远程红外图像系统设计

远程红外图像系统设计（精选8篇）

远程红外图像系统设计 篇1

1、远程红外系统原理如下

红外成像系统接收目标发出并能成像的红外波段射线, 通过红外探测器将光信号转变为电信号, 电信号再转换为能通过卫星传输的微波信号并通过卫星传输到接收端, 卫星信号接收器接收时实信号并转换为可视图象。

远程红外系统由以下三大部分组成:

(1) 红外图像成像系统;

(2) 红外图象发送系统;

(3) 图象接受系统。

2、远程红外系统的设计

红外光学系统设计:系统选用320×240多晶硅探测器, 像元大小是25μm。像面大小是8×6mm, 像面对角线10mm。根据总体要求:7.5°;这样光学系统的焦距:75mm。

根据以上指标光学系统设计方案如下:波长:8~14μm;视场:7.6°;探测器:多晶硅320×240, 25μm;焦距:75mm;F数:1。

按上述光学要求及结构要求, 为减少空间尺寸, 光学系统设计如图一所示:

3、电气接口与操作要求

(1) 具有图像调整、分划调整的按键操作;

(2) 所有操作可通过RS442通讯实现。

4、电气设计

4.1 设置5个按键

(1) 触发菜单, 移动光标;

(2) 减少, 调焦近方向;

(3) 增加, 调焦远方向;

(4) 校正背景, 档片动作, 退出菜单;

(5) 触发分划线菜单。

4.2 M键触发的菜单

在图像的最下方

自动/手动对比度XXX亮度XXX放大1/2热白/热黑

4.3 M键操作

按M键, 跳出菜单, 光标处在第一项, 再按M键, 光标向右移动一项, 当在最后一项时, 再按M键, 菜单重回第一项。

菜单每一项显示的文字, 都为系统当前的数字和状态。

4.4 D键操作

在出现的菜单情况下:在出现光标的位置, 按D键:自动→手动;对比度或亮度减少1;放大为1, 极性为热黑。

在无菜单操作情况下:按D键:调焦向近方向, 按一次动一步, 按住不放连续调焦, 松开后停止调焦。

4.5 U键操作

在出现菜单的情况下:在出现光标的位置按U键:手动→自动;对比度或亮度增加1;放大为2, 极性为热白。

在无菜单操作情况下:按U键:向远处调焦, 按一次动一次, 连续按住, 连续调焦, 松开后停止调焦。

4.6 C键操作

在无菜单情况下, 按C键, 档片动作一次, 校验一次。

在有菜单情况下, 按C键退出菜单。

4.7 F键操作

在无主菜单情况下, 按F键, 跳出分划线菜单:

分划线显示取消X:XXX Y:XXX白黑退出

光标在第一项, 按M键, 移动光标位置。

在光标的位置按D键:在第1项分划线取消, 在X或Y项减少数值1, 在第4项分划线变为黑色, 第5项, 退出分划线菜单。

在光标的位置按U键:在第1项分划线变为显示, 在X或Y项增加数值1, 在第4项分划线变为白色, 第5项, 退出菜单并保存坐标的值。

在有主菜单的情况下, 按F键不起作用。

4.9 说明

(1) 跳出后, 30秒无键操作, 菜单自动消失。

(2) 单消失后, 所有设置自动保存, 下次菜单启动时显示上次的设置。

4.1 0 通讯协议

波特率9600, 1起始位, 8数据位, 1停止位。无奇偶校验, LSB先发送。

采用ASCII模式, 每一帧的格式为:

起始码地址码功能代码数据LRC校验结束符:2个字符2个字符2个字符2个字符ODOA对于热像仪:

数据可以取00 (约定一个字节) ;

地址可以由客户设定 (一个字节) ;

功能代码 (一个字节) 。

当热像仪收到正确的命令后, 即返回一个原来的命令, 若有命令错误, 则在返回命令中, 功能代码的最高位设1。每一帧的数据都由十六进制, ASCII字符:0, 1, 2, ……9, A, B, ……F组成。

5、通讯设计

根据卫星信号要求设计。

6、结构设计

光学元件的装配采用软装校方式, 即每片镜片周围都不直接与镜框接触, 而是与密封垫或者边缘硅橡胶层接触, 所以能达到抗冲击目的。为保证密封性能, 整机采用“O”型圈密封, 使其达到防水目的。

远程红外图像系统设计 篇2

pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。2010年第 11期 文章编号: 1006 2475(2010)11 0031 04 计 算 机 与 现 代 化 JISUAN JI YU X IAN DA I UA H 总第 183期

