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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于DSP+FPGA的红外热成像伪彩色变换系统*摘 要：提出了一种基于数字信号处理器(DSP)和可编程逻辑门阵列(FPGA)双芯片架构的红外热成像伪彩色变换系统，可应用于高速图像采集和数据处理，该技术在石油化工、冶金、电力、军事侦查等行业应用十分有效，是一种新兴的非接触式诊断技术。该系统采用双处理器流水线体系结构，FPGA首先从红外探测器中采集出来的一帧Raw格式的原始灰度温度图像，传送到DM642运行核心处理算法，计算出三段式分割参数，传回FPGA修正原始灰度温度图像，再按一定的格式打包传给DM642进行基于通道的灰度到彩色线性插值算法变换，转换为24位RGB格式图
2、像，最终通过以太网口传到上位机显示图像和后序处理。实验结果表明：该系统处理一幅大小为320x240像素的原始图像的时间约为15ms，相比单芯片处理系统， 双芯片处理架构使系统处理数据的实时性得到了提高, 缩短了系统开发周期。关键词： DSP；FPGA；红外探测器；双线性插值中文分类号：TP338.6文献标志码：A文章编号：A Study on Pseudo Color Transformation System Controlled by DSP and FPGA in Infrared Thermal ImagingAbstract：Here, a pseudo color transfor
3、mation is presented. It was applied in an infrared thermal imaging system controlled by dual-processor pipeline architecture of digital signal processor (DSP) and field programmable gate array (FPGA), in order to improve the speed of image acquisition and data processing in real-time. This technolog
4、y is a modern non-contact diagnostic technique, which is widely available in petroleum chemical industry, metallurgy, electric power, military reconnaissance, etc. Double chips work coordinately and effectively. Firstly, the FPGA collected a raw format of the original gray image from an infrared det
5、ector, and then sent it to the DM642 to execute the core processing algorithm. After calculating three-segment pretreatment parameters, it returned back to the FPGA for data pre-processing to recover the lost pixels. In FPGA, a certain format was packaged and passed to the DM642, where the algorithm
6、 of bilinear interpolation converted the gray format image to color one, termed as RGB format image, and ultimately the RGB format image was transmitted to the host computer through the Ethernet port to display. It took 15 ms for the system to process a raw image of 320x240 pixels. The framework of
