CN105827999B - 基于fpga的红外图像采集与处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于FPGA的红外图像采集与处理系统，包括红外探测器、多路A/D数据转换器、温度A/D转换器、FPGA处理器以及TEC供电电路，所述FPGA处理器包括一个编程实现的图像采集处理控制单元和一个编程实现的TEC控制单元；所述图像采集处理控制单元通过所述多路A/D数据转换器与所述红外探测器相连接，所述TEC控制单元通过所述温度A/D转换器与所述红外探测器相连接，所述TEC供电电路一端与所述红外探测器相连接，另一端分别与所述TEC控制单元和图像采集处理控制单元相连接。本发明通过使用多路A/D数据转换器和在采集数据的同时处理数据的方法能大大提升整个系统的数据处理效率，通过改良TEC供电电路提高图像质量和器件寿命。

Description

基于FPGA的红外图像采集与处理系统
技术领域
本发明涉及红外线探测器图像数据处理技术领域，具体涉及一种基于FPGA的红外图像采集与处理系统。
背景技术
红外成像技术能将一些肉眼不可见的红外光波转换成可见的红外图像，从而使人类能以新的角度来观测这个奇妙的世界。目前，红外成像技术在很多领域，例如安防、侦查、检测、医疗、建筑、无损探伤有着越来越多的应用。
传统红外图像采集和处理系统大多利用CPU或者DSP芯片作为核心器件，控制图像的转换，采集，处理，但此类系统在灵活性或系统功耗方面有所欠缺，使用FPGA作为核心器件能有效解决此问题，但一般基于FPGA的图像采集处理系统使用单路A/D转换器，若需温度控制功能，则会使用独立的基于电压的控制器完成TEC控制功能，如专利CN 105391955A所述。此种技术存在一下缺点：(1)普通FPGA图像采集处理系统会等待A/D转换器将输入一帧图像的电信号转换完成之后，再进行数据处理，这样处理数据的时候会有一个等待转换完成的过程，会增加整个系统的时延。(2)独立的控制器会增加整个系统的控制冗余度，降低控制可靠性。(3)使用电压控制的TEC控制单元是改变固定电压的占空比来调整TEC器件的工作时间从而实现温度控制，但电压控制的方法在开关上电的时候会产生脉冲可能会击穿损坏器件或对整个系统的图像信号造成干扰。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于FPGA的红外图像采集与处理系统，包括红外探测器、多路A/D数据转换器、温度A/D转换器、FPGA处理器以及TEC供电电路，所述FPGA处理器包括一个编程实现的图像采集处理控制单元和一个编程实现的TEC控制单元；所述图像采集处理控制单元通过所述多路A/D数据转换器与所述红外探测器相连接，所述TEC控制单元通过所述温度A/D转换器与所述红外探测器相连接，所述TEC供电电路一端与所述红外探测器相连接，另一端分别与所述TEC控制单元和图像采集处理控制单元相连接。
根据本发明的提供的基于FPGA的红外图像采集与处理系统，通过使用多路A/D数据转换器和在采集数据的同时处理数据的方法能大大提升整个系统的数据处理效率，并且通过改良TEC供电电路提高图像质量和器件寿命，使用电流控制来调整TEC器件的温度，使用来调节TEC器件的工作电流，此方法没有频繁的开关上电来改变器件的工作时间，不会产生瞬时的脉冲，从而能保证器件的安全，延长其使用寿命，另外，也能保证整个图像系统的信号不会受到此类脉冲的干扰。
根据本发明上述实施例的基于FPGA的红外图像采集与处理系统还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个示例，所述图像采集处理控制单元包括数据处理单元和图像缓存区，所述数据单元对红外探测器采集到的信息进行数据处理，并存储至所述图像缓存区。
根据本发明的一个示例，所述FPGA包括图像采集处理控制单元和TEC控制单元，即在FPGA片上通过编程实现图像采集处理控制功能的软核和TEC控制功能的软核。
根据本发明的一个示例，所述数据处理单元包括依次数据连接的非均匀校正模块、坏点校正模块、建立直方图模块、直方图均衡系数计算模块、灰度变换系数计算模块、直方图均衡化模块及图像缓存区，所述非均匀校正模块与所述多路A/D数据转换器数据连接。
根据本发明的一个示例，所述坏元校正模块以四个像元为单位缓存数据，缓存完成n+1次输入数据后处理n次输入数据，同时会缓存当前处理数据的上一行图像数据；若当前处理数据为红外探测器的第一行数据，则进行5×1模板的中值滤波校正；若当前处理数据不是红外探测器的第一行数据，则取3×3模板八邻域中的左上邻域、上邻域、右上邻域、左邻域、右邻域五个像素点进行均值滤波校正。
根据本发明的一个示例，所述红外探测器连接有偏置电压输出电路。