基于嵌入式 L inux远程图像监控系统的设计

唐人财, 刘连浩

(中南大学信息科学与工程学院, 湖南 长沙 410083)摘要: 系统以嵌入式微处理器 S3C2440和 L inux为核心平台, 采用 U SB摄像头作为图像采集设 备, 利用 L inux 下视频设备 应用编程接口 V 4L2和 Q t/Em bedded实现图像的采集, 实时 显示和 JPEG 格式 图片保 存, 利 用 libjpeg 库来实 现视频 数据 的编解码以及通过以太网进行远程传输, 实现一种功耗低、可靠性高和低成 本的网络图像采集与传输系统设计方案。关键词: L inux 图像采集;Q t/Em bedded V 4L2;S3C2440;;中图分类号: T P391 41.文献标识码: A do: 10 3969 /.j issn.1006 2475.2010.11.009 i.D esign of R emote I age M on itoring System Based on Em bedded L inux m TANG R en ca, L IU L ian hao i(Institu te of Infor ation Science and Eng ineer ing, C entra l South U niversity Changsha 410083, China)m , Ab stract T he syste uses e : m mbedded m icroprocesso r S3C2440 and L inux as the core platfo r T he applica tion prog ramm ing in m.te rface V 4L2 and Q t /Embedded library are tw o key techno log ies to realize i age acqu isition, rea l ti e display and JPEG p icture m m sav ing by using U SB ca era T his design of i age acqu isition and trans ission is a low powe r consumption, h igh reliab ility and m.m m inexpensive syste m, wh ich ach ieves encod ing o r decod ing of i ages by lib jpeg library and remo te transm ission o f E therne t m.K ey w ords L inux;i age acquisition;Q t/Em bedded V4L 2;S3C2440 : m;0 引

言

友好图形操作界面, 实现现场图像在终端上的实时显 示和 JPEG图片的保存。利用 L inux 下 lib jp eg库编码 压缩图像, 通过以太网接口实时传输到视频监控中心 PC机上, 通过接收解码显示现场图像, 实现远程视频 图像监控功能。系统总体设计结构如图 1所示。

随着嵌入式技术、多媒体技 术及网络技术 的发 展, 基于嵌入式技术、视频压缩编码技术和网络传输 控制技术的综合应用, 已成为数字化网络视频采集监 控领域的核心 技术。系统是基于 ARM 9和 L inux平台的远程视频图像监控设计方案, 整个系统建立在嵌 入式结构上, 实现了高质量的视频图像采集和实时处 理功能。

系统总体设计

远程视频图像监控系统分为嵌入式视频监控终 端和监控中心 PC 机两部分。嵌入 式视频监控终端 基于嵌入式微处理器 S3C2440和 L inux 核心平台, 采 用通用 USB 摄像头捕捉现场图像, 通过 USB 接口将 数据传输到 ARM 开发板上, 由开发板上的图像采集 处理模块进行图像数据处理, 通过 LCD 触摸屏显示

图 1 系统总体设计框图 2 系统硬件设计

系统选取 m in i2440开发板作为系统设计的硬件

收稿日期: 2010 06 28 作者简介: 唐人财(1978), 男, 海南海口人, 中南大学信息科学与工程 学院硕 士研究 生, 研 究方向: 嵌入 式系统 及应用;刘连 浩(1959), 男, 湖南 澧县人, 教授, 博士, 研究方向: 单片机及嵌入式系统。32 计

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平台, 监控终端硬件由主控模块和扩展模块两部分组 成。主控模块采用嵌入式微处理器 S3C2440 它是一 , 款基于 ARM 920T 核的 16/ 32位 RS I 结构的嵌入式微 C 处理器, 主频 400 z 最高可达 533 MH , MH z 片内外资源 , 丰富, 具有强大的处理能力, 从硬件上保证了系统快速 的响 应 速 度。系 统 存 储 扩 展 了 128 B 的 NAND M FLAS 64 B的 SDRAM。扩展模块包括通用 USB摄 H, M 像头、9000以太网控制器和带触摸屏的 NEC3 5英 DM.寸 TFT 真彩液晶屏。主控模块通过 USB 接口电路、LCD接口电路、以太网接口电路与扩展模块相连接构 成整个硬件系统。系统硬件结构如图 2所示。

配置内核编译选项时把 UVC 驱动编译进内核。UVC 不是摄像头的品牌或型号, 它是一种视频设备的技术 规范, 全称为 U SB V ideo C lass 这是一个为 USB 视频 , 设备提供驱动的开源项目。UVC 驱动支持 V 4L 2应 用编程接口, 系统设计中使用的 USB 摄像头为 T op Speed U SB 2 0 C a era UVC 驱动提供支持。.m , 3 3 V4L2图像采集程序的实现.V4L2 是 V id eo For L inux Two 的 简称, 是 V id eo Fo r L in ux AP I的第二版本, 是 L inux 下开发视频设备 程序的接口标准, 使用分层方法对所有视频设备的驱 动和应用编 程提 供一 套完备 的接 口规 范。基于 V4L 2标准, 视频图像采集处理流程如图 3所示。[ 3] 图 2 系统硬件结构框图 3 系统软件设计

