CN103678196A - 一种红外图像采集与处理系统性能评估装置及评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外图像采集与处理系统性能评估装置及评估方法，其中，装置包括控制单元及处理单元；所述控制单元包括图像装载模块，图像处理模块及主控模块；所述图像装载模块，用于加载未经退化的红外图像；所述图像处理模块通过红外图像处理技术将红外图像文件转换为波形数据文件，作为红外图像采集与处理系统性能评估的数据源；所述主控模块与处理单元连接。采用上述方案，具有自动化程度高、可靠性高、成本低、操作使用简单、通用性强等特点，不仅能模拟探测器引脚端的模拟数据信号和数字数据信号，可同时输出与数据信号对应的帧、行、像元同步信号和相关双采样模式下的SHD和SHP同步信号。
Description
技术领域
本发明属于红外图像采集与处理技术领域，尤其涉及的是一种红外图像采集与处理系统性能评估装置及评估方法。
背景技术
目前，红外成像技术已广泛应用于军事、工业、农业、医疗和科学研究等各个领域。红外成像系统主要包括红外光学系统、红外探测器件及其红外图像采集与处理系统，红外图像采集与处理系统是红外成像系统的关键部分，其性能优劣直接决定了红外成像系统的整体性能。在红外图像采集与处理系统性能评估中，需用大量的不同状态红外图像进行训练和测试。若直接使用红外探测器件通过靶场试验获得图像进行性能评估具有很大的局限性。一是红外探测器的研制、采购等会影响红外图像采集与处理系统的研制进度；二是由于对系统的测试不可能一次性成功完成，需要多次插拔探测器件来测试系统的性能，这样会对探测器件带来风险；三是前端光路系统功能的不确定性会导致后端红外图像采集与处理系统测试的不确定性。四是红外图像采集要耗费很长的时间和大量的人力物力，另外很难获得各种气象条件下的红外图像，而且许多军事目标的红外图像也是难以拍摄到。所以如何有效的评估红外图像采集与处理系统性能一直处于混乱状态，没有一个通用有效的装置及方法来满足评估需求。因此，亟需一种通用红外探测器可编程模拟器，能够模拟各种探测器信号，尤其是其图像输出信号的装置及方法对红外图像采集与处理系统进行性能评估。
在红外探测器件输出信号模拟中，现有两种技术方案与本方案相近，其中一种方案如图1所示，整个系统的实现过程:通过应用程序从外场试验红外图像数据库中调用相应的红外仿真图像数据,主机驱动程序将红外仿真图像数据写入主机内存,然后通知FPGA将PC机内存中的红外仿真图像数据通过PCI总线读出,并且写入SDRAM中,最后再由FPGA从SDRAM中读出红外仿真图像数据并且按照规定的协议发送给后级红外实时信号处理平台。由于这种系统是通过计算机的PCI接口（或USB接口）将红外场景图像注入到探测器模拟器中，必须配备固定的电脑主机，且无法输出模拟信号。另外一种探测器模拟器方案的功能框图如图2所示，计算机程序可以通过RS232串口控制探测器模拟器选择输出128×128、256×256、320×256等不同分辨率的图像。探测器模拟器的图像数据来源有两个：一个是由模拟器自动生成一幅均匀的背景图像，另一个是通过串口从计算机把实拍场景或仿真生成场景下载并固化到探测器模拟器内部的Flash存储器中。探测模拟器实现了对真实探测器输入输出接口的模拟，可以在一些红外成像系统信息处理机初次调试时代替红外成像传感器，使红外成像系统信息处理机出现故障时不至于损坏昂贵的红外成像探测器。但是仍必须配备计算机，而且使用串口，其传输速度受到极大影响。
综上两种技术方案，现有红外成像探测器模拟器设计都只是单纯、简单的出于为红外信号处理平台提供图像数据源的考虑而设计的，它们都必须配备固定的电脑主机，不具有集成化的特点，也都没有考虑到探测器在成像过程中对图像的影响，不能根据真实红外场景明确探测器参数，退化图像，在对红外图像采集与处理系统的性能评估测试中，具有很大的局限性。
国外关于红外图像采集与处理系统的性能评估由于属于军用，存在一定的涉密性，所以未见报道。国内也只有少数院校或研究机构设计了一些红外成像探测器模拟器的硬件实现，这些设计构架基本类似，都是通过计算机的PCI接口将红外场景图像注入到探测器模拟器中，探测器模拟器对图像进行缓存和时序整理后按照红外实时信号处理平台的需求输出，因此都存在很多局限性。首先，大部分都只是单纯、简单的出于为红外信号处理平台提供图像数据源的考虑而设计的，没有考虑到相关红外参数（如噪声参数）的模拟；其次，通用性差，探测器参数可调节能力有限，如模拟信号输出动态范围窄、阵列规模选择性少、输出频率不可调、无图像数据同步输出等缺陷；并且现有红外成像探测器模拟器都是固定的电脑主机配备数据处理平台实现模拟器的功能，在实施搬运中不方便，不具有集成化的特点。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种红外图像采集与处理系统性能评估装置及评估方法。
本发明的技术方案如下：
一种红外图像采集与处理系统性能评估装置，包括控制单元及处理单元；其中，所述控制单元包括图像装载模块，图像处理模块及主控模块；所述图像装载模块，用于加载未经退化的红外图像；所述图像处理模块通过红外图像处理技术将红外图像文件转换为波形数据文件，作为红外图像采集与处理系统性能评估的数据源；所述主控模块与处理单元连接；所述主控模块，用于对所述处理单元进行控制，根据预设的红外图像退化模型完成图像波形转换、波形显示和编辑、设置探测器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间的设置，编辑波形数据。
