基于DSP的實時紅外熱成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換及實時顯示

摘要：在以PC機和DSP數(shù)字信號處理板構成的實時紅外熱成像系統(tǒng)原理的基礎上，闡述了主機通過PCI口與DSP實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及在Windows下實現(xiàn)實時圖像顯示的技術。由于通過PCI口數(shù)據(jù)交換速度快，在數(shù)據(jù)顯示時采用直接寫屏和翻頁技術，系統(tǒng)可達到理想圖像實時顯示效果。

關鍵詞：紅外圖像 實時性 DSP

隨著科學技術的高速發(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)生等領域的應用越來越廣泛。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像元進行非均性校正處理，才能到較好的效果。因此紅外圖像實時處理的數(shù)據(jù)量很大，如256×256的一個紅外焦平面面陣，像元數(shù)為64K，如果每個像元用12bit表示，每秒顯示24幀圖像，則每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量高達2.25Mbyte；如果要進行校正運算，計算量更大。目前國內(nèi)的紅外熱成像系統(tǒng)大多采用計算機進行數(shù)據(jù)采集，用軟件實現(xiàn)非均勻性校正。由于軟件處理速度慢，很難實現(xiàn)實時成像，只能對單幀圖像進行處理。

本文介紹采用PC機和基本DSP的數(shù)字信號處理板（數(shù)字板）構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，在一般計算機上處理速度比較慢。DSP具有高速數(shù)據(jù)處理能力，采用DSP進行圖像處理的運算，通過計算機進行系統(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)的運算速度。

1 系統(tǒng)組成及基本原理

一個完整的紅外成像系統(tǒng)不但要具備圖像信號的采集功能，還要能對圖像進行實時顯示，且要完成圖像信號的分析及處理算法（如非均勻性校正等）。通常這些算法的運算量大，再加上要滿足實時顯示的要求，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，針對不同的應用和不斷出現(xiàn)的新處理方法，還要求系統(tǒng)例于功能的改進和擴展。為此，我們以PC機為主機，以TI公司的DSP（TMS320C6201）為輔助機作為數(shù)字信號處理板的核心[1～2]，設計出紅外圖像處理系統(tǒng)。圖1是基于DSP的實時紅外熱成像系統(tǒng)的原理圖。

1.1 TMS320C6201的優(yōu)點[3]

TMS320C6201是TMS320C6x系列中的高速定點數(shù)字處理芯片，是TI公司二十世紀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結構獨特的指令集，從而保證了它強大的運算能力、高度的并行性和良好的靈活性。同時其外圍設備包括DMA控制器、主機接口（HPI）、中斷選擇器，能夠很方便快速地與外圍設備進行數(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機三部分構成。模擬信號用于進行信號提取，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強度，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)字信號算是板由數(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構成控制器，用于控制整個處理板的時間同步和選擇存儲器及圖像預處理等。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，用以對圖像進行校正，同時主程序還要進行其它運算，以便生成DSP處理后的圖像。DRAM和SBSRAM為DSP在進行數(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接口與主機交換數(shù)據(jù)。

數(shù)字板通過PCI卡與計算機相連，由于PCI總線具有高速數(shù)據(jù)交換的優(yōu)點（120Mbyte/S），足以滿足數(shù)據(jù)實時處理的要求。數(shù)據(jù)通過DSP的HPI口，經(jīng)由PCI口與PC機相連。PC機讀取數(shù)字板上任意存儲器上的數(shù)據(jù)，再由計算機實現(xiàn)實時顯示。DSP的運行程序由PC機通過PCI口加載到DSP上運行。

2 數(shù)據(jù)的交換及Windows下數(shù)據(jù)實時顯示

在主從式結構系統(tǒng)中，主機與從機的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)的顯示是十分關鍵的環(huán)節(jié)，下面將重點講述其實現(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 實時性