1 系统软件平台.系统软件平台以嵌 入式 L inux 和 Q t/Em bedded 为基础, 具体构建步骤为: 在宿主机上建立交叉编译 环境, 完成引导加载程序 v ivi的编译移植, 编译移植 linux 2 6 29 内核, 包括 DM 9000 网卡、..通用 USB 摄 像头和 LCD 触摸 屏等驱动 的移植, 基于 busybox 1.13.3构建文件系统。基于系统设计的需求, 还要完 成 QTE 4 5 3图形库与 tslib 1 4触摸屏支持库以及...lib jp eg库向开发板的移植。lib jp eg 库主要用于实现 内存中图像数据的编解码, QTE 4 5 3是面向嵌入式..系统的 Q t版本, 采用了 fram ebuffer作为底层图形接 口, 采用 C ++ 封装, 具有丰富的控件资源和良好的可 移植性, 系 统中的应 用程序 以及环 境都是 基于 Q t / Em bedded来开发的。最终形成基于 ARM 的嵌入式 [ 1 2] L inux 操作系统平台 , 在系统软件平台上可进行嵌 入式应用程序的开发。限于篇幅, 系统软件平台的构 建在此只作简单介绍。3 2 嵌入式 L inux下 USB 摄像头驱动.为了使用 L in ux下 V4L2应用编程接口编写图像 采集应用程序, 在开发板上移植版本为 linux 2 6 29..的内核, 此内核版本支持 UVC 驱动 USB 摄像头, 在图 3 视频图像采集处理流程图

3 1 视频设备结构体初始化..程序中定义一个视频设备的数据结构 struct vde vice 结构体的成员变量是对视频设备和图像属性的 , 描述。

init_ vdata(struct vdevice * vdev , char * dev _na e un m , signed int w idth unsigned int he ight int fo r at);, , m 通过参数完成对视频设备结构体变量 vdev的赋 值初始化。视频设备名称 dev_na e 视频图像宽度 m , w idth 视频图像高度 heigh, 视频图像格式 for a, 以 , t m t 及申请分配两个内存缓冲区 fram ebuffer和 rgbbu ffer , 分别为采集到的一帧图像 数据缓冲区和 24位 RGB 图像数据缓冲区。3 3 2 视频设备初始化..函数 in it_vdev(struct vdev ice * vdev)根据参数

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唐人财等: 基于嵌入式 L inux远程图像监控系统的 设计

vdev传递的值对视频设备进行初始化, 这是进行视频 图像采集前必须完成的工作。视频设备结构体 vdev 包含了要设置的设备信息, 初始化视频设备到适合的 图像采集工作方式。视频设备初始化具体实现如下:(1)打开摄像头设备文件。利用系统调用 函数 vdev > fd = open(vdev > dev_nam e O_RDWR)实现, 该函数的功能是打开参 , 数 vdev > dev_nam e指定的设备, 对于摄像头用设备 文件名 /dev /v ideo0 表示, vdev > fd 是设备打开后 返回的文件描述符, 在程序中可使用它来对设备文件 进行操作。(2)查询设备信息和设置采集属性。在 L inux 编程中, io ct l函数是设备驱动程序中对 设备的 I /O 进行管理的函数, 用户程序一般使用 ioctl 函数来对设备的一些特性进行控制。调用带 V ID I C _ O QUERYCAP命令参数的 io ct l函 数来取得设备文件的属性参数, 并存储于 struct v4l2_ capab ility 结构体变量 vdev > cap 中, 然后可 逐项验 证 vdev > cap的属性, 看设备是否符合采集的要求。

ioctl(vdev > fd V ID I _QU ERYCAP, & vdev > cap);, OC m em 间建立映射, 调用带 V I I C _QBUF 命令参数的 DO ioct l函数将所申请的设备缓存加入等待输入缓存队 列, 内存映射初始化完成。3 3 3 采集图像数据..函数 capture(struct vdevice * vdev)完成一帧视 频图像数据采集, 采集到的视频图像数据存放到设备 缓存 vdev > bu f中, 通过映射的程序内存空间可处理 视频图像, 函数调用成功返回视频设备采集的图像数 据大小。在设备缓存加入等待输入队列后, 调用带 VIDI C_ O STREAMON命令参数的 ioctl函数使能视频设备。

type= V 4L2_BU F _TYPE_V IDEO _CA PTURE;ioctl(vdev > fd V ID I _STREAM ON, & type);, OC 图像数据缓存采用 F IFO 的方式, 缓存队列将已 采集到视频图像数据的设备缓存出队列, 此时与之映 射的内存空间就存储了采集到的视频图像数据, 处理 完毕重新使设备缓存加入队列。这个过程需要调用 两次 io ctl函数。

ioctl(vdev > fd V ID I _DQBUF, & vdev > buf);, OC ioctl(vdev > fd V ID I _QBUF, & vdev > buf);, OC 接着设置视频图像采集格式, 可根据需求修改摄 像头缓冲区中图像参数如分辨率、格式等。具体方法 为先给 struct v4 l2 _for at结构体变量 vdev > f t分量 m m 赋新值, 再调用 带 V ID I C _S _FMT 命令参数 的 ioctl O 函数完成采集属性的设置。ioctl(vdev > fd V ID I _S_FM T, & vdev > fm t);, OC 调用带 VIDIOC_DQBUF 命令参数的 ioct l函数使 设备缓存出队列, 利用系统函数 m em cpy 将所采集的 一帧视频图像数据拷贝的所分配的内存空间 vdev > fram ebuffer以 方 便 后 续 图 像 处 理。然 后 调 用 带 V IDI C _ O QBUF 命令参数的 io ctl函数把设备缓存重新 加入输入缓存队列, 至此完成一帧视频图像数据采集。系统采用的摄像头初始化为 YUV422图像格式, 图像要在 LCD 上显示, 必须进行图像数据格式转换 处理, 将 YUV422格式转换为 RGB24格式。