根据本发明的一个示例，所述红外探测器包括内置的温度传感器和半导体制冷器，所述温度传感器与所述温度A/D转换器相连接，所述半导体制冷器与所述TEC供电电路相连接。
根据本发明的一个示例，所述TEC控制电路包括可控电压源、放大器、扩流电路及采样电阻，所述可控电压源与所述放大器相连接，所述放大器分别与所述扩流电路和采样电阻相连接，所述扩流电路分别与所述采样电阻和半导体制冷器相连接。
根据本发明的一个示例，所述可控电压源为直流电。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例基于FPGA的红外图像采集与处理系统的示意图；
图2是图像采集处理控制单元在采集多路红外数据的同时进行相关数据处理的示意图；
图3是图像采集处理控制单元在采集多路红外数据的同时进行相关数据处理的流程图；
图4是TEC控制单元控制红外探测温度的示意图；
图5是TEC供电电路的结构框图；
图6是TEC供电电路的电路原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图来详细描述本发明的基于FPGA的红外图像采集与处理系统。
结合附图1-6所示，本实施例提供了一种基于FPGA的红外图像采集与处理系统，包括红外探测器1、多路A/D数据转换器2、温度A/D转换器3和FPGA处理器4以及TEC供电电路5，红外探测器1连接有偏置电压输出电路6，所述FPGA处理器4包括一个编程实现的图像采集处理控制单元41和一个编程实现的TEC控制单元42；图像采集处理控制单元41通过多路A/D数据转换器2与红外探测器1相连接，TEC控制单元42通过温度A/D转换器3与红外探测器1相连接。红外探测器1将采集到的辐射能量转换成电信号，在FPGA处理器4提供的时序下，输入多路A/D数据转换器2之后送入FPGA处理器4的图像采集处理控制单元41，多路A/D数据转换器2将电信号经过放大、抑制干扰、去噪声之后，以多路的方式同时输入到FPGA图像采集控制单元。FPGA图像采集控制单元在采集多路红外数据的同时进行相关数据处理，以提高数据处理速度和系统响应时间，并通过内置TEC控制单元42控制红外探测器1。偏置电压输出电路和红外探测器1相连，偏置电压输出电路为红外探测器1提供偏置电压。
在本实施例中，图像采集处理控制单元41包括数据处理单元和图像缓存区，数据单元对红外探测器1采集到的信息进行数据处理，并存储至图像缓存区。数据处理单元包括依次数据连接的非均匀校正模块、坏点校正模块、建立直方图模块、直方图均衡系数计算模块、灰度变换系数计算模块、直方图均衡化模块及图像缓存区，非均匀校正模块与多路A/D数据转换器2数据连接。
坏元校正模块以四个像元为单位缓存数据，缓存完成n+1次输入数据后处理n次输入数据，同时会缓存当前处理数据的上一行图像数据；若当前处理数据为红外探测器1的第一行数据，则进行5×1模板的中值滤波校正；若当前处理数据不是红外探测器1的第一行数据，则取3×3模板八邻域中的左上邻域、上邻域、右上邻域、左邻域、右邻域五个像素点进行均值滤波校正。
如图2所示，FPGA图像采集和控制单元在采集多路红外数据的同时进行相关数据处理。红外数据从红外探测器1以多路的形式输出至多路A/D数据转换器2，FPGA图像采集和控制单元在A/D数据转换器输出数据的同时对各路数据分别进行数据校正，如坏元校正、非均匀性校正等，校正完成之后的数据输出到图像缓存区，等接收完一帧数据输出做显示或进一步处理之用。
如图3所示，在本实施例中，具体的数据处理流程如下：1、图像数据以4路的方式从多路A/D数据转换器2中输出；2、非均匀性校正模块会读取保存在FPGA的RAM中的非均匀性校正系数，对红外数据进行非均匀性校正；3、坏元校正模块会以4个像元为单位缓存数据，需要缓存三个4路数据(分别是n-1次输入数据，n次输入数据，n+1次输入数据)才会进行坏元校正，在缓存完n+1次输入数据时才处理n次输入数据，同时会缓存当前处理数据的上一行图像数据，坏元校正原则是：若当前处理数据为红外探测器1的第一行数据，则进行5×1模板的中值滤波校正；若当前处理数据不是红外探测器1的第一行数据，则取3×3模板八邻域中的左上邻域、上邻域、右上邻域、左邻域、右邻域五个像素点进行均值滤波校正；4、多路数据会用来建立当前图像数据的直方图；5、根据图像的直方图可以计算出直方图均衡化系数和灰度变换参数，为下一帧的图像处理做准备；6、坏元校正后数据输入直方图均衡模块，直方图均衡模块利用上一帧图像的直方图来计算直方图均衡系数，对当前帧数据进行直方图均衡化处理；7、处理后数据输入图像缓存区；8、重复上述步骤1至步骤7，直到完成整个图像的处理。
