摘要

人類接收的信息約有70%來自視覺。因此，圖像采集及處理設備在人們的日常生活中占有很重要的地位。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及及帶寬的提高，使得圖像的網(wǎng)絡傳輸成為可能，且應用范圍越來越廣，為人們的日常生活帶來了極大的便利。同時，隨著非制冷紅外技術的發(fā)展，紅外熱像系統(tǒng)在軍用和民用領域得到了廣泛的應用。根據(jù)美國紅外市場權威調(diào)查機構Maxtech International發(fā)布的2006年度紅外市場報告，2003年至2006年全球民用紅外熱像儀的平均增長幅度為17%，并且正展現(xiàn)出更廣闊的市場需求。

由此可見，便于應用的紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)具有良好的應用前景，適用于森林防火，監(jiān)控系統(tǒng)，電力設備，航空航天，石化，建筑，冶金，交通，邊防海防等方面。

嵌入式紅外網(wǎng)絡視頻傳輸系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分由視頻采集模塊，視頻編解碼模塊，圖像處理模塊，數(shù)據(jù)壓縮模塊，網(wǎng)絡傳輸模塊等組成;軟件部分采用嵌入式操作系統(tǒng)設計。

紅外網(wǎng)絡視頻傳輸具有良好的應用前景和商業(yè)價值，本項目的核心在于紅外處理，盡管目前紅外處理算法已經(jīng)相對成熟，但仍然存在不少弊端，所以本項目力求在原有算法的基礎上提出創(chuàng)新。

本項目計劃采用virtex2或spartan3e芯片，將紅外處理算法模塊集成于FPGA內(nèi)部，包括濾波，非均勻性校正，灰度拉伸，偽彩增強等部分，通過ISE開發(fā)平臺設計各個算法模塊，并通過XPS將用戶IP集成于硬件系統(tǒng)上，通過內(nèi)置MAC地址及IP的方式將處理完畢的圖像或視頻信息通過以太網(wǎng)傳輸至PC客戶端。

項目信息

1.項目名稱：基于SOPC的紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)

2.應用領域：森林防火，監(jiān)控系統(tǒng)，電力設備，航空航天，石化，建筑，冶金，交通，邊防海防

3.系統(tǒng)平臺概述與資源分析:

硬件系統(tǒng)組圖如下：

圖1基于SOPC的紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)

本框架采用FPGA+ARM的方案，可分為三個部分：前端圖像采集模塊(由CPLD、A/D、CCD等構成);FPGA模塊(采用Spartan-3A DSP XA3SD1800A)和ARM模塊。由圖像采集模塊進行紅外圖像采集，并把采集的圖像灰度數(shù)據(jù)送FPGA模塊進行處理，處理完成后的數(shù)據(jù)送ARM模塊進行圖像控制顯示。在初步設計階段可不考慮ARM模塊，由FPGA直接控制顯示(本框架未對ARM模塊接口進行細化)。整體框架圖如圖1所示，其中對FPGA內(nèi)部圖形處理算法模塊做了細化，數(shù)據(jù)處理流程分析如下。

FPGA模塊中的數(shù)據(jù)流程分析如下：Microblaze軟核CPU與前端采集模塊(CPLD、A/D、CCD)交互把數(shù)據(jù)經(jīng)雙口RAM0(緩存)采集到DDR中，Microblaze通過控制PLB總線加載采集的圖像送算法處理模塊進行處理，算法處理模塊首先進行邊界擴展(此步驟也可省略)，邊界擴展是僅對一幀圖像邊界數(shù)據(jù)進行鏡面反射來完成，即邊界數(shù)據(jù)的擴展存儲實現(xiàn)，不需要進行數(shù)據(jù)運算即可完成，擴展后數(shù)據(jù)緩存到RAM0，即可進行均值濾波，均值濾波對每一個像素的消噪處理需要8次加法和1次乘法。384×288個像素可并行處理，處理完的數(shù)據(jù)送到RAM1進行下一步非均勻校正。在非均勻校正中，校正增益和校正偏移量是在測溫前由高低溫定標產(chǎn)生，兩個校正因子可并行進行運算獲得，獲得后的因子存入RAM1中，以便非均勻校正時直接加載。在非均勻校正中，384×288個像素可并行進行，每個像素需1次乘法和1一次加法運算。處理完成后的數(shù)據(jù)送到RAM2進行下一步的溫度標定和灰度拉伸。溫度標定和灰度拉伸兩者可并行進行。由于溫度標定和灰度拉伸需對整幀圖像處理，所以若要減少RAM2的容量，可考慮把圖像存入DDR中，需要時再讀出。在灰度拉伸中，首先進行直方圖統(tǒng)計，統(tǒng)計圖像各灰度值的像元個數(shù)，找出圖像有效灰度范圍，并求出最小值min和最大值max。把最大值和最小值代入三段的斜率計算公式，計算出斜率后即可進行灰度拉伸，灰度拉伸每個像素需要做2次比較、1次減法、1次乘法和1次加法，384×288個像素可以并行處理。灰度拉伸完成后的數(shù)據(jù)送RAM3進行下一步的偽彩處理，偽彩是把每個像素點的灰度值轉換R、G、B對應的三分量，因此可對384×288個像素并行處理。而每個像素點R、G、B的轉換也可以并行運算。轉換后的數(shù)據(jù)送雙口RAM1，然后由RAM模塊進行讀出存入SD卡中，進行控制顯示。在前期開發(fā)FPGA模塊時也可直接送LCD顯示。

在進行圖形處理過程中，由于FPGA可以最大化的進行并行運算，所以不僅可考慮算法模塊內(nèi)部多個像素之間的并行處理，也要考慮算法模塊之間的并行性，如在進行一幀圖像的濾波時，可同時進行上一幀圖像的校正。

各個算法模塊實現(xiàn)如下

圖2校正系數(shù)[!--empirenews.page--]

圖3校正偏移

圖4非均勻性校正

圖5 灰度拉伸

圖6均值濾波

4.創(chuàng)新點及關鍵技術：

精確溫度標定技術：開發(fā)出高性能的嵌入式軟件對成像儀的每個像素進行溫度標定，溫度標定穩(wěn)定可靠，精度高;

紅外焦平面陣列實時非均勻性校正算法及實現(xiàn)：決焦平面陣列的非均勻性問題顯得尤為重要，項目對傳統(tǒng)非均勻進行深入研究的同時，開發(fā)出多種自適應校正算法，提高紅外成像系統(tǒng)的校正精度;

圖像噪聲預處理技術：由于圖像在采集、傳輸過程中混入了噪聲，如果不被預先消除將進一步影響圖像的處理和顯示效果，為此對圖像進行濾波預處理，以消除圖像中混入的噪聲，為后繼圖像處理、顯示打下基礎;

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)：項目采用基于的FPGA+ARM的雙核架構。提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的穩(wěn)定性，獲得整個紅外成像系統(tǒng)的實時性能;

紅外圖像增強處理技術：項目在實施校正算法的基礎上，提出對圖像進行增強處理研究，以提高圖像的對比度，進一步改善圖像視覺效果。紅外圖像偽彩色處理的運用，利用人眼視覺對顏色分辨的敏感性，對圖像中不同灰度等級的目標以不同的顏色進行標識，以突出目標細節(jié)和特征，進一步提高圖像目標分辨能力和圖像顯示質(zhì)量。