CN204286600U - 一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块,首先利用探测器采集低温黑体图像和高温黑体图像,经两点校正红外热像仪的非均匀性的模块接收后进行加权平均运算,运算结果存入串行FLASH,完成定标;校正时先从串行FLASH中读出定标图像存入外部存储器,待有效数据到来后实时计算校正参数,同时标志出坏元位置,完成校正和坏元替代。本实用新型在定标时引入多帧加权平均,提高了定标的准确性;引入外部存储器仲裁控制,把定标、校正和FLASH操作综合在一起,算法高度模块化,提高了可移植性;在校正的同时定位坏元,完成了坏元替代。
Description
技术领域
本实用新型属于红外热成像系统的非均匀性校正领域,特别是一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块。
背景技术
在过去的几十年中,红外探测器件的元数不断增加,由单元发展到线列,由线列发展到焦平面阵列(FPA)。红外焦平面阵列探测器的出现,是红外成像史上一个划时代的革命,它大幅提高了红外成像系统的灵敏度和可靠性。作为现代红外系统和热成像系统的关键部件,凝视型红外焦平面阵列(IRFPA)器件成本低廉,体积小,无需制冷,目前已在军事(红外跟踪、预警、制导)、医疗、安全等方面得到广泛应用,用它构成的红外成像系统较传统的光机扫描红外成像系统具有结构简单、工作稳定、灵敏度高、噪声等效温差(NETD)小等优点。
然而,受红外探测器材料和工艺方面的影响,红外焦平面阵列的非均匀性问题成为长期以来制约其应用的根本问题。一般意义上的非均匀性是指红外焦平面阵列在同一均匀辐射下由于探测器各像元的红外响应度不一致导致其视频输出幅度不同,造成像质降低,又称空间噪声;更进一步意义上的非均匀性还包括由焦平面阵列所处环境的温度变化、电荷传输效率、1/f噪声(电流噪声)、无效探测元(坏元)以及红外光学系统等诸多因素所造成的成像质量的下降。这种固定的图像噪声,使红外成像系统的温度分辨率下降,图像质量受到严重影响。因此,必须对红外焦平面阵列进行非均匀性校正。
目前普遍采用后期算法处理来补偿空间非均匀性。总起来说,可以将这些技术分为二大类,即基于定标和基于场景的非均匀性校正技术。最初开发使用的是基于定标的非均匀性校正技术,其中较为成熟的方法是基于探测元的单点、两点及多点定标算法,它们以普朗克辐射定律和红外探测元的线性响应模型为基础,现阶段广泛应用于成像系统之中。近年来,各种基于场景的非均匀性校正技术也不断涌现,以弥补温漂现象,避开定标过程;但在面临极端场景,如场景静止、镜头旋转或反差极大的场景反复切换时,校正效果会大幅退化,甚至无法观察;另外,受限于现有的系统结构和硬件水平,只能用于软件仿真或后续处理,还无法做到实时,实际应用尚不成熟。比较而言,基于定标的非均匀性校正更为精确,对于场景和目标没有特殊要求,硬件易于实现和集成,是红外焦平面阵列系统公认的评估手段。
为获得更高的帧频和更好的图像质量,红外热像仪的探测器和外部存储器设备不断更新换代,每次系统架构升级都必须重新编写两点校正的处理程序,进行了大量重复性工作,延长了开发周期。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块,结合FPGA+外部存储器的系统构架,使热像仪在实际使用过程中满足在线定标和实时校正的要求。
实现本实用新型目的的技术解决方案为:一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块,包括数据格式调整模块、串口指令解析模块、定标控制模块、加权平均运算模块、外部存储器仲裁控制模块、第一FIFO缓冲区、第二FIFO缓冲区、求均值模块、并转串及FLASH控制器、、内部寄存器、两点参数计算模块、两点校正模块和坏元替代模块。
