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

摘要：在以PC機(jī)和DSP數(shù)字信號(hào)處理板構(gòu)成的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，闡述了主機(jī)通過PCI口與DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及在Windows下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像顯示的技術(shù)。由于通過PCI口數(shù)據(jù)交換速度快，在數(shù)據(jù)顯示時(shí)采用直接寫屏和翻頁技術(shù)，系統(tǒng)可達(dá)到理想圖像實(shí)時(shí)顯示效果。

關(guān)鍵詞：紅外圖像 實(shí)時(shí)性 DSP

隨著科學(xué)技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)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(duì)每幀中的每個(gè)像元進(jìn)行非均性校正處理，才能到較好的效果。因此紅外圖像實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)量很大，如256×256的一個(gè)紅外焦平面面陣，像元數(shù)為64K，如果每個(gè)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(dá)2.25Mbyte；如果要進(jìn)行校正運(yùn)算，計(jì)算量更大。目前國內(nèi)的紅外熱成像系統(tǒng)大多采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用軟件實(shí)現(xiàn)非均勻性校正。由于軟件處理速度慢，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像，只能對(duì)單幀圖像進(jìn)行處理。

本文介紹采用PC機(jī)和基本DSP的數(shù)字信號(hào)處理板（數(shù)字板）構(gòu)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(jì)算機(jī)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(jìn)行圖像處理的運(yùn)算，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)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(yùn)算速度。

1 系統(tǒng)組成及基本原理

一個(gè)完整的紅外成像系統(tǒng)不但要具備圖像信號(hào)的采集功能，還要能對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，且要完成圖像信號(hào)的分析及處理算法（如非均勻性校正等）。通常這些算法的運(yùn)算量大，再加上要滿足實(shí)時(shí)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(shí)，針對(duì)不同的應(yīng)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(jìn)和擴(kuò)展。為此，我們以PC機(jī)為主機(jī)，以TI公司的DSP（TMS320C6201）為輔助機(jī)作為數(shù)字信號(hào)處理板的核心[1～2]，設(shè)計(jì)出紅外圖像處理系統(tǒng)。圖1是基于DSP的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)的原理圖。

1.1 TMS320C6201的優(yōu)點(diǎn)[3]

TMS320C6201是TMS320C6x系列中的高速定點(diǎn)數(shù)字處理芯片，是TI公司二十世紀(jì)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(jié)構(gòu)獨(dú)特的指令集，從而保證了它強(qiáng)大的運(yùn)算能力、高度的并行性和良好的靈活性。同時(shí)其外圍設(shè)備包括DMA控制器、主機(jī)接口（HPI）、中斷選擇器，能夠很方便快速地與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.2 系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)由模擬信號(hào)板、數(shù)字信號(hào)處理板，PC機(jī)三部分構(gòu)成。模擬信號(hào)用于進(jìn)行信號(hào)提取，包括IRFPA、驅(qū)動(dòng)信號(hào)源、前置放大器。IRFPA由信號(hào)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)，根據(jù)外部紅外光線的感應(yīng)強(qiáng)度，輸出窗形波的模擬信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后與數(shù)字信號(hào)處理板相連。

數(shù)字信號(hào)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(gòu)成控制器，用于控制整個(gè)處理板的時(shí)間同步和選擇存儲(chǔ)器及圖像預(yù)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)）。在圖像采集中，模擬信號(hào)進(jìn)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(hào)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(duì)圖像進(jìn)行校正，同時(shí)主程序還要進(jìn)行其它運(yùn)算，以便生成DSP處理后的圖像。DRAM和SBSRAM為DSP在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過程中提供存儲(chǔ)空間。經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)可通過PCI接口與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。

數(shù)字板通過PCI卡與計(jì)算機(jī)相連，由于PCI總線具有高速數(shù)據(jù)交換的優(yōu)點(diǎn)（120Mbyte/S），足以滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的要求。數(shù)據(jù)通過DSP的HPI口，經(jīng)由PCI口與PC機(jī)相連。PC機(jī)讀取數(shù)字板上任意存儲(chǔ)器上的數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。DSP的運(yùn)行程序由PC機(jī)通過PCI口加載到DSP上運(yùn)行。

2 數(shù)據(jù)的交換及Windows下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

在主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)的顯示是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，下面將重點(diǎn)講述其實(shí)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(shí)時(shí)性

根據(jù)人眼的視覺特點(diǎn)，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(shè)對(duì)于256×256×8bit=64KByte），則進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)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(shù)的圖像數(shù)據(jù)的讀取及合成時(shí)間間隔不能過大，因此必須滿足“數(shù)據(jù)讀取時(shí)間≤幀時(shí)隔”。主機(jī)通過PCI口對(duì)DSP芯片進(jìn)行訪問，采用PCI總線可以保證高速的數(shù)據(jù)交換。為了實(shí)現(xiàn)顯示實(shí)時(shí)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(dòng)問題

