《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換及實(shí)時(shí)顯示

2009-04-24
作者：張曉飛 袁祥輝

??? 摘? 要: 在以PC機(jī)和DSP數(shù)字信號處理板構(gòu)成的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上,闡述了主機(jī)通過PCI口與DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及在Windows下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像顯示的技術(shù)。由于通過PCI口數(shù)據(jù)交換速度快,在數(shù)據(jù)顯示時(shí)采用直接寫屏和翻頁技術(shù),系統(tǒng)可達(dá)到理想圖像實(shí)時(shí)顯示效果。?

??? 關(guān)鍵詞: 紅外圖像? 實(shí)時(shí)性? DSP

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??? 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,紅外熱像儀在軍事、科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。由于紅外焦平面固有的非均勻性,在紅外圖像處理過程中,必須對每幀中的每個(gè)像元進(jìn)行非均性的校正處理,才能達(dá)到較好的效果。因此紅外圖像實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)量很大,如256×256的一個(gè)紅外焦平面面陣,像元數(shù)為64K,如果每個(gè)像元用12bit表示,每秒顯示24幀圖像,則每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量高達(dá)2.25MByte;如果要進(jìn)行校正運(yùn)算,計(jì)算量更大。目前國內(nèi)的紅外熱成像系統(tǒng)大多采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,用軟件實(shí)現(xiàn)非均勻性校正。由于軟件處理速度慢,很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像,只能對單幀圖像進(jìn)行處理。?

??? 本文介紹采用PC機(jī)和基于DSP的數(shù)字信號處理板(數(shù)字板)構(gòu)成的主從式成像系統(tǒng)。由于非均勻性校正的典型算法是乘累加,在一般計(jì)算機(jī)上處理速度比較慢。DSP具有高速數(shù)據(jù)處理能力,采用DSP進(jìn)行圖像處理的運(yùn)算,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的顯示,正好發(fā)揮軟硬件的特長,從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。?

1 系統(tǒng)組成及基本原理?

??? 一個(gè)完整的紅外成像系統(tǒng)不但要具備圖像信號的采集功能,還要能對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,且要完成圖像信號的分析及處理算法(如非均勻性校正等)。通常這些算法的運(yùn)算量大,再加上要滿足實(shí)時(shí)顯示的要求,因此采用高速DSP芯片作為數(shù)據(jù)核心處理單元。另外,要求系統(tǒng)滿足通用性的同時(shí),針對不同的應(yīng)用和不斷出現(xiàn)的新處理方法,還要求系統(tǒng)便于功能的改進(jìn)和擴(kuò)展。為此,我們以PC機(jī)為主機(jī),以TI公司的DSP(TMS320C6201)為輔助機(jī)作為數(shù)字信號處理板的核心[1～2],設(shè)計(jì)出紅外圖像處理系統(tǒng)。圖1是基于DSP的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)的原理圖。?

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1.1 TMS320C6201的優(yōu)點(diǎn)[3]?

??? TMS320C6201是TMS320C6x系列中的高速定點(diǎn)數(shù)字處理芯片,是TI公司二十世紀(jì)90年代后期的最新一代DSP產(chǎn)品。每秒最大處理能力為1600MIPS,具有特殊的VelociTI結(jié)構(gòu)獨(dú)特的指令集,從而保證了它強(qiáng)大的運(yùn)算能力、高度的并行性和良好的靈活性。同時(shí)其外圍設(shè)備包括DMA控制器、主機(jī)接口(HPI)、中斷選擇器,能夠很方便快速地與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。?

1.2 系統(tǒng)組成原理?

??? 系統(tǒng)由模擬信號板、數(shù)字信號處理板,PC機(jī)三部分構(gòu)成。模擬信號板用于進(jìn)行信號提取,包括IRFPA、驅(qū)動信號源、前置放大器。IRFPA由信號驅(qū)動源驅(qū)動,根據(jù)外部紅外光線的感應(yīng)強(qiáng)度,輸出窗形波的模擬信號,經(jīng)前置放大器放大后與數(shù)字信號處理板相連。?