加权平均运算模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块和外部存储器仲裁控制模块连接,外部存储器仲裁控制模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块、第二FIFO缓冲区、求均值模块和两点参数计算模块连接,定标控制模块分别与数据格式调整模块和串口指令解析模块连接,两点校正模块分别与串口指令解析模块、第一FIFO缓冲区、两点参数计算模块和坏元替代模块连接,并转串及FLASH控制器与第二FIFO缓冲区连接,数据格式调整模块与第一FIFO缓冲区连接,两点参数计算模块与坏元替代模块连接,外部存储器仲裁控制模块再外接外部存储器,外部存储器仲裁控制模块、求均值模块、并转串及FLASH控制器和内部寄存器分别外接串行FLASH。
数据格式调整模块把红外热像仪的探测器采集的原始数据转化为标准格式数据,即当前帧A,并送到定标控制模块和第一FIFO缓冲区;把红外热像仪的探测器对准低温黑体,串口指令解析模块对上位机的定标命令进行解析,并把得到的累加帧数p和存低温使能送入定标控制模块,权值参数q送入加权平均运算模块;定标控制模块控制当前帧A送到加权平均运算模块进行加权平均运算,发送读写指令给外部存储器仲裁控制模块,在外部存储器中读出存储帧B并写入均值帧C,循环迭代p次后,最终的均值帧C低温定标图像L。
外部存储器仲裁控制模块接收各读写指令,对它们在时间上进行安排,发送读写请求、地址和数据给外部存储器,控制外部存储器依次循环响应各读写指令;再把红外热像仪的探测器对准高温黑体,重复上述过程,得到高温定标图像H;串口指令解析模块发送写FLASH使能信号给外部存储器仲裁控制模块,从外部存储器中同时读出低温定标图像L和高温定标图像H,分别送入求均值模块和第二FIFO缓冲区;求均值模块分别求出低温定标图像L的均值和高温定标图像H的均值并把它们存入串行FLASH的用户区域;第二FIFO缓冲区用来实现速率匹配,缓冲后的数据送入并转串及FLASH控制器;并转串及FLASH控制器完成对串行FLASH的配置,把低温定标图像L和高温定标图像H转化为串行数据,依次顺序写入串行FLASH用户区域,至此定标操作完成。
系统重新上电后,自动从串行FLASH中依次读出低温定标图像L和高温定标图像H并送至外部存储器仲裁控制模块,由其写入外部存储器指定位置;串行FLASH自动读出低温定标图像的均值和高温定标图像的均值存入内部寄存器中;当一帧标准数据到达第一FIFO缓冲区时,就通过外部存储器仲裁控制模块同时读出低温定标图像L和高温定标图像H,从内部寄存器中读出低温定标图像的均值和高温定标图像的均值一起送到两点参数计算模块,通过两点参数计算模块计算得到增益校正系数K和偏置校正系数B,并将增益校正系数K和偏置校正系数B送入两点校正模块进行校正,得到校正后的图像Y,若增益校正系数K和偏置校正系数B的值超过设定的阈值,就把坏元标志位置为1,否则置为0,坏元标志位送入坏元替代模块;将校正后的图像Y再送入坏元替代模块,坏元替代模块检测坏元标志位,一旦发现为1,就把该处对应的像素值用缓存的前面一个的像素值替换,至此校正处理完成,将得到的最终图像输出。
第一FIFO缓冲区起到数据同步的作用,把标准数据、增益校正系数K和偏置校正系数B对齐,一起送入两点校正模块。
上述加权平均运算模块的加权平均运算公式为:
其中C为均值帧,即单次取平均得到的一帧图像。
两点参数计算模块的两点参数计算公式为:
两点校正模块的两点校正公式为:
Y=K·X+B
X代表数据格式调整模块输出的标准数据。
本实用新型与现有技术相比,其显著优点:(1)定标过程中引入多帧加权平均算法,累加帧数可从1调至1024,从而减小随机噪声带来的干扰,提高进入FLASH中参数的准确性;(2)硬件高度模块化,内部参数和控制信号均由外部配置,可移植性好,定标、校正及FLASH操作全部综合在一起,操作简便,利于维护,能适应不同帧频和数据格式,通用性强;(3)处理过程全部用硬件实现,速度快,满足实时性要求,在两点校正的同时完成坏元替代,简化了处理步骤。