所述的评估装置，其中，所述处理单元包括第一处理单元及第二处理单元；所述第一处理单元，用于DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号，在时钟信号的作用下，同步信号模块根据主控模块的要求，输出D/A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号；所述第二处理单元，用于将帧、行、像元、CDS同步信号经接口电路输入，在同步信号延迟模块的同步下，经DAC模块和存储器模块输出模拟信号。
所述的评估装置，其中，所述第一处理单元包括DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块、同步信号产生模块、同步延迟模块、存储器模块和DAC模块；所述DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块为NBC12429芯片，用于产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号；所述同步信号模块在时钟信号的作用下，根据所述主控模块的要求，输出D/A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号，用于同步模拟信号的输出以及为红外图像采集与处理系统提供同步信号；所述同步信号延迟模块将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器模块、DAC模块传输延迟的影响；所述存储器模块为EEPROM存储器，用以波形数据存储；所述DAC模块为数字模拟转换器，用于实现数字量-模拟量的转换。
所述的评估装置，其中，所述第二处理单元包括接口电路、同步信号延迟模块、DAC模块和存储器模块；所述接口电路用于将外界输入的像元、帧、行、CDS同步信号传输到同步信号延迟模块；所述同步信号延迟模块将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器模块、DAC模块传输延迟的影响；所述存储器模块为EEPROM存储器，用以波形数据存储；所述DAC模块为数字模拟转换器，用于实现数字量-模拟量的转换。
所述的评估装置，其中，所述同步信号延迟模块，用于将模拟信号与同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器、DAC转换等的传输延迟的影响，最终输出模拟信号。
一种红外图像采集与处理系统性能评估装置的评估方法，其中，包括以下步骤：
步骤1：建立基于各种复杂环境和干扰条件下目标与背景红外场景的图像退化模型；
步骤2：通过人机接口和主控模块装载图像并采用图像处理技术将图像快速转换为波形数据，将转换的波形数据存储在存储器模块中；编辑波形参数、模拟器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间；
步骤3：主控模块控制DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生精准时钟，通过精准时钟从存储器模块中取出波形数据，同时控制同步信号产生电路产生与波形数据相应的帧、行、像元和CDS同步信号；或通过接口电路从外界输入像元、帧、行、CDS同步信号；
步骤4：在控制帧、行、像元、CDS同步信号和模拟信号之间的相位关系的基础上，同步输出波形数据转换成的模拟信号；
步骤5：将输出的模拟信号转换成灰度图像，得到一幅退化模型已知的红外退化图像，通过主控模块更改波形输出参数，得到任意的红外退化图像，将红外退化图像作为红外图像采集与处理系统的数据源，利用红外图像对应的退化模型处理图像，通过对比处理后的图像和未经退化的红外源图像，评估红外图像采集与处理系统的处理性能。
所述的评估方法，其中，所述步骤1中，所述退化模型设置退化原始图像、还原真实的红外场景、重建被退化的图像或复原被退化的图像。
所述的评估方法，其中，所述退化模型为叠加热噪声、散粒噪声、产生复合噪声、1/f噪声、辐射或光子噪声、或像元串音。
所述的评估方法，其中，所述步骤5中，所述输出波形为串行输出的一幅图像，设置每个时钟代表一个像元，并设置高电平代表信号，低电平代表本底，利用图像灰度等级原理，将波形的最高电压对应灰度值255，波形的最低电压对应灰度值0，波形模拟像元在高电平与低电平之间的任何一个电压值，将按线性关系对应相应的灰度值。
采用上述方案，以仪器化的形式进行推广，具有自动化程度高、可靠性高、成本低、操作使用简单、通用性强、可扩展性、可维护性和可生产性等特点，不仅能模拟探测器引脚端的模拟数据信号和数字数据信号，可同时输出与数据信号对应的帧、行、像元同步信号和相关双采样模式下的SHD和SHP同步信号，亦可输入相关同步信号进行模拟信号输出，同时具有红外图像噪声参数模拟、阵列规模可调、输出电压幅度可调、频率可调、同步信号相位关系可调、数字数据与模拟数据同步输出等功能，大大增强了其通用性。该技术优化了红外图像采集与处理系统的评估方法，填补我国在红外武器装备系统测试方面的空白，为我国在红外数据采集系统相关产业的发展提供强有力的技术保障。
附图说明
图1为现有技术中数字图像注入式红外探测器仿真系统系统框图。
图2为现有技术中红外探测器模拟器功能框图。
图3为本发明红外探测器可编程模拟器原理框图。
具体实施方式（参考之前修改稿补说明书，由我来补）
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