??? 數(shù)字信號處理板由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分組成。數(shù)據(jù)采集部分以一片F(xiàn)PGA構(gòu)成控制器,用于控制整個(gè)處理板的時(shí)間同步和選擇存儲器及圖像預(yù)處理等。數(shù)據(jù)處理部分包括一片DSP,一片雙口RAM和兩片RAM(SRAM和SBSRAM,分別用于靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲)。在圖像采集中,模擬信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之后,由FPGA提供采樣控制,并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存入雙口RAM,它為DSP提供數(shù)據(jù)。校正的參數(shù)放在主程序中,用以對圖像進(jìn)行校正,同時(shí)主程序還要進(jìn)行其它運(yùn)算,以便生成DSP處理后的圖像。DRAM和SBSRAM為DSP在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過程中提供存儲空間。經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)可通過PCI接口與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。?

??? 數(shù)字板通過PCI卡與計(jì)算機(jī)相連,由于PCI總線具有高速數(shù)據(jù)交換的優(yōu)點(diǎn)(120MByte/S),足以滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的要求。數(shù)據(jù)通過DSP的HPI口,經(jīng)由PCI口與PC機(jī)相連。PC機(jī)讀取數(shù)字板上任意存儲器上的數(shù)據(jù),再由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。DSP的運(yùn)行程序由PC機(jī)通過PCI口加載到DSP上運(yùn)行。?

2 數(shù)據(jù)的交換及Windows下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示?

??? 在主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)的顯示是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié),下面將重點(diǎn)講述其實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)的Windows程序是在C++ Builder下開發(fā)的。

2.1 數(shù)據(jù)的交換?

2.1.1 實(shí)時(shí)性?

??? 根據(jù)人眼的視覺特點(diǎn),數(shù)字圖像成像系統(tǒng)每秒鐘至少要讀取和處理合成24幀圖像(假設(shè)對于256×256的面陣圖像,采用灰度表示每個(gè)像元的圖像信號,則每幀讀取的數(shù)據(jù)為:256×256×8bit=64KByte),則進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)要求每秒處理數(shù)據(jù):256×256×8bit×24幀=1.5Mbyte,并將它顯示出來,圖像才不失連續(xù)性。這樣就要求相鄰兩幀連續(xù)采樣的圖像數(shù)據(jù)的讀取及合成時(shí)間間隔不能過大,因此必須滿足“數(shù)據(jù)讀取時(shí)間≤幀間隔”。主機(jī)通過PCI口對DSP芯片進(jìn)行訪問,采用PCI總線可以保證高速的數(shù)據(jù)交換。為了實(shí)現(xiàn)顯示的實(shí)時(shí)性,則要求數(shù)據(jù)讀取的間隔越小越好。?

2.1.2 PCI卡的驅(qū)動問題?

??? 在Windows開發(fā)環(huán)境下,C++ Builder不能直接訪問PCI設(shè)備,需借助其它軟件實(shí)現(xiàn)。KRFTech公司主推產(chǎn)品WinDriver是進(jìn)行PCI接口程序開發(fā)的首選驅(qū)動程序開發(fā)工具。用戶要訪問PCI口上的數(shù)字信號處理卡,一般來說有兩種途徑[4]:一是直接訪問,即用C++ Builder直接訪問PCI設(shè)備的接口函數(shù)(這種方法需要相關(guān)軟件支持);二是間接訪問,即用C++ Builder調(diào)用其它語言(如匯編或C/C++等)編寫的底層驅(qū)動模塊(一般封裝成動態(tài)鏈接庫DLL形式)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方法。?

2.1.3 從DSP讀取數(shù)據(jù)的過程?