附图说明
图1是本实用新型一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块的处理流程图。
图2是真实场景的红外视频序列的两点校正效果图,其中图(a)为无坏元检测的采用单帧高低温图像定标的校正图像,图(b)为含坏元检测的采用多帧加权平均的高低温图像定标的校正图像。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
本实用新型是一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块。其原理为:首先利用探测器采集低温黑体图像和高温黑体图像,经两点校正红外热像仪的非均匀性的模块接收后进行加权平均运算,运算结果存入串行FLASH,完成定标;校正时先从串行FLASH中读出定标图像存入外部存储器,待有效数据到来后实时计算校正参数,同时标志出坏元位置,完成校正和坏元替代。
结合图1,一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块,其特征在于:包括数据格式调整模块、串口指令解析模块、定标控制模块、加权平均运算模块、外部存储器仲裁控制模块、第一FIFO缓冲区、第二FIFO缓冲区、求均值模块、并转串及FLASH控制器、内部寄存器、两点参数计算模块、两点校正模块和坏元替代模块。
加权平均运算模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块和外部存储器仲裁控制模块连接,外部存储器仲裁控制模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块、第二FIFO缓冲区、求均值模块和两点参数计算模块连接,定标控制模块分别与数据格式调整模块和串口指令解析模块连接,两点校正模块分别与串口指令解析模块、第一FIFO缓冲区、两点参数计算模块和坏元替代模块连接,并转串及FLASH控制器与第二FIFO缓冲区连接,数据格式调整模块与第一FIFO缓冲区连接,两点参数计算模块与坏元替代模块连接,外部存储器仲裁控制模块再外接外部存储器,外部存储器仲裁控制模块、求均值模块、并转串及FLASH控制器和内部寄存器分别外接串行FLASH。
数据格式调整模块把红外热像仪的探测器采集的原始数据转化为标准格式数据,即当前帧A,并送到定标控制模块和第一FIFO缓冲区;把红外热像仪的探测器对准低温黑体,串口指令解析模块对上位机的定标命令进行解析,并把得到的累加帧数p和存低温使能送入定标控制模块,权值参数q送入加权平均运算模块;定标控制模块控制当前帧A送到加权平均运算模块进行加权平均运算,发送读写指令给外部存储器仲裁控制模块,在外部存储器中读出存储帧B并写入均值帧C,循环迭代p次后,最终的均值帧C低温定标图像L。
外部存储器仲裁控制模块接收各读写指令,对它们在时间上进行安排,发送读写请求、地址和数据给外部存储器,控制外部存储器依次循环响应各读写指令;再把红外热像仪的探测器对准高温黑体,重复上述过程,得到高温定标图像H;串口指令解析模块发送写FLASH使能信号给外部存储器仲裁控制模块,从外部存储器中同时读出低温定标图像L和高温定标图像H,分别送入求均值模块和第二FIFO缓冲区;求均值模块分别求出低温定标图像L的均值和高温定标图像H的均值并把它们存入串行FLASH的用户区域;第二FIFO缓冲区用来实现速率匹配,缓冲后的数据送入并转串及FLASH控制器;并转串及FLASH控制器完成对串行FLASH的配置,把低温定标图像L和高温定标图像H转化为串行数据,依次顺序写入串行FLASH用户区域,至此定标操作完成。