yuv2 rgb24(vdev > fra ebuffer vdev > rgbbuffer vdev > m , , w idth vdev > he ight);,(3)实现内存映射。V4L2捕获的数据是存放在内核空间的, 用户不 能直接访问该 段内存, 必须通 过某些手段来 转换地 址。系统采用 mm ap内存映射方式, 把设备内存映射 到用户程序内存空间, 直接处理设备内存, 加速了 I/ O 访问。主要函数调用如下: ioctl(vdev > fd V ID I _REQBUF S & vdev > rbuf);, OC , ioctl(vdev > fd V ID I _QU ERYBUF, & vdev > buf);, OC vdev > m e [ i] = mm ap(0, vdev > bu.length, PROT _ m f READ, M AP _SHARED, vdev > fd vdev > bu.f m.offset);, ioctl(vdev > fd V ID I _QBUF, & vdev > buf);, OC 函数 yuv2rgb24 将 vdev > fram ebuffer指定 内存 中的 YUV 422图像格式转换为 RGB24格式, 并存放 到 vdev > rgbbuffer指定内存中, 函数实现在 此不作 详细阐述。3 4 图像数据的 JPEG 编解码.网络传输前对原始图像数据进行压缩处理, 利用 IJG(Independent JPEG G roup)提供的 lib jp eg 库进行 [ 4 6] 图像编解码。在开源的 libjpeg 库中, 函数必须从 文件或其他 设备流中读取数据, 再将压缩数 据存成 JPEG 文件, 增加了不必要的文件 I/O 操作, 不利于网 络实时传输图像。为解决 该问题, 改写 了 lib jp eg 库 内 jdatasrc c和 jd atads.c两个源代码文件, 设计自定.t 义的结构体 struct m y_dest_ gr和 struct m y_src_ g r m m , 增加自定义图像数据缓存地址变量、已处理图像数据

具体实现: 首先, 对 struct v4 l2 _ requestbuffers结 构体变 量 vdev > rbuf 分 量 赋 值, 调 用 带 V I I C _ DO REQBUFS命令参数的 io ctl函 数分配自定义 数量的 设备缓存;然后, 在循环程序结构中对申请分配的设 备缓存 进行映射, 调用带 V IDIOC _QUERYBUF 命令 参数的 ioct l函数获得设备缓存偏移量和缓存大小并 存于 struct v4l2_buffer结构体变量 vdev > bu f中, 调 用 mm ap在设备 缓存 和程序 内存 空间 变量 vdev > 34 计

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的偏移量变量和图像大小变量, 并改写 lib jp eg库相关 操作函数, 封装相关的数据结构和成员函数为自定义 的图像编解码类 MY JPEG。实现输入数据和输出数据 的重定向到内存, 利用开源的 libjpeg 库在内存中实现 图像的压缩和解压缩。参照 lib jpeg 库中编解码过程, 实现了类 MYJPEG中压缩与解压缩成员函数。

w r ite e(unsigned cha r * m m char* m quality);/ /图像数据压缩处理 readm e(uns igned char indata int pSize unsigned char m * , , * outdata);/ /图像 数据解压缩处理 outdata int * pS ize unsigned , , indata unsigned int mw idth, unsigned int mhe ight int , , 压缩函数中参数可以灵活对压缩图像分辨率大 小和质量属性进行设置, 参数 pS ize 返回压缩后图像 的大小。而解压缩图像时, 压缩图像的大小则通过参 数 pSize传入。3 5 网络传输视频图像数据.UDP是非连接的、不可靠的、传递数据报的传输 协议, 提供了一种高效无连接的服务。由于 UDP 不 提供数据的可靠性保证, 使其具有较少的传输时延, 很适合实时性高而不要求数据绝对可靠的场合。视 频图像数据实时性强, 数据量大, 所以系统设计采用 此协议传输数据。通过 L inux 下的 socket套 接字编 [ 7] [ 8 11] 程 , 实现视频图像的网络传输。利用 C语言中 的多线程编程, 将网络通信置于一个工作线程, 避免 了 GU I应用程序因网络阻塞等待操作而使图形用户 界面冻结无法响应的问题。系统设计时结合使用互 [ 12] 斥锁和条件变量对各个工作线程进行同步。嵌入式视频监控终端上采集显示程序作为主线 程, 同时创建一个视频图像发送工作 线程 deal_send(), 用来处理与视频监控中心 PC间的网络通信。具 体过程描述如 下: 调用 socket()函数创建一个 UDP 数据报类型的套接字, 接着调用 bind()函数, 给套接 字绑定一个端口。视频图像发送工作线程调用 recv from()函数在指定的端口上阻塞等待客户端发送来 的 UDP数据报, 接收到服务请求, 处理该服务请求并 通过 sendto()函数将处理结果返回给 PC 端。在监控中心 PC 端创建解码显示视频图像工作 线程, 并创 建一个视 频图像接 收工 作线程 deal _re ce ive(), 用来处理与视频监控终端的网络通 信。具 体过程描述如 下: 调用 socket()函数创建一个 UDP 数据报类型的套接字, 接着调用 bind()函数, 给套接 字绑定一个端口。调用 sendto()函数向监控终端发 送服务请求报文, 调用 recv from()函数等待并接收服 务应答报文。继续定时发送服务请求直至通信终止。具体网络传输的通信过程如图 4所示。

