基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现

李冬冬

摘 要：随着科技的不断发展，图像采集产品的成本快速降低，摄像头技术已被应用于人们生活的方方面面。但在一些特定的领域，例如在军事方面热成像追踪系统。图像的采集速度和数据的实时传输速度是制约系统性能的重要因素。本文通主要论述了红外图像系统的硬件组成和程序的实现。在验钞系统上采用红外图像采集系统，并以FPGA为程序逻辑载体，对系统进行控制。该系统可以实现快速采集和处理图像，并且FPGA的程序具有较强的兼容性，可以进行二次开发。只需要对程序逻辑更改就可以用作别的系统，可以降低开发成本。

关键词：图像采集；FPGA；系统设计

中图分类号： TN911.73 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）05-174-2

1 图像采集概述

将现实中的图像转化为二进制的数据就是图像采集的过程。图像采集是整个图像处理的基础，其特性的好坏直接决定后期处理的效果。它是影像处理的第一步，也是最重要的一步，因为这是所有成品蓝本基础。如果想进一步提升图像质量需要进行专业的处理，就像修改其基因一样。

图像采集系统与图像本身和后续的处理系统有很大关系，所以在进行系统设计时需要考虑的因素也很多，主要包括以下四个方面：①更高质量的图像就意味着所占储存空间更大，对系统的要求会更高。内存太小，数据存储空间不够，接口传速太慢，数据传输等待，这些都会拉低系统性能。另外，处理模块的相应速度也是系统设计的重中之重。②图像文件占中存储空间较大，对系统的传输技术、数据存储技术、图像显示的要求较高，成本较高，在系统设计时需要考虑硬件的成本。③图像处理模块的方式可以是多种多样的，可以根据系统的类型进行选择。在进行设计时需要考虑到处理模块的数据接口。常用的是嵌入式的集成系统，其特点是计算能力强，可以用于数据量较大的系统。单片机系统也是较为常见的处理模块，它加运算能力强。其最大的特点是程序可以随意更改，可以满足大部分系统需求。应用最广泛的是通用型计算机装置，他的集合了前两种的优点。而且最为突出的特点是友好的信息交互界面，程序强大的兼容性。④图像采集系统是由多个模块组成的。比如，光照控制模块、图像采集模块、机械模块。整个流程需要各个模块协同工作，需要对个模块的同步控制进行整体规划。

2 图像采集系统的主要架构

基于FPGA的高速数字图像采集系统的结构非常灵活、简单。全部采用模块化组件，可以快速构建系统。该系统具有开发成本低、可扩展性好、数据处理快速、各模块兼容性好等优点。系统通过FPGA逻辑程序来实现各相关模块的连接和控制。首先控制图像传感器对图像进行采集，经过简单预处理，将数据压缩空并通过数据接口传给处理终端。

3 基于FPGA的验钞图像采集系统的设计

本文以辨别纸币的真假为目的，基于FPGA设计实现红外图像采集系统。认真研读了人民币鉴别准则，結合图像采集及分析技术，最终通过PC终端辨别纸币的真假。

3.1 方案设计

根据检测速度要求，系统设计为800张/min。系统需要对钱币的正反两面上的真伪辨别特征进行图像信息采取。图像传感器的选择CIS（接触式传感器）在自带光源的基础上增加外部光源，提高图像的曝光度，提高图像采集质量。传感器采集的图像数据通过模拟转化器ADC转化为二进制数据进行存储和传输。数据的采集的程序基于FPGA来实现，在信息采集过程中传感器和数字模拟器及曝光程度的控制都是通过FPGA的程序来控制，还可以对采集的照片信息进行预处理，将数据整理后传输到真假辨别模块，对纸币真伪进行鉴定。