系统重新上电后,自动从串行FLASH中依次读出低温定标图像L和高温定标图像H并送至外部存储器仲裁控制模块,由其写入外部存储器指定位置;串行FLASH自动读出低温定标图像的均值和高温定标图像的均值存入内部寄存器中;当一帧标准数据到达第一FIFO缓冲区时,就通过外部存储器仲裁控制模块同时读出低温定标图像L和高温定标图像H,从内部寄存器中读出低温定标图像的均值和高温定标图像的均值一起送到两点参数计算模块,通过两点参数计算模块计算得到增益校正系数K和偏置校正系数B,并将增益校正系数K和偏置校正系数B送入两点校正模块进行校正,得到校正后的图像Y,若增益校正系数K和偏置校正系数B的值超过设定的阈值,就把坏元标志位置为1,否则置为0,坏元标志位送入坏元替代模块;将校正后的图像Y再送入坏元替代模块,坏元替代模块检测坏元标志位,一旦发现为1,就把该处对应的像素值用缓存的前面一个的像素值替换,至此校正处理完成,将得到的最终图像输出;
第一FIFO缓冲区起到数据同步的作用,把标准数据、增益校正系数K和偏置校正系数B对齐,一起送入两点校正模块。
一种两点校正红外热像仪的非均匀性的方法,方法步骤如下:
红外探测器采集视频序列时,由于探测器各像元对相同的辐射照射有不一致的响应,使得显示图像上叠加了一层固定图案噪声,即非均匀性,这会严重影响图像质量。根据探测器像元的辐照度-电压模型,可以将探测器响应近似为线性,即y(i,j)=g(i,j)·x(i,j)+o(i,j),各像元点之间g(i,j)和o(i,j)的差异可以认为是非均匀性产生的根源。为了消除这种影响,可根据高低温图像均值得到的两个点确定一条参考直线,通过对每一个像元点的g(i,j)和o(i,j)进行校正,把它们都校正到参考曲线上,使得输出图像均匀。硬件实现的最终目的就是求出探测器每个像元点处的增益校正系数wn(i,j)和偏置校正系数bn(i,j),把由wn(i,j)和bn(i,j)构成的增益校正系数矩阵w(i,j)和b(i,j)存入外部存储器,每当有效数据到来时就读出相应位置的系数进行校正,补偿非均匀性带来的干扰。
校正公式为:x(i,j)=w(i,j)·y(i,j)+b(i,j),其中增益系数校正矩阵w(i,j)和偏置系数校正矩阵b(i,j)分别为
硬件实现主要包含定标和校正两个部分,过程中用到的外部配置系数、使能信号均由上位机通过串口发送。
红外热像仪采集到实时红外视频序列的原始数据,首先送入内部的数据格式调整模块,为数据格式调整模块配置所需的行列数及有效数据位置信息,就能把原始数据整合为标准数据的格式,作为当前帧A,用于后续定标及校正,标准数据的格式为每帧前面是连续有效数据,后面紧接着是连续无效数据。
接下来进行高低温场景在线定标。将红外热像仪的探测器对准低温黑体,待红外热像仪的探测器工作稳定,黑体温度均匀后,开始采集低温图像。利用串口设置权值参数q和累加帧数p,p范围为0,1,2,3…1024,q范围为0,1,2,3…1024,并给出存储低温图像的使能信号,串口指令解析模块接收到该低温图像使能信号后,由定标控制模块控制外部存储器仲裁控制模块在外部存储器内存入一幅图像,即存储帧B,然后从外部存储器读出存储帧B,在加权平均运算模块中将当前帧A和存储帧B对应位置的每一个像素采集值进行加权平均,公式为:
其中C为均值帧,即单次取平均得到的一帧图像,将C存入存储帧B的对应位置,覆盖B的值作为新的存储帧,重复上述加权平均过程p次,得到低温定标图像L。权值参数q与累加帧数p协同作用,设置的权值参数q的值越小,当前帧A对低温定标图像L的影响就越小,与之配合的累加帧数p的值则越大,这样对系统随机噪声的抑制作用也越强;设置的权值参数q的值越大,当前帧A对低温定标图像L的影响就越大,与之配合的累加帧数p的值则越小,这样定标准确性受随机噪声的影响就变大;当q=1024或p=1时,退化为单帧定标的情况。