在Windows開發(fā)環(huán)境下，C++ Builder不能直接訪問PCI設(shè)備，需借助其它軟件實(shí)現(xiàn)。KRFTech公司主推產(chǎn)品WinDriver是進(jìn)行PCI接口程序開發(fā)的首選驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具。用戶要訪問PCI口上的數(shù)字信號(hào)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(shè)備的接口函數(shù)（這種方法需要相關(guān)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(dòng)模塊（一般封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL形式）實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用調(diào)用動(dòng)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(duì)于PCI卡的底層驅(qū)動(dòng)程序封裝成動(dòng)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(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）時(shí)，首先要聲明DLL，然后就可以像調(diào)用C++函數(shù)一樣使用動(dòng)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(dòng)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(yīng)該注意函數(shù)標(biāo)識(shí)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(jī)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(hào)

BOOL bExcl=1; //獨(dú)占打開=TRUE

LPVOID hHpi=NULL; //HPI接口句柄

short iMp; //Map選擇器=MAP0 //DSP啟動(dòng)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行reset

evm6x_set_board_config(hBd,clkMode,ednMode,0xff); //對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行初始化配置

mode=iMp ? HPI_BOOT : HPI_BOOT_MAP0; //設(shè)置啟動(dòng)方式

evm6x_reset_dsp(hBd,mode); //復(fù)位DSP

hHpi=evm6x_hpi_open(hBd); //建立從主機(jī)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(shí)發(fā)生錯(cuò)誤！)；} //系統(tǒng)復(fù)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(dá)120Mbyte/s），且能方便地讀取數(shù)字板上內(nèi)存的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，因此，通過PCI口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與數(shù)字板數(shù)據(jù)的交換便于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示

通過PCI口讀取的數(shù)據(jù)為每幀中單個(gè)像元的亮度值，因而要在Windows下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，不但要解決顏色配置問題，而且要求圖像實(shí)時(shí)顯示速度快，因此本系統(tǒng)在Windows下采用寫屏技術(shù)實(shí)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(duì)焦平面的每個(gè)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(lán)三基色，每種顏色都是從0到255。由這三種基色可構(gòu)成屏幕上的各種顏色（即24位真彩色）。如果將每個(gè)像元的RGB值均設(shè)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(jí)灰度）；如果按照其256級(jí)灰度來進(jìn)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(qiáng)，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(biāo)的溫度范圍，即可得到增強(qiáng)圖像顯示效果的目的。

2.2.2 實(shí)時(shí)顯示的實(shí)現(xiàn)

將數(shù)字板上所讀取的幀結(jié)束點(diǎn)標(biāo)志（FLAG）用于實(shí)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(shí)間的延時(shí)。由于在Window下不能像DOS那樣直接訪問視頻存儲(chǔ)器，因而系統(tǒng)采用DirectDraw技術(shù)[5]，并利用Win32下提供的DirectDraw API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。Win32中的DirectDraw提供了對(duì)屏幕以及屏幕分辨率的控制而不需要操作SVGA芯片，可以實(shí)現(xiàn)極快的圖像顯示速度、線性內(nèi)存和翻頁。DirectDraw還可對(duì)屏幕的分辨率及色彩模式進(jìn)行配置。通過設(shè)備屏幕的主表面（前臺(tái)Buffer）和附屬表面（后臺(tái)Buffer），開啟兩幀圖像的視頻存儲(chǔ)空間。這樣的直接訪問視頻存儲(chǔ)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(shí)，在圖像寫顯示時(shí)，首先將圖像寫到后臺(tái)，待幀標(biāo)記來時(shí)，再將圖像傳到前臺(tái)（翻頁技術(shù)）。這種翻頁技術(shù)的使用，可以從視覺上形成整幀像顯示的切換，而非單點(diǎn)的切換，從而達(dá)到平滑的實(shí)時(shí)圖像顯示的視覺效果，而時(shí)還可以延緩讀數(shù)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。圖2是圖像實(shí)時(shí)顯示處理流程圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3是系統(tǒng)通過PCI口實(shí)現(xiàn)讀數(shù)和實(shí)時(shí)顯示而獲得的128×128面陣256級(jí)灰度的圖像。實(shí)驗(yàn)表示，該系統(tǒng)可以獲得理想的平滑圖像實(shí)時(shí)顯示結(jié)果，且圖像清晰，結(jié)果較為理想。

理論分析與實(shí)驗(yàn)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(jī)的PCI口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，具有高速的數(shù)據(jù)交換能力；通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示處理，能實(shí)現(xiàn)圖像的灰度和偽彩色處理；采用 Windows下的DirectDraw技術(shù)，可直接訪問視頻存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的直接寫屏和圖像的翻面技術(shù)；用幀結(jié)束點(diǎn)作為幀同步信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)紅外圖像平滑的實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到理想的圖像顯示視覺效果。