7、double-chip improve the speed of real-time processing compared to single-chip system, shortening the development cycle.Key Words: DSP, FPGA, Infrared detector, Bilinear interpolation专心-专注-专业0 引言随着红外焦平面阵列和红外探测器技术的发展，红外热成像技术越来越多地应用到军事、航天航空、医学和监控等领域，从而促进了各种各样的红外热像仪的产生和发展。红外探测器接受物体辐射能量的同时，还受到周围环境温度、辐射系统
8、等因素共同作用，通过一种光电转换装置，就可以得到物体表面温度的分布图像，所以，红外热图像也是温度图像。由于图像视觉质量会受到外界辐射等因素影响无法与可见光图像相比，因而加重了系统后续处理的负担。设计出一个高效、实时的红外热成像系统就成为一项很重要的任务。基于DSP+FPGA的红外热成像伪彩色变换系统将数字信号处理器DSP的强大实时运算功能和片上技术FPGA的现场可编程逻辑功能控制技术结合起来，解决了红外热成像伪彩色变换的实时性、稳定性、可靠性等问题。它作为一种新兴的非接触式诊断技术，广泛应用在石油化工、冶金、电力、军事侦查等领域。无需与被测对象进行任何接触，也避免了因检测不当而使元器件受到损伤
9、等误操作。该方案是以DSP+FPGA为架构，红外探测器采集出来的是8-Bit Raw格式的灰度图像数据，FPGA利用DM642传递的参数提取出来三个通道RGB数据，打包后再发送给DSP，运行嵌入其中的双线性插值算法后，以太网可以10Mb/s的带宽传送给上位机PC进行后续处理，将8-Bit原始灰度图变换成24-Bit的RGB格式伪彩色图像。这大大提高了图像的精确度，为进一步进行算法处理提供良好的基础。该系统还充分发挥了FPGA的设计灵活和DSP的算法运行速度快的优势，能更好的提高系统实时处理图像的性能，降低了处理成本。1 伪彩色变换原理伪彩色变换是一种常用的增强技术，其实质就是把8位的灰度图像转
10、变成24位伪彩色图像，在变换过程中，需要选取一个映射函数，这个函数可以是线性的，也可以是非线性的，用来完成一对三的映射，一就是需要进行转变的原灰度图像中每一个像素，三就是该像素在转换后的图像中相应的R、G、B值，最后把三个分量值进行融合叠加，一幅伪彩色图像就转换成功了。灰度图像：8位256个灰度等级的图像，整幅图像中每个像素值只用一个分量来表示，可以显示0255范围内共256个灰度。有人可能会把它与黑白图像混淆，黑白图像整幅图像中只用0或1来表示，所以它们还是有着本质的不同。彩色图像：24位224个灰度等级的图像，图像中每一个像素值都由三个分量叠加表示，这三个分量分别是R、G、B。当R、G和B
11、分别取0255内任意一个值并融合在一起时就形成了人眼所熟知的各种各样的颜色。2 伪彩色变换算法2.1 红外热图像灰度值的分段线性化变换在图像的某块区间，我们将需要分析使用的像素区间定义为感兴趣的目标区间。那么为了更突出该图像区域，就要滤除那些我们不需要的区间，然后再对这些灰度值进行不同的线性变换，在这里我们使用三段式线性区间分割判别法，如图1，其数学关系可表示为： (1)图1中，首先，我们对红外热图像像素值的灰度值进行了线性扩展，扩展后的区间增加到，从而减小了灰度区间和的范围。其次，我们通过数据算法调节分段区间中直接的斜率的大小，从而调整该曲线的拐点位置和倾斜度，它可以扩充低灰度级区域范围，并
12、对高灰度级的区域范围进行压缩变换。通过这种算法变换，可以有效地平衡图像的灰度分布，使算法处理后的图像视觉特征更真实，图像细节更详细。bf(x, y)Z1ZfZ2aMg图1图像区间的分段线性变换g(x,y)2.2 灰度伪彩色变换算法灰度彩色变换是在空间域实现的，其实质就是选取三个映射函数，针对灰度图像中的像素做映射，一个像素值转化成了三个不同的分量值R、G和B，接下来把这三个分量值融合到一起，合成伪彩色图像。由于该变换是由一个变量到三个变量的转换，即由少量信息推出更多信息，因此要用到一些预测和假设，映射函数的选取也显的尤为重要。具体实现过程：第一步要选定三个映射函数进行各个像素到R、G和B的转换
13、，函数如下式： (2) 其中是用来表示灰度图像中的每个像素的数值的二维变量，、和是选定的三个映射函数，分别完成灰度图像像素向红、绿以及蓝变量的映射，得到相应的、和之后三者进行叠加，可以由下式配色方程表示。 (3) 具体编码方式可以根据实际情况自行选择。如图2编码变换函数，现在我们以灰度级大小来表示红外辐射能量的强弱，假设灰度值越小能量越低，灰度值越大能量越高，如果把0255分成了四个区间，那么就能称0L1为低温区，称L1L2为中低温区，L2L3为中温区，L3L4为高温区。图(a)表示红色分量的映射，0L2范围红色分量为0；L2L3区间红色分量值按选区的映射函数呈线性升高，在最后一个区间L325