将红外热像仪的探测器对准高温黑体,参照上述定标流程,利用串口给出存储高温图像的使能信号,得到加权平均后的高温定标图像H。
串口指令解析模块发出写FLASH使能信号,由外部存储器仲裁控制模块控制外部存储器同时读出低温定标图像L和高温定标图像H,并在求均值模块中累加取平均值分别得到低温定标图像L的响应均值和高温定标图像H的响应均值经并转串及FLASH控制器并串转换后存入串行FLASH的用户区域;分别选择80度的高温黑体和0度的低温黑体,在控制信号作用下完成步骤1)的定标过程,将读出的低温定标图像L′和高温定标图像H′,以及低温响应均值和高温响应均值一起存入串行FLASH的出厂区域,至此定标操作完成。
接下来进行实时的校正操作。每次系统上电稳定后,自动从串行FLASH的用户区域读出L和H,存入外部存储器的指定区域,读出响应均值和存入内部寄存器,如需恢复出厂设置,则从串行FLASH的出厂区域读出L′和H′存入外部存储器,读出和存入内部寄存器中。待有效数据到来,同时读出L、H、和在两点参数计算模块中确定两点校正参数,公式为:
其中,K表示两点校正的增益校正系数,B表示两点校正的偏置校正系数;具体应用时,增益校正系数K的范围一般在0.5到1.5之间,偏置校正系数B的范围一般在-400到400之间,为保证计算精度,避免分子出现负数,需先将增益校正系数K的分子放大1024倍,偏置校正系数B叠加一个1024的偏置,公式变为:
同时检测增益校正系数K和偏置校正系数B的值,若某一像素点出现一个极大的K或B值,超出了设定的阈值,则说明该处的H-L趋近于0,即高温和低温目标在该点响应不正常,判断为坏元,在所有检测到的此类位置上将坏元标志位置为1,其它正常情况下置为0。
从第一FIFO缓冲区把有效数据、增益校正系数K和偏置校正系数B进行缓冲,然后同时读出,使三者的位置对齐,用增益校正系数K和偏置校正系数B对有效数据进行校正,公式为:
Y=K·X+B
其中,X代表数据格式调整模块输出的标准数据,Y代表校正后的图像;具体应用时,为恢复正常的增益校正系数K和偏置校正系数B,公式变为:
将校正后的图像Y再送入坏元替代模块,坏元替代模块检测坏元标志位,一旦发现为1,就把该处对应的像素值用缓存的前面一个的像素值替换,至此校正处理完成,将得到的最终图像输出。
上述处理过程中所有对外部存储器的读写操作均通过外部存储器仲裁控制模块统一管理。一般外部存储器读写速度较快,而红外热像仪采集实时红外视频序列和FLASH的读写速度较慢,因此采用分时复用的思想,先为第一个对外部存储器的读写请求分配一定的支配时间,使其在该时间段内独占外部存储器资源,然后依次为其它读写请求分配外部存储器的支配时间,轮换处理各个读写请求;这样实际上是把外部存储器在时间上分割成多个部分,再把它们分配给不同的读写请求使用。
实施例1
探测器选用384×288像素的非制冷型红外热像仪,采集的帧频为50帧每秒,两点校正红外热像仪的非均匀性的模块选用ALTERA公司的EP3C40F484I7芯片,外部存储器选用SDRAM,型号为MT48LC16M16A2FG,用该系统对真实场景进行观察。结合图2,其中,图2(a)为无坏元检测的采用单帧高低温图像定标的校正图像,图2(b)为含坏元检测的采用多帧加权平均的高低温图像定标的校正图像。可以看出,图2(a)中的图像存在较多竖纹和斑点,仍然存在坏元,而图2(b)中的图像较为平滑,坏元已被替代。本实用新型通过高度模块化实现,适用于SRAM、SDRAM、DDR等不同外部存储器系统,可以方便的移植。
Claims (2)
1.一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块,其特征在于:包括数据格式调整模块、串口指令解析模块、定标控制模块、加权平均运算模块、外部存储器仲裁控制模块、第一FIFO缓冲区、第二FIFO缓冲区、求均值模块、并转串及FLASH控制器、内部寄存器、两点参数计算模块、两点校正模块和坏元替代模块;