图 4 网络传输通信流程 4 视频图像实时显示

系统是一个实时视频图像采集与传输系统, 采集 的现场视频图像在嵌入式视频监控终端和监控中心 PC上实时显示与保存。只要以较快速度显示变化的 图片就可以实时显示现场情况, 系统中利用定时器每 40m s采集一帧视频图像。该远程图像监控系统界面 是通过 QT 来实现的, 在强大的 QT 图形库的支持下, [ 13 14 ] 可快速开发出友好的图形用户界面。利用几个 相关 Q t图形类 Q I age QP ixm ap和 QL abe,l 实现视频 m、图像的显示和 JPEG格式图片保存。5 结束语

系统设计方案 是一种基于嵌入式 L inux 的图像 采集和传输系统, 本文详细介绍了 V4L 2应用编程接 口进行 USB 摄像头视频图像采集, 基于 QTE 图形库 实时显示视频图像, 利用开源的 lib jp eg 库实现图像 的 JPEG 编解码, 通过网络实时传输进行远程监控。整个系统数字化、网络化程度高, 实时性好、稳定可靠 且图像质量较好。经实验测试, 系统很好地实现对现 场视频图像的监控。在该系统的基础上, 可进一步进 行二次扩展开发, 以便应用在工业现场控制、远程指 挥监控系统、可视电话等诸多领域。

参考文献: [ 1] [ 2] [ 3] 赵敏, 杨恢先, 汤安平.基于 S3C2440的嵌入式 L inux 系统 移植的研究与实现 [ J].电子器件, 2008 31(6): 1947 1950 ,.郑灵翔.嵌入式 L inux 系统设计 [M ].北京: 北京 航空航 天大学出 版社, 2008.M ichae lH Schi ek V ideo for L inux Tw o AP I Specifica tion m.[ EB /OL ].http: / /v4l2spec bytesex org /v4l2spec / v4 l2...pd, 2008 03 04.f(下转第 38页)38 计

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目标图像中变成 A!B!因为向前移动了, 所以物体显 , 得比原来要大些。放大的过程应 该是: 逐步 放大左 图, 并适当地截取放大图中跟原来一样大小的一块矩 形区域, 作为一张新的过渡图。至于放大的倍数, 作 [ 8] 如下考虑 : 假设 A!的长度是 AB的 L 倍, 两幅图像之间插入 B!n张过渡图, 则每一张过渡图之间的放大的倍数是(L 1)/(n+ 1)。

速度, 内存优化后系统占用资源更少, 由于不用频繁 申请内存和 释放内存, 减少 了漏洞和错误发 生的几 率;采用缩放的方法改进了行进间的浏览效果, 提高 了虚拟漫游的沉浸感, 具有一定的实用意义。

参考文献: [ 1] 石云飞, 王永平, 李龙 济, 等.基于 模板匹配 的柱面全景 图拼接优化算法 [ J].工程图学学报, 2005(1): 96 99.[ 2] [ 3] [ 4] 华顺刚, 曾令宜, 欧宗瑛.一种快速的柱面全景拼接算法 [ J].数据采集与处理, 2006, 21(4): 435 436.潘华伟, 邹北骥.一种圆 柱形全 景图生 成新算法 及其实 现 [ J].计算机工程与科学, 2003, 25(6): 13 16.吴宪祥, 郭宝龙, 王娟.基于相位相关的柱面全景图像自 动拼接算法 [ J].光学学报, 2009, 29(7): 1824 1829.[ 5] 钟力, 张茂 军, 孙立 峰, 等.360度柱 面全 景图 像生 成算 法及其实现 [ J].小型 微型 计算 机系 统, 1999 20(12): , 899 900.[ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 赵 辉, 陈 辉, 于 泓.一 种 改 进 的 全 景 图 自 动拼 接 算 法 [ J].中国图象图形学报, 2007, 12(2): 336 342.阮 秋 琦.数 字 图 像 处 理 [ M ].北 京: 电 子 工 业 出 版 社, 2001.董 士 海.虚 拟 现 实 的 未 来应 用 [ N ].中 国 计 算 机 报, 2001 02 21.崔汉国, 曹茂春, 欧阳清.柱面全景图像拼合算法研究数 字图像处理 [ J].计算机工程, 2004, 30(6): 158 159.[ 10] 赵万金, 龚声蓉, 刘全, 等.一种用于 图像拼 接的 图像序 列自 动 排 序 算 法 [ J].中 国 图 象 图 形 学 报, 2007, 12(10): 1861 1864.[ 11] 张茂春.虚拟现实系统 [M ].北京: 科学出版社, 2001.[ 12] 明德烈, 柳健, 田金文.二维平面内的增强现实虚实配准 问题研究 [ J].红外与激光工程, 2001, 30(6): 410 413.[ 13] 蔡勇, 刘学惠, 吴恩华.基于图像绘制的虚拟现实系统环 境 [ J].软件学报, 1997.8(10): 721 728.[ 14] 喻罡.基于图像的虚 拟场景 构造 和漫 游系统 研究 [ D ].西安: 西安理工大学, 2002.图 6 放大前后的线段