如图3所示，一种红外图像采集与处理系统性能评估装置10，包括控制单元101及处理单元102；其中，所述控制单元包括图像装载模块，图像处理模块及主控模块；所述图像装载模块，用于加载未经退化的红外图像；所述图像处理模块通过红外图像处理技术将红外图像文件转换为波形数据文件，作为红外图像采集与处理系统性能评估的数据源；所述主控模块与处理单元连接；所述主控模块，用于对所述处理单元进行控制，根据预设的红外图像退化模型完成图像波形转换、波形显示和编辑、设置探测器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间的设置，编辑波形数据。
所述的评估装置，其中，所述处理单元包括第一处理单元201及第二处理单元202；所述第一处理单元201，用于DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号，在时钟信号的作用下，同步信号模块根据主控模块的要求，输出D/A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号；所述第二处理单元202，用于将帧、行、像元、CDS同步信号经接口电路输入，在同步信号延迟模块的同步下，经DAC模块和存储器模块输出模拟信号。
所述第一处理单元201包括DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块、同步信号产生模块、同步延迟模块、存储器模块和DAC模块；所述DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块为NBC12429芯片，用于产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号；所述同步信号模块在时钟信号的作用下，根据所述主控模块的要求，输出D/A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号，用于同步模拟信号的输出以及为红外图像采集与处理系统提供同步信号；所述同步信号延迟模块将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器模块、DAC模块传输延迟的影响；所述存储器模块为EEPROM存储器，用以波形数据存储；所述DAC模块为数字模拟转换器，用于实现数字量-模拟量的转换。
所述第二处理单元202包括接口电路、同步信号延迟模块、DAC模块和存储器模块；所述接口电路用于将外界输入的像元、帧、行、CDS同步信号传输到同步信号延迟模块；所述同步信号延迟模块将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器模块、DAC模块传输延迟的影响；所述存储器模块为EEPROM存储器，用以波形数据存储；所述DAC模块为数字模拟转换器，用于实现数字量-模拟量的转换。
所述同步信号延迟模块，用于将模拟信号与同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器、DAC转换等的传输延迟的影响，最终输出模拟信号。
本发明基于上述装置还提供一种红外图像采集与处理系统性能评估装置的评估方法，其中，包括以下步骤：
步骤1：建立基于各种复杂环境和干扰条件下目标与背景红外场景的图像退化模型；
步骤2：通过人机接口和主控模块装载图像并采用图像处理技术将图像快速转换为波形数据，将转换的波形数据存储在存储器模块中；编辑波形参数、模拟器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间；
步骤3：主控模块控制DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生精准时钟，通过精准时钟从存储器模块中取出波形数据，同时控制同步信号产生电路产生与波形数据相应的帧、行、像元和CDS同步信号；或通过接口电路从外界输入像元、帧、行、CDS同步信号；
步骤4：在控制帧、行、像元、CDS同步信号和模拟信号之间的相位关系的基础上，同步输出波形数据转换成的模拟信号；
步骤5：将输出的模拟信号转换成灰度图像，得到一幅退化模型已知的红外退化图像，通过主控模块更改波形输出参数，得到任意的红外退化图像，将红外退化图像作为红外图像采集与处理系统的数据源，利用红外图像对应的退化模型处理图像，通过对比处理后的图像和未经退化的红外源图像，评估红外图像采集与处理系统的处理性能。
所述步骤1中，所述退化模型设置退化原始图像、还原真实的红外场景、重建被退化的图像或复原被退化的图像。
所述退化模型为叠加热噪声、散粒噪声、产生复合噪声、1/f噪声、辐射或光子噪声、或像元串音。
所述步骤5中，所述输出波形为串行输出的一幅图像，设置每个时钟代表一个像元，并设置高电平代表信号，低电平代表本底，利用图像灰度等级原理，将波形的最高电压对应灰度值255，波形的最低电压对应灰度值0，波形模拟像元在高电平与低电平之间的任何一个电压值，将按线性关系对应相应的灰度值。
