基于FPGA的多DSP紅外實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)工作流程及軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電后，DSP1從與其連接的FLASH芯片中讀出非均勻性校正算法所需的系數(shù)，傳送給FPGA，FPGA對圖像進(jìn)行校正，校正結(jié)果寫入四端口RAM，圖像拉伸顯示模塊和數(shù)字圖像記錄模塊。3個(gè)DSP可以從四端口RAM中讀取圖像信息，并行進(jìn)行圖像處理工作。

　　2．1 非均勻性較正算法設(shè)計(jì)

　　非均勻性是指凝視成像探測器在外界同一均勻光學(xué)場輸入時(shí)各單元輸出的不一致性。焦平面陣列探測器的非均勻性高達(dá)10%～30%，因此焦平面探測器在使用時(shí)必須進(jìn)行非均勻性校正。非均勻性校正算法中，兩點(diǎn)校正算法是最常用的算法，該算法的計(jì)算量非常小，校正一個(gè)點(diǎn)只需1次加運(yùn)算和1次乘運(yùn)算，有利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

　　兩點(diǎn)校正公式為：V’=GV+O。其中，V為探測器單元的實(shí)際輸出值，V’為校正后的值，G為校正增益，O為校正偏移量值。G和O利用測量兩個(gè)不同溫度點(diǎn)的探測器響應(yīng)計(jì)算得出，預(yù)先存入FLASH芯片中。系統(tǒng)正常工作時(shí)，DSP將系數(shù)從FLASH芯片中讀出非均勻性校正算法所需的系數(shù)，用乒乓方式寫入四端口RAM中。每寫完1塊數(shù)據(jù)區(qū)后利用四端口RAM的中斷信號通知FPGA將系數(shù)讀走，F(xiàn)PGA將得到的系數(shù)依次存入SDRAM中。系數(shù)傳送完畢后，F(xiàn)PGA開始接收探測器數(shù)字圖像信息，同時(shí)將校正系數(shù)讀出，對原始紅外圖像進(jìn)行乘加運(yùn)算。工作流程見圖3

　　2．2 圖像拉伸算法設(shè)計(jì)

　　圖像拉伸采用自適應(yīng)直方圖增強(qiáng)算法，表示為如下的映射關(guān)系：

　　式中：yk為增強(qiáng)后圖像的灰度值；Xmax和Xmin為原圖像中像素最大值和最小值；Xk為原圖像的灰度值；a為亮度補(bǔ)償系數(shù)，取值為0～1之間，當(dāng)取0時(shí)，即是通常的拉伸算法。

　　考慮到紅外圖像中可能存在盲元和噪聲，Xmax和Xmin不宜取原圖像中最大最小值。采用分位數(shù)法來取圖像中的最大值和最小值可以把盲元和噪聲的影響降到最低，分位數(shù)根據(jù)盲元和噪聲情況具體確定，一般可取5 %。

　　圖4給出了直方圖增強(qiáng)算法的FPGA系統(tǒng)框圖，A/D轉(zhuǎn)換后的14 b數(shù)據(jù)流進(jìn)入直方圖統(tǒng)計(jì)模塊計(jì)算每一像素點(diǎn)的直方圖，根據(jù)設(shè)定好的分位數(shù)計(jì)算圖像中像素的最大值和最小值。在每一幀有效數(shù)據(jù)結(jié)束后，根據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)得到的最大值和最小值，計(jì)算灰度映射的除法，這樣每幀只需計(jì)算1次除法，而不用對每一像素進(jìn)行除法計(jì)算。之后對得到的因子對每一像素進(jìn)行乘法及移位計(jì)算即可得到直方圖增強(qiáng)算法處理后的圖像數(shù)據(jù)。增強(qiáng)后的圖像數(shù)據(jù)通過DAC控制模塊送入電視顯示。

3 結(jié)語

　　針對紅外試試圖像處理系統(tǒng)構(gòu)建的FPGA+多DSP的硬件平臺，利用FPGA進(jìn)行調(diào)度和時(shí)序控制，有效的使3個(gè)處理器并行工作，大大提高了系統(tǒng)處理能力。研究并實(shí)現(xiàn)了從紅外探測器數(shù)據(jù)采集到圖像校正、圖像處理，以及圖像顯示的整個(gè)流程。系統(tǒng)已應(yīng)用于工程實(shí)踐中，對于空間質(zhì)量要求苛刻的高性能處理系統(tǒng)有一定的借鑒意義。