在放大后的图像中央截取一块跟原图像大小相 同的区域, 然而由于拍摄的过程中, 一系列的过渡场 景不可能严格地在一条直线上, 也就是说相邻的中间 图像的中心位置并不重合。如果不加任何处理, 在过 渡的时候实际效果并不平滑, 在到达下一张中间图像 的时候仍然会有跳跃的感觉。解决的方法是, 预先计 算 AB的中点在经过放大和截取后, 在最终目标图中 的位置 p(x y), 对比 A!B!的中点 p!(x!y!), 得出 ,!, ? x = x!-x ? y = y!-y 每次 放大后截 取时, 补偿 , , ? x /(n+ 1)和 ? y /(n+ 1), 使图像中心逐步向目标 图像的中心靠拢。

结束语

本文首先研究了鱼眼图像的拼接算法, 在提出基 于亮度差的鱼眼图像重叠区域的确定方法和采用线性 补偿光强的方法进行图像的融合处理的基础上, 实现 了利用两幅鱼眼图像生成空战环境球面虚拟空间, 然 后探讨了基于球面虚拟图的多视点漫游问题。分析 可知: 利用反投影模板技术有效地提高全景图浏览的

远程红外图像系统设计 篇3

数字系统的电源设计要考虑FPGA和DSP芯片的软起动、输出电压、电流的精度、躁声滤波和多负载供电等特殊要求,设计者要翻阅大量的资料,在多种设计方案中进行选择。利用Webench电源设计工具[1]可以在很短的时间内给出多种方案供设计者选择,通过效率、成本、PCB板面积三个方面对设计进行优化,节约了大量的时间,提高了设计效率。

1 红外图像处理系统的电源要求

1.1 系统功能分析

红外探测器采集到红外图像,以LVDS形式送给FPGA,经过解码,时序变换和预处理,分成两路,一路存贮到DPRAM中,由FPGA发出一个外部中断给DSP,DSP接收到中断后从DPRAM中读图进行处理,把结果信息写到FPGA的FIFO中,预处理出来的另一路信号把FIFO中的信息叠加上去,送给VGA显示接口模块,在显示器上显示图像。

1.2 系统的电源要求

根据系统功能分析,首先确定硬件电路的设计方案。FPGA是系统的核心,采用Xilinx公司的XC6SLX100芯片,内核电压/电流1.2V/4A,辅助电压/电流3.3V/0.15A,I/O口电压/电流3.3V/1A,DSP采用TI公司的TMS320C6416芯片,内核电压 /电流1.4V/2A,I/O口电压/电流3.3V/2A。Flash用来存贮DSP程序,采用MX29LV320T/B芯片,供电电压/电流3V/1A。DPRAM用来存贮系统缓存数据,采用IDT公司的IDT70V639S,供电电压/电流3.3V/1A。硬件电路的外部供电采用电源适配器,输出直流电压为5~9V。考虑到电路负载较多,FPGA供电要求高, 电源设计中采用FPGA/处理器的电源架构设计入手。

2 系统电源设计

2.1 FPGA的电源架构设计

FPGA和DSP的内核电压启动要早于I/O口的电压,设计时将内核电压及其它负载作为一路电源, 设定软起动时间0.5ms。FPGA的6个Bank和DSP的I/O口作为一路电源,设计软起动1.5ms。进入Webench设计中心,选择FPGA芯片,根据设计要求建立电源和添加负载,将优化调校旋钮调到4,择方案3,单击“view project details”,进入检视/编辑界面,图1为内核电压及其它负载电源树,所选芯片都是BUCK型,考虑到电流精度要求,要按照最大输入电压9V进行设计,此时电流误差最大。中间的是Webench提供的电源芯片,右边是5个负载,没有中间电压轨,经过进一步优化选择后,单击“Create Project”建立设计工程。