??? 本系統(tǒng)對于PCI卡的底層驅(qū)動程序封裝成動態(tài)鏈接庫(evm6X.dll),其頭文件為evm6xdll.h,以便其它函數(shù)十分方便地調(diào)用。在調(diào)用動態(tài)鏈接庫(DLL)時(shí),首先要聲明DLL,然后就可以像調(diào)用C++函數(shù)一樣使用動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)了。C++ Builder允許調(diào)用其它語言編寫的動態(tài)鏈接庫,而用戶一般不知道其它函數(shù)是用何種語言編程,因此應(yīng)該注意函數(shù)標(biāo)識符和參數(shù)傳遞,以便解決調(diào)用的約定問題。?

??? 用C++ Builder 編寫的PC機(jī)讀取數(shù)字板數(shù)據(jù)的模塊化程序如下:?

??? #include ″evm6xdll.h″?

??? HANDLE ???? hBd=NULL;?? ??? // 板子句柄?

??? Short?????? iBd= 0;?? ????? // 板號?

??? BOOL??????? bExcl=1;??????? // 獨(dú)占打開=TRUE?

??? LPVOID????? hHpi = NULL;??? // HPI 接口句柄?

??? short ????? iMp;??????????? //Map 選擇器=MAP0?

??? EVM6XDLL_BOOT_MODE? mode= HPI_BOOT_MAP0;?// DSP 啟動方式?

??? EVM6XDLL_CLOCK_MODE???? ??? clkMode;?

??? EVM6XDLL_ENDIAN_MODE??????? ednMode;?

??? ULONG ulDW[1024*16];??????? //定義數(shù)據(jù)緩存?

??? void? ReadWordFromMem( LPVOID hHpi, ULONG ulDataAddr, ULONG ulDataWord,ULONG lLength, ULONG *ulDW)?

??? {?? ?

??????? hBd = evm6x_open( iBd, bExcl ); //打開板卡?

??????? evm6x_reset_board(hBd); ? //對目標(biāo)進(jìn)行reset?

??????? evm6x_set_board_config(hBd,clkMode,ednMode,0xff);//對目標(biāo)板進(jìn)行初始化配置?

??????? mode = iMp ? HPI_BOOT : HPI_BOOT_MAP0;?//設(shè)置啟動方式?

??????? evm6x_reset_dsp(hBd,mode);????? //復(fù)位DSP?

??????? hHpi = evm6x_hpi_open(hBd); //建立從主機(jī)到hpi的連接?

??????? if(!evm6x_hpi_read( hHpi, ulDW, &ulLength, ulDataAddr))//從DSP讀取數(shù)據(jù)?

??????? {ShowMessage(″內(nèi)存讀時(shí)發(fā)生錯誤!″); }?//系統(tǒng)復(fù)位操作?

??? evm6x_hpi_close(hHpi);?

??? evm6x_unreset_dsp(hBd);?

??? evm6x_close(hBd);?

??? }?

??? 由于PCI口數(shù)據(jù)交換快速度(可高達(dá)120Mbyte/s),且能方便地讀取數(shù)字板上內(nèi)存的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,因此,通過PCI口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與數(shù)字板數(shù)據(jù)的交換便于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。?

2.2 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示?

??? 通過PCI口讀取的數(shù)據(jù)為每幀中單個(gè)像元的亮度值,因而要在Windows下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示,不但要解決顏色配置問題,而且要求圖像實(shí)時(shí)顯示速度快,因此本系統(tǒng)在Windows下采用寫屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。?

2.2.1 顏色控制?