采用上述方案，可以生成与真实红外场景相匹配的红外退化图像作为评估测试用数据源，而且是可编程的数据模拟，例如图像对应的模拟信号频率、探测器规模、探测器输出动态范围等，同时在接口上集成了模拟数据与数字数据信号的同步输出，在结构上做成了一体化的台式机样式，真正做到了模拟器的通用性和实用性。这样便可以解决目前红外图像采集与处理系统性能评估测试难题，减小了评估测试成本，缩短了评估测试时间，优化了评估测试方法。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种红外图像采集与处理系统性能评估装置，包括控制单元及处理单元；其特征在于，所述控制单元包括图像装载模块，图像处理模块及主控模块；所述图像装载模块，用于加载未经退化的红外图像；所述图像处理模块通过红外图像处理技术将红外图像文件转换为波形数据文件，作为红外图像采集与处理系统性能评估的数据源；所述主控模块与处理单元连接；所述主控模块，用于对所述处理单元进行控制，根据预设的红外图像退化模型完成图像波形转换、波形显示和编辑、设置探测器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间的设置，编辑波形数据。
2.如权利要求1所述的评估装置，其特征在于，所述处理单元包括第一处理单元及第二处理单元；所述第一处理单元，用于DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号，在时钟信号的作用下，同步信号模块根据主控模块的要求，输出D/A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号；所述第二处理单元，用于将帧、行、像元、CDS同步信号经接口电路输入，在同步信号延迟模块的同步下，经DAC模块和存储器模块输出模拟信号。
3.如权利要求2所述的评估装置，其特征在于，所述第一处理单元包括DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块、同步信号产生模块、同步延迟模块、存储器模块和DAC模块；所述DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块为NBC12429芯片，用于产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号；所述同步信号模块在时钟信号的作用下，根据所述主控模块的要求，输出D/A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号，用于同步模拟信号的输出以及为红外图像采集与处理系统提供同步信号；所述同步信号延迟模块将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器模块、DAC模块传输延迟的影响；所述存储器模块为EEPROM存储器，用以波形数据存储；所述DAC模块为数字模拟转换器，用于实现数字量-模拟量的转换。
4.如权利要求2所述的评估装置，其特征在于，所述第二处理单元包括接口电路、同步信号延迟模块、DAC模块和存储器模块；所述接口电路用于将外界输入的像元、帧、行、CDS同步信号传输到同步信号延迟模块；所述同步信号延迟模块将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器模块、DAC模块传输延迟的影响；所述存储器模块为EEPROM存储器，用以波形数据存储；所述DAC模块为数字模拟转换器，用于实现数字量-模拟量的转换。
5.如权利要求1所述红外图像采集与处理系统性能评估装置的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立基于各种复杂环境和干扰条件下目标与背景红外场景的图像退化模型；
步骤2：通过人机接口和主控模块装载图像并采用图像处理技术将图像快速转换为波形数据，将转换的波形数据存储在存储器模块中；编辑波形参数、模拟器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间；
步骤3：主控模块控制DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生精准时钟，通过精准时钟从存储器模块中取出波形数据，同时控制同步信号产生电路产生与波形数据相应的帧、行、像元和CDS同步信号；或通过接口电路从外界输入像元、帧、行、CDS同步信号；
步骤4：在控制帧、行、像元、CDS同步信号和模拟信号之间的相位关系的基础上，同步输出波形数据转换成的模拟信号；
步骤5：将输出的模拟信号转换成灰度图像，得到一幅退化模型已知的红外退化图像，通过主控模块更改波形输出参数，得到任意的红外退化图像，将红外退化图像作为红外图像采集与处理系统的数据源，利用红外图像对应的退化模型处理图像，通过对比处理后的图像和未经退化的红外源图像，评估红外图像采集与处理系统的处理性能。
6.如权利要求5所述的评估方法，其特征在于，所述步骤1中，所述退化模型设置退化原始图像、还原真实的红外场景、重建被退化的图像或复原被退化的图像。
7.如权利要求5所述的评估方法，其特征在于，所述退化模型为叠加热噪声、散粒噪声、产生复合噪声、1/f噪声、辐射或光子噪声、或像元串音。
8.如权利要求5所述的评估方法，其特征在于，所述步骤5中，所述输出波形为串行输出的一幅图像，设置每个时钟代表一个像元，并设置高电平代表信号，低电平代表本底，利用图像灰度等级原理，将波形的最高电压对应灰度值255，波形的最低电压对应灰度值0，波形模拟像元在高电平与低电平之间的任何一个电压值，将按线性关系对应相应的灰度值。
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- 2013-12-18 CN CN201310700148.1A patent/CN103678196B/zh not_active Expired - Fee Related
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