FPGA+DSP的红外图像数据采集与显示[J].红外与激光工程,2007,36(6):968-971.

[2]董心雨,黄俊.基于FPGA的红外图像采集与传输系统设计[J].半导体光电,2012,33(4):579-581.

[4]曾祥鸿,刘慧.320×240非制冷红外焦平面阵列驱动电路的设计[J].现代电子技术,2005(20):40-41.

[5]秦良,蒋亚东,吕坚,等.非制冷红外焦平面阵列CMOS读出电路设计[J].国外电子测量技术,2006(6):32-34.

[6]秦文罡,让星,高爱华.非制冷红外焦平面阵列器件驱动电路的研究 [J].红外,2008(6):1-4.

[7]周慧鑫,拜丽萍,秦翰林,等.基于自适应滤波的红外焦平面阵列非均匀性校正算法[J].强激光与粒子束,2009(11):1611-1614.

[8]张沛,祝红彬,吕坚,等.低噪声非制冷红外焦平面阵列驱动电路的设计[J].红外与激光工程,2010(5):806-810.

[9]李静,金龙旭,郭伟强.320×240元非制冷焦平面信号处理电路设计[J].激光与红外,2005(12):935-937.

[10]赵正辉,李宇,刘恒辉.非制冷红外热像仪信号处理系统的设计与研究[J].红外,2009,30(10):18-22.

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,硕士,高级工程师,研究方向:水声、电子装备研制及装备保障。

TN97DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.028