2.2 DSP内核电源设计

TPS62130[2]是美国德州仪器公司推出的DCS- ControlTM技术的同步降压转换器,具有可无缝转换至节能模式的直接控制调节拓朴结构,场效应管集成在芯片内部。图2为DSP内核电源原理图,输出电压一路反馈到VOS端,另一路通过R1b1和R1b2反馈到FB端,通过内部DCS-Control拓朴结构调节输出电压。输出电容Cout对输出电压的纹波ΔV有较大影响, ΔV=ΔiL/8Coutfs+ΔiL*ESR,从公式中可以看出,减小ΔV的方法有:1)ΔiL不变时,提高开关频率fs, 这样可以选较小Cout,有利于减少PCB板面积,节约成本;2)采用ESR较小的电容。图5是输出电压仿真波形,ΔV约1mV,将fs=2.5kHz,ESR=1.8mΩ代入公式算出ΔiL约250mA。图3是负载瞬态仿真,由于DCS-Control拓扑通过VOS引脚检测实际输出电压, 因此非常适合对负载瞬态做出响应。从图中看出, 当Iout从2A变到0时,Vout有一正的尖脉冲约1.49V, 同样负的尖脉冲约1.35V,经过几十微秒就能恢复稳定,具有优异的瞬态响应。Vout在上冲时没有出现振荡说明电路处于稳定状态,TPS62130具有缓起动功能,通过外接电容Css和内部电路可以调整电源的上电时间,利用这一功能可以调节芯片的内核电压早于I/O口的电压起动,也可以利用芯片的级联达到这一目的[3]。图4为开机时刻仿真,从图中可以看出, 当Vin从0到7V时,Vout经过0.2ms就达到1.4V,达到了设计要求。

图5 TPS62130稳态仿真 (参见下页)

2.3 I/O口电源设计

LM2734[4]是美国德州仪器公司的高速同步降压稳压控制器,芯片的驱动部分充许最大16V的输入电压,具有自适应非重叠MOSFET门级驱动器, SS/TRACK引脚用于提供起动延时。图6是FPGA和DSP芯片的I/O口电源原理图,由于输出电流较大, 采用外接MOSFET的方法,HG和LG分别是上、下MOS管的驱动引脚,主要外部元件有输入、输出电容Cin、Cout,MOS管M1和M2,输出电感L1。对于开关频率和电感L1大小之间的关系分析如下:因为L=U×Δt/Δi,D=TON×fs,所以L=U×D/fs×Δi,由此可见当Δi和D不变时,提高开关频率可以减小电感值,减小PCB板面积,使输出电压的纹波ΔV变小, 但是提高频率会使MOS管M1和M2的开关损耗增大, 电源效率下降。利用优化调校旋钮,根据设计要求, 在效率、PCB板面积方面进行优化,Webench将会重新计算并给出结果。图7为LM2734稳态仿真图,从中看出负载电流1A时,Vout平均值为3.27V,ΔV约10mV,满足设计要求。

电源设计工具还提供原理图导出功能,单击CAD按钮,可将原理图导出到Altium Designer等PCB板设计软件中。

图6 I/O口电源原理图 (参见右栏)

图7 LM2734稳态仿真 (参见右栏)

3 系统电源的PCB布线

在进行PCB设计之前,对于可以进行热仿真的芯片(芯片前有温度计标志)进行热仿真,其目的是控制系统电源中所有元件的温度,保证在其工作环境中元件温度不超过标准所规定的最高温度。PCB布线中主要考虑有:1)电源接地技术;2)芯片和外部元件放置的一般原则;3)滤波电容的布线及要求; 4)电源芯片外接功率MOSFET的布线要求及去耦; 5)大电流走线和过孔;6)散热的情况等方面,美国德州仪器公司网站上会给出一些参考文档。

4 结束语

利用电源设计工具只需输入几个参数就能得到所需设计方案,提高了设计效率,是一款不错的辅助设计工具。不足之处是方案中的电源参数有时不能满足设计要求,能仿真的电源芯片不多。

参考文献

[1]Perry J.使用系统级设计工具设计FPGA电源[J].电子技术应用,2011(7):17-18.

[2]Texas Instruments.采用3×3四方扁平无线(QFN)封装的3-17V 3A降压转换器[EB/OL].www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps62130.pdf

[3]马晓东,刘鑫.基于TPS54610的DSP+FPGA系统电源设计[J].电子设计应用,2007(10):107-109.

远程红外图像系统设计 篇4

手背静脉识别是近年来新兴的生物特征识别技术。手背静脉由于具有丰富的静脉分布,可用特征多,在人体静脉识别中显示出优势,具有非常广阔的应用前景。与其他人体生物特征一样,手背静脉具有普遍性、唯一性、稳定性、可采集性、可接受性、防欺诈性等特性[1],而且具有活体识别、内部特征、非接触式等优点,很难伪造或手术改变,与指纹识别技术相比,安全性更高。静脉图像的采集途径分为近红外和远红外两种技术[2]。近红外图像,是通过主动发射波长为700-900 nm的红外光波,由带有红外滤镜的CCD(Charged Couple Device)摄像头拍摄而得[3]。该波长可以较好地穿透骨骼和肌肉,静脉里的血液比周围组织吸收更多的红外光,血管流经处颜色较深,从而呈现出静脉结构。基于近红外技术的手背静脉识别,具有设备成本低的优势,更利于实际应用的推广,成为研究的热点[4,5,6]。文章研究了近红外技术手背静脉图像采集系统及制作。采用光学摄像镜头、SONY的ICX089AKCCD图像传感器、NEC的PD16510CCD图像传感器驱动芯片、Philips的数码摄像信号处理器芯片SAA8116(包括微控制器和USB接口)、TDA8787A/D接口构成图像采集硬件系统。利用Directshow开发图像采集软件。硬件系统与计算机之间采用USB作为通信接口。实验结果表明,系统能采集到清晰的手背静脉图像,尤其在850 nm近红外光波条件下,取得更加满意的实验结果。系统的研制对手背静脉身份识别仪器的研制具有一定的参考价值。