根據(jù)人眼的視覺特點，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（假設對于256×256×8bit=64KByte），則進行實時數(shù)據(jù)處理時要求每秒處理數(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)采術的圖像數(shù)據(jù)的讀取及合成時間間隔不能過大，因此必須滿足“數(shù)據(jù)讀取時間≤幀時隔”。主機通過PCI口對DSP芯片進行訪問，采用PCI總線可以保證高速的數(shù)據(jù)交換。為了實現(xiàn)顯示實時性，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設備，需借助其它軟件實現(xiàn)。KRFTech公司主推產(chǎn)品WinDriver是進行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設備的接口函數(shù)（這種方法需要相關軟件支持）；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，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，因此應該注意函數(shù)標識符和參數(shù)傳遞，以便解決調(diào)用的約定問題。

用C++ Builder編寫的CP機讀取數(shù)字板數(shù)據(jù)的模塊化程序如下：

#inchude evm6xdll.h

HANDLE hBd=NULL; //板子句柄

Short iBd=0; //板號

BOOL bExcl=1; //獨占打開=TRUE

LPVOID hHpi=NULL; //HPI接口句柄

short iMp; //Map選擇器=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 Ilength, ULONG *ulDW)

{

hBd=evm6x_open(iBd,bExcl); /打開板卡

evm6x_reset_board(hBd); //對目標進行reset

evm6x_set_board_config(hBd,clkMode,ednMode,0xff); //對目標板進行初始化配置

mode=iMp ? HPI_BOOT : HPI_BOOT_MAP0; //設置啟動方式

evm6x_reset_dsp(hBd,mode); //復位DSP

hHpi=evm6x_hpi_open(hBd); //建立從主機到hpi的連接

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

{ShowMessage(內(nèi)存讀時發(fā)生錯誤！)；} //系統(tǒng)復位操作

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120Mbyte/s），且能方便地讀取數(shù)字板上內(nèi)存的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，因此，通過PCI口實現(xiàn)PC機與數(shù)字板數(shù)據(jù)的交換便于實時系統(tǒng)的實現(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)的實時顯示

通過PCI口讀取的數(shù)據(jù)為每幀中單個像元的亮度值，因而要在Windows下實現(xiàn)實時顯示，不但要解決顏色配置問題，而且要求圖像實時顯示速度快，因此本系統(tǒng)在Windows下采用寫屏技術實現(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、藍三基色，每種顏色都是從0到255。由這三種基色可構成屏幕上的各種顏色（即24位真彩色）。如果將每個像元的RGB值均設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級灰度來進行偽彩色處理，則得到加偽彩色的圖像。為了使偽彩色處理，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，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幀測目標的溫度范圍，即可得到增強圖像顯示效果的目的。

2.2.2 實時顯示的實現(xiàn)

將數(shù)字板上所讀取的幀結束點標志（FLAG）用于實現(xiàn)幀同步控制，以保證每幀圖像的刷新以及圖像中間隔時間的延時。由于在Window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[5]，并利用Win32下提供的DirectDraw API函數(shù)來實現(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行配置。通過設備屏幕的主表面（前臺Buffer）和附屬表面（后臺Buffer），開啟兩幀圖像的視頻存儲空間。這樣的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，在圖像寫顯示時，首先將圖像寫到后臺，待幀標記來時，再將圖像傳到前臺（翻頁技術）。這種翻頁技術的使用，可以從視覺上形成整幀像顯示的切換，而非單點的切換，從而達到平滑的實時圖像顯示的視覺效果，而時還可以延緩讀數(shù)的時間，實現(xiàn)實時處理。圖2是圖像實時顯示處理流程圖。

3 實驗結果

圖3是系統(tǒng)通過PCI口實現(xiàn)讀數(shù)和實時顯示而獲得的128×128面陣256級灰度的圖像。實驗表示，該系統(tǒng)可以獲得理想的平滑圖像實時顯示結果，且圖像清晰，結果較為理想。

理論分析與實驗研究表明，本文介紹的基于DSP的紅外熱成像系統(tǒng)，由于采用PC機的PCI口實現(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)進行實時顯示處理，能實現(xiàn)圖像的灰度和偽彩色處理；采用 Windows下的DirectDraw技術，可直接訪問視頻存儲器，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的直接寫屏和圖像的翻面技術；用幀結束點作為幀同步信號，可實現(xiàn)紅外圖像平滑的實時顯示，達到理想的圖像顯示視覺效果。