??? 由于紅外圖像傳感器只能反映外界溫度的高低,因而在處理過程中,對焦平面的每個(gè)像元采用8bit(256灰度)來表示。而Windows下顏色表的顏色采用的是R、G、B即紅、綠、藍(lán)三基色,每種顏色都是從0到255。由這三種基色可構(gòu)成屏幕上的各種顏色(即24位真彩色)。如果將每個(gè)像元的RGB值均設(shè)為所取得的像元亮度值,則得到的顏色為只有亮暗的灰度圖像(256級灰度);如果按照其256級灰度來進(jìn)行偽彩色處理,則得到加偽彩色的圖像。為了使偽彩色圖像的顯示得到增強(qiáng),可以只用256顏色表中的部分顏色來表示。通過選擇差異較大的顏色來表示熱圖像中被測目標(biāo)的溫度范圍,即可得到增強(qiáng)圖像顯示效果的目的。?

2.2.2 實(shí)時(shí)顯示的實(shí)現(xiàn)?

??? 將數(shù)字板上所讀取的幀結(jié)束點(diǎn)標(biāo)志(FLAG)用于實(shí)現(xiàn)幀同步控制,以保證每幀圖像的刷新以及圖像中間隔時(shí)間的延時(shí)。由于在Windows下不能像DOS那樣直接訪問視頻存儲器,因而系統(tǒng)采用DirectDraw技術(shù)[5],并利用Win32下提供的DirectDraw API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。Win32中的DirectDraw提供了對屏幕以及屏幕分辨率的控制而不需要操作SVGA芯片,可以實(shí)現(xiàn)極快的圖像顯示速度、線性內(nèi)存和翻頁。DirectDraw還可對屏幕的分辨率及色彩模式進(jìn)行配置。通過設(shè)置屏幕的主表面(前臺Buffer)和附屬表面(后臺Buffer),開啟兩幀圖像的視頻存儲空間。這樣可直接訪問視頻存儲器,將圖形數(shù)據(jù)極快地合成圖像代碼,提高顯示速度。同時(shí),在圖像寫顯示時(shí),首先將圖像寫到后臺,待幀標(biāo)記來時(shí),再將圖像傳到前臺(翻頁技術(shù))。這種翻頁技術(shù)的使用,可以從視覺上形成整幀圖像的切換,而非單點(diǎn)的切換,從而達(dá)到平滑的實(shí)時(shí)圖像顯示的視覺效果,同時(shí)還可以延緩讀數(shù)的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。圖2是圖像實(shí)時(shí)顯示處理流程圖。?

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

??? 圖3是系統(tǒng)通過PCI口實(shí)現(xiàn)讀數(shù)和實(shí)時(shí)顯示而獲得的128×128面陣256級灰度的圖像。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)可以獲得理想的平滑圖像實(shí)時(shí)顯示結(jié)果,且圖像清晰,結(jié)果較為理想。?

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??? 理論分析與實(shí)驗(yàn)研究表明,本文介紹的基于DSP的紅外熱成像系統(tǒng),由于采用PC機(jī)的PCI口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,具有高速的數(shù)據(jù)交換能力;通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示處理,能實(shí)現(xiàn)圖像的灰度和偽彩色處理;采用Windows下的DirectDraw技術(shù),可直接訪問視頻存儲器,實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的直接寫屏和圖像的翻面技術(shù);用幀結(jié)束點(diǎn)作為幀同步信號,可實(shí)現(xiàn)紅外圖像平滑的實(shí)時(shí)顯示,達(dá)到理想的圖像顯示視覺效果。?

參考文獻(xiàn)?

1 Paul Kruse, Randall Dodson etc. Infrared Imager Employing?160×120 Pixel Uncooled Bolometer Array. SPIE,1998;3436?

2 Zhang Xiaofei, Liu ChengKang,Yuan Xianhui. Infrared?Real-time Thermal System Based on DSP. SPAT,2001;7(2)?

3 TMS320C6000 Technical Brief. TI company, 1999?

4 姜萬波,徐 興.VB下實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備底層訪問的兩種方法.電子技術(shù)應(yīng)用, 2001;27(2)?

5 Charlie Calvert et. C++ Builder 應(yīng)用開發(fā)大全. 北京:清華大學(xué)出版社, 1999

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