3.2 传感器的选择

首先在保证能得到清晰图像的前提下尽量选择低像素的传感器来进行系统设计，这样可以减少数据在传输速度和存储上的压力。经验证采用100dpi分辨率可以满足验钞需求。百元人民币的尺寸大为15.6cm×7.7cm，采集图像大小在614×300可以满足采集要求，每张纸币的鉴别需要采集正反两面所有信息，共需要两幅图像，完成一次检测数据大小为9.8Mbit。根据系验钞系统速度要求800张/min，每张检测周期为0.075秒，每分钟有158.35Mbps的数据需要被处理，传感器的性能要求较为严格。根据需求可以选择CIS（接触式图像传感器）其结构简单体积小、一致性高、曝光时间短等特点，可以满足系统需求。

3.3 控制系统的概述

控制器作为整个系统的控制中心，相当于人得大脑。PFGA就是整个系统的控制中心，在本次设计方案中FPGA是采用阿尔特拉公司的成熟产品暴风系列。该元件上拥有大连存储空间，可以存储上万逻辑程序。同时，FPGA的兼容性较高，额定电压1.5V，可以嵌入大部分系统，且低能耗又是它的另一个优点，可以降低运行成本。PFGA兼容性高的另一方面表现在其万能数据接口，可以和IO、USB等其他大部分的接口连接，应用范围广阔。

FPGA在系统中主要通过发送控制信号来控制各模块的动作。例如，在控制图像传感器的同时，还需要控制灯光强度，保证所采集图像的清晰程度。在FPGA的选择上需要考虑其数据处理速度及其最大传输速度。由上文可知，该系统最大数据158.35Mbps，而所选FPGA有6个通道与模拟转换器相连，每条通道都是8位8MHz，所以该系统的宽带为384Mbps。其性能远大于系统需求，完全可以保证正常运行。

3.4 系统的实现

3.4.1 图像采集模块

图像采集模块由三部分组成，分别是图像成像传感器、图像数据转化模块、存储模块。图1是图像三个组成部分协同工作的顺序逻辑图。当SI保持一个周期的高电位状态下，图像传感器（CIS）接收信号，执行一次扫描动作。完成扫描动作的时间为64个周期，完成扫描后SI电压发生变化。

CIS输出的可用信号经过ADC（数字模拟转化器）后由ADC_IF读入SRAM。

3.4.2 图像传输模块

图像传感器所采集的数据是分散的，有正面和反面两个部分。图像传输模块首先将同一张纸币两个面的相关数据合并，组成一张纸币的完整信息。其次，通过数据网络传输协议，将完整的数据信息通过DPS进行传输。在进行图像传输之前的工作称为视频采集，包含摄像头控制器、预览引擎、图像处理等单元。

3.4.3 软件构架

在之前完成了系统硬件的布局和数据传输通道的分配，系统设计的下一步，也是整个方案最核心的一步就是程序的编写。每个组件的是否应该工作，应该在什么情况下工作，这是整个系统的逻辑顺序。程序就是将系统的逻辑用程序语言编写出来，并存入芯片，控制整个系统各组件按照设计的逻辑顺序完成工作。

①第一步是图像的采集，传感器将图像采集并转化为数字数据，并临时存入存储器上。同时也要协同外部光源与传感器进行配合，获得高质量的图像源。②其次，通过DPS数据接口，及时地将采集的图像信息准确无误地传给处理模块。③最后，根据数据处理模块运行周期，制定系统各组件运行的信号控制周期及顺序。并控制系统按照正常流程运行，保证系统稳定正常工作。

4 总结

本文设计了基于 FPGA 的红外图像采集系统并从技术上加以实现。系统的程序是以FPGA为载体，控制红外图像的传感器进行实时采集，以及图像数据的存储及显示。图像采集器采用红外图像传感器，光源变化对图像影响较小，所得图像纸币线条清晰，为后续的图像处理和真伪辨别提供了重要的数据信息。系统结构简单，程序可操作性高，还可以对程序进行二次编程，搭载不同的图像处理系统就可以进行广泛的应用，可推广应用于军事、生产监控、医疗器械等多个领域。

参 考 文 献

[1] 郭永彩，苏渝维，高潮.基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现[J].仪器仪表学报，2011（03）：514-519.