14、5内红色分量值等于255。图(b)和图(c)则分别表示绿色和蓝色分量映射情况，和图(a)所述情况类似。图(d)表示的是三者的融合，即是图(a)、图(b)、图(c)三个映射函数的叠加。通过这种编码可以在不同的温度区域很容易地分辨出高温与低温，并且该编码方式采用了自动取大小值来进行层次划分，使最终变换后的红外图像层次分明，更容易辨别出不同的温度区域。图2编码变换函数红色分量像素数(b)(d)合成像素数L2255L3L20L1255L30L1L2255L3L20L1255L30L1(a)绿色分量像素数蓝色分量像素数(c)灰度级3 系统的整体设计方法基于DSP和FPGA的红外热图像伪彩色变换系统由红外
15、探测器、DSP、FPGA、以及扩展出的EPCS配置存储器、FLASH、SDRAM和EMAC组成。系统总体结构如图3所示。图像传感器采用FLIR 公司的Photon320型号的红外热像探测器，它采用采用非制冷氧化钒(VOx)工艺研制而成，具有76800像素(320 x 240)平面阵列，它够探测到小于或等于95mK的温差，大大提高了温度数据的精确度，同时提供PAL制式和NTSC制式两种模式的视频信号。它内部嵌入模数转换装置，可将模拟格式图像输出为8bit或14bit的数字视频信号。FPGA选取了Altera公司Cyclone III系列的EP3C80F484C8。Cyclone 系列的FPGA
16、是Altera 公司针对低成本高性能的应用而推出, 具有很高的性价比。EP3C16F484C8的最大可用IO数量347，片内504Kbit的RAM可以配为单双口RAM,ROM,FIFO等各式存储模块；四个高精度的锁相环,方便地为片内的各个模块提供所需要的时钟；15408个LE(逻辑单元)为接口电路的实现提供丰富的逻辑资源。FPGA系统时钟50MHz，采用主动串行(AS)配置方式，配置芯片选择EPCS16。扩展出来的Flash存储芯片可以作为数据存储区。DSP选用TI公司的DM642，它是一款32位定点DSP芯片，属于C6000系列处理器，它采用第2代高性能增强型超长指令字(VelociTI.2
17、)结构的DSP核及增强的并行机制，当工作在720MHz的时钟频率下，其处理性能最高可达5760MI/s。集成了诸如Mcbsp, IIC, VP, EMAC等丰富的接口，通过EMIF总线扩展出Flash存储芯片，能够实现系统上电自启动。SDRAM最大的时钟频率133MHz，提高了DM642处理数据的速度，EMAC扩展出来的以太网接口使用TCP/IP协议进行与上位机进行高可靠性数据传输。图3 系统总体结构图4 图像处理系统工作原理该红外热图像系统由DM642和FPGA组成，伪彩色变换算法嵌入于DSP中，其工作流程图如图4所示。系统上电启动后，通过PC配置传感器参数，开始采集一帧图像，FPGA从Ph
18、oton320红外探测器中采集一帧raw格式的图像数据，并将其切换到DM642的VP0口，DM642利用核心算法计算该图像，得出三段式线性区间分割算法参数；然后通过由Mcbsp扩展出来的SPI接口传回FPGA进行参数配置。FPGA则对的图像数据进行r、g、b通道数据提取，按1/3原始数据帧大小重新组成一帧320 x 240大小的数据包发送到DM642的VP1口。DM642通过配置EDMA完成RGB通道数据搬运，然后将各个数据通道传到算法线程进行线性插值算法处理，最终转换成一帧24位的RGB图像，通过EMAC接口接TCP/IP协议传输格式将图像传输到上位机进行图像实时显示和后序算法处理。图4 系
19、统工作流程图5实验结果实验使用Photon320红外探测器采集出来的一张320 x 240像素的8位raw格式图像如图5中(a)和(c)所示，经FPGA上传出来的修正后1/3帧格式(320 x 240像素) r、g、b三通道图像传输到DM642，最终DSP完成伪彩色算法变换，生成320 x 240 x 3像素的24位RGB图像，如图5中(b)和(d)所示。系统使用Altera公司提供的QuartusII9.0开发工具对选用的EP3C80F484C8进行编译综合，并在signalTap下进行实时系统仿真。按照系统时钟28MHz进行仿真，每秒可以处理约15幅图像，很好地改善了红外图像的视觉效果。(a)变换前 (b)变换后 (c)变换前 (d)变换后图5 伪彩色变换对比图6 结论本文所提出的基于DSP和FPGA的红外热图像伪彩色变换系统，能够在FPGA可编程逻辑芯片中高速、高质量地从红外探测器采集到的raw格式灰度图像中抽取各像素通道值，并打包发送给DM642进行数字信号处理，双芯片工作框架，使得运算和传输各自有两个芯片分担，从而提高了整个数据传输处理速度以及准确度，加快了系统的实时性，缩短了系统开发的周期，此架构的系统还可方便地进行更新和扩展，性价比较高，具有广泛的应用前景。