如图4所示。红外探测器1包含温度传感器11和半导体制冷器12，温度传感器11能采集红外探测器1的实时温度并通过温度A/D转换器3发送给TEC控制单元42，TEC控制单元42会根据接收到的红外探测器1的实时温度按照温度控制算法改变TEC供电电路5的电流输出值。
如图5和6所示，在本实施例中TEC供电电路5包括可控电压源51、放大器52、扩流电路53及采样电阻54，可控电压源51与放大器相连接，放大器52分别与扩流电路53和采样电阻54相连接，扩流电路53分别与采样电阻54和半导体制冷器12相连接。红外探测器1的实时温度通过温度A/D转换器3发送给TEC控制单元42，TEC控制单元42会根据接收到的红外探测器1的实时温度，按照温度控制算法去改变可控电压源的输出电压，输出电压经过放大器、采样电阻可以产生输出电流，产生的输出电流值与可控电压源的输出电压值成正比，输出电流即为红外探测器1器中半导体制冷器件的输入电流，放大器还可以控制扩流电路的通断，从而实现了红外探测器1的温度控制。
综上所述，本发明实施例提供的基于FPGA的红外图像采集与处理系统，提升了图像采集和处理的效率，其通过使用多路A/D数据转换器和在采集数据的同时处理数据的方法能大大提升整个系统的数据处理效率。本发明的FPGA图像采集控制单元在读取A/D数据转换器输出数据的同时，利用模块保存的坏点列表数据和非均匀性校正参数来处理读取的A/D转换数据，利用上一帧图像的直方图数据进行当前帧图像的直方图均衡和灰度变换，可以节省系统缓存一帧图像的时间和建立直方图、计算直方图均衡系数和灰度变换系数的时间。
本发明使用FPGA编程实现的TEC控制单元，提高整个系统的集成度和控制稳定性。
另外，本发明通过改良TEC供电电路提高图像质量和器件寿命，通过使用电流控制来调整TEC器件的温度，使用来调节TEC器件的工作电流。此方法没有频繁的开关上电来改变器件的工作时间，不会产生瞬时的脉冲，从而能保证器件的安全，延长其使用寿命，而且，也能保证整个图像系统的信号不会受到此类脉冲的干扰。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的红外图像采集与处理系统，其特征在于，包括红外探测器、多路A/D数据转换器、温度A/D转换器、FPGA处理器以及TEC供电电路，所述FPGA处理器包括一个编程实现的图像采集处理控制单元和一个编程实现的TEC控制单元；所述图像采集处理控制单元通过所述多路A/D数据转换器与所述红外探测器相连接，所述TEC控制单元通过所述温度A/D转换器与所述红外探测器相连接，所述TEC供电电路一端与所述红外探测器相连接，另一端分别与所述TEC控制单元和图像采集处理控制单元相连接，所述FPGA包括图像采集处理控制单元和TEC控制单元，即在FPGA片上通过编程实现图像采集处理控制功能的软核和TEC控制功能的软核，所述数据处理单元包括依次数据连接的非均匀校正模块、坏点校正模块、建立直方图模块、直方图均衡系数计算模块、灰度变换系数计算模块、直方图均衡化模块及图像缓存区，所述非均匀校正模块与所述多路A/D数据转换器数据连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的红外图像采集与处理系统，其特征在于，所述坏点校正模块以四个像元为单位缓存数据，缓存完成n+1次输入数据后处理n次输入数据，同时会缓存当前处理数据的上一行图像数据；若当前处理数据为红外探测器的第一行数据，则进行5×1模板的中值滤波校正；若当前处理数据不是红外探测器的第一行数据，则取3×3模板八邻域中的左上邻域、上邻域、右上邻域、左邻域、右邻域五个像素点进行均值滤波校正。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的红外图像采集与处理系统，其特征在于，所述红外探测器连接有偏置电压输出电路。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的红外图像采集与处理系统，其特征在于，所述红外探测器包括内置的温度传感器和半导体制冷器，所述温度传感器与所述温度A/D转换器相连接，所述半导体制冷器与所述TEC供电电路相连接。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的红外图像采集与处理系统，其特征在于，所述TEC控制电路包括可控电压源、放大器、扩流电路及采样电阻，所述可控电压源与所述放大器相连接，所述放大器分别与所述扩流电路和采样电阻相连接，所述扩流电路分别与所述采样电阻和半导体制冷器相连接。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的红外图像采集与处理系统，其特征在于，所述可控电压源为直流电。
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