加权平均运算模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块和外部存储器仲裁控制模块连接,外部存储器仲裁控制模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块、第二FIFO缓冲区、求均值模块和两点参数计算模块连接,定标控制模块分别与数据格式调整模块和串口指令解析模块连接,两点校正模块分别与串口指令解析模块、第一FIFO缓冲区、两点参数计算模块和坏元替代模块连接,并转串及FLASH控制器与第二FIFO缓冲区连接,数据格式调整模块与第一FIFO缓冲区连接,两点参数计算模块与坏元替代模块连接,外部存储器仲裁控制模块再外接外部存储器,外部存储器仲裁控制模块、求均值模块、并转串及FLASH控制器和内部寄存器分别外接串行FLASH;
数据格式调整模块把红外热像仪的探测器采集的原始数据转化为标准格式数据,即当前帧A,并送到定标控制模块和第一FIFO缓冲区;把红外热像仪的探测器对准低温黑体,串口指令解析模块对上位机的定标命令进行解析,并把得到的累加帧数p和存低温使能送入定标控制模块,权值参数q送入加权平均运算模块;定标控制模块控制当前帧A送到加权平均运算模块进行加权平均运算,发送读写指令给外部存储器仲裁控制模块,在外部存储器中读出存储帧B并写入均值帧C,循环迭代p次后,最终的均值帧C低温定标图像L;
外部存储器仲裁控制模块接收各读写指令,对它们在时间上进行安排,发送读写请求、地址和数据给外部存储器,控制外部存储器依次循环响应各读写指令;再把红外热像仪的探测器对准高温黑体,重复上述过程,得到高温定标图像H;串口指令解析模块发送写FLASH使能信号给外部存储器仲裁控制模块,从外部存储器中同时读出低温定标图像L和高温定标图像H,分别送入求均值模块和第二FIFO缓冲区;求均值模块分别求出低温定标图像L的均值和高温定标图像H的均值并把它们存入串行FLASH的用户区域;第二FIFO缓冲区用来实现速率匹配,缓冲后的数据送入并转串及FLASH控制器;并转串及FLASH控制器完成对串行FLASH的配置,把低温定标图像L和高温定标图像H转化为串行数据,依次顺序写入串行FLASH用户区域,至此定标操作完成;
系统重新上电后,自动从串行FLASH中依次读出低温定标图像L和高温定标图像H并送至外部存储器仲裁控制模块,由其写入外部存储器指定位置;串行FLASH自动读出低温定标图像的均值和高温定标图像的均值存入内部寄存器中;当一帧标准数据到达第一FIFO缓冲区时,就通过外部存储器仲裁控制模块同时读出低温定标图像L和高温定标图像H,从内部寄存器中读出低温定标图像的均值和高温定标图像的均值一起送到两点参数计算模块,通过两点参数计算模块计算得到增益校正系数K和偏置校正系数B,并将增益校正系数K和偏置校正系数B送入两点校正模块进行校正,得到校正后的图像Y,若增益校正系数K和偏置校正系数B的值超过设定的阈值,就把坏元标志位置为1,否则置为0,坏元标志位送入坏元替代模块;将校正后的图像Y再送入坏元替代模块,坏元替代模块检测坏元标志位,一旦发现为1,就把该处对应的像素值用缓存的前面一个的像素值替换,至此校正处理完成,将得到的最终图像输出;
第一FIFO缓冲区起到数据同步的作用,把标准数据、增益校正系数K和偏置校正系数B对齐,一起送入两点校正模块。
2.根据权利要求1所述的两点校正红外热像仪的非均匀性的模块,其特征在于:
上述加权平均运算模块的加权平均运算公式为:
其中C为均值帧,即单次取平均得到的一帧图像;
两点参数计算模块的两点参数计算公式为:
Y=K·X+B
X代表数据格式调整模块输出的标准数据。
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