2 图像采集系统设计

系统由近红外成像、通信接口、图像处理三大部分组成。通过发射一定波长的红外光照射手背,使手背静脉血液吸收红外光,使其跟周围组织对比度更加鲜明。在镜头前加装红外滤镜。红外滤镜的作用是阻挡可见光而让红外光顺利通过镜头,CCD传感器捕捉红外光。信号采集和处理模块进行数据采集,再通过USB通信接口将图像数据传输给计算机,由图像采集软件完成手背静脉图像的显示、预览、存储等。系统采集硬件和图像采集软件之间通过计算机采用USB通信接口完成数据传输及指令控制。这就是红外线手背静脉图像采集系统的设计原理。系统总体框架如图1。

2.1 近红外成像

主要由摄像镜头、CCD传感器、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、光学机械接口等组成。

摄像镜头:具有4层玻璃镜片,层数越多,失真校正越好。装有红外滤镜,能允许红外光通过,从而能更好地采集红外图像。

CCD传感器:系统的核心器件,在驱动脉冲的作用下,实现光电荷的转换、存储、转移及输出等功能[7]。系统采用SONY的ICX089AK CCD图像传感器芯片。芯片由硅材料制成,对近红外光波比较敏感,在黑暗环境中也能采集到清晰的、低噪声的图片。

驱动电路:由晶振、时序信号发生器、垂直驱动器等构成,为CCD提供所需的脉冲驱动信号,并为信号处理电路提供钳位、复合同步、复合消隐、采样保持等脉冲信号。系统采用NEC的PD16510CCD图像传感器驱动芯片。PD16510是垂直驱动器,包括一个CCD垂直寄存器驱动器(4通道)与一个VOD快门驱动器(1通道),专用于CCD图像传感器,采用层次转换电路,具有三层输出功能。

信号处理电路:主要完成CCD输出信号的AGC、视频信号的合成、A/D转换等功能。CCD的输出信号输入至信号处理电路,信号处理后转换为所需要的信号输出。系统采用Philips的数码摄像头信号处理器芯片(包括微控制器和USB接口)SAA8116。

接口电路:将来自外部的控制信号转换为相应的相机控制信号,并反馈至时序发生电路、信号处理电路,从而对相机的工作状态进行有效控制。接口电路还可输出时序发生器所产生的各种驱动时序信号,可被图像采集软件用于对图像采集的控制。采用Philips的TDA8787A/D接口芯片。

机械光学接口:完成与光学镜头的机械连接,从而实现光学系统与CCD的耦合(如图2)。

2.2 图像采集软件

DirectShow是微软公司在ActiveMovie和Video for Windows的基础上推出的新一代基于COM(component object model,COM)的流媒体处理的开发包,采用Filter Graph来管理整个数据流的处理过程,可从采集卡上捕捉数据并用于后期处理[8]。DirectShow的基本构建模块称为滤波器(Filter)组件,DirectShow可将数据流的处理过程分解成若干步骤,每一步由一个Filter来完成。Filters之间通过Pin进行连接构成滤波器图(Filter Graph),通过Filter Graph Manager控制一系列的数据处理过程[9]。

图像采集采用DirectShow的ICaptureGraphBuilder2标准接口,利用其中的R e n d e r S t r e a m自动建立、连接滤波器链表。RenderStream在预览、捕获视频时引脚的类型分为PIN_CATEGO RY_PREVIEW和PIN_CATEGORY_CAPTURE,媒体类型均为MEDIATYPE_Video。完成两个目标任务:一是实时预览采集的视频数据,二是在预览图像时,实时将捕获数据并保存到文件中。

3 实验结果

将近红外成像硬件部分通过USB口与PC机连接,在PC上运行图像采集软件,可以对手背静脉图像进行采集。图像像素大小:640480。下面比较在正常光照下以及不同波长近红外光照射下所采集到的图像。

在普通光源下,系统采集到的图像可依稀呈现静脉网络如图3(a),但计算机很难进行特征提取和识别。用近红外光波照射手背,由于红外光波能够较好地穿透骨骼和肌肉,静脉对红外光的折射率与周围组织不同,因此能够更好地凸现出静脉网络结构。在近红外光波照射下,系统采集到的手背静脉图像如图3(b)。从图中可以看出,近红外光波下采集的静脉网络效果明显优于普通光源下的效果。

由于人体组织对红外光波具有反射性,可以通过调整近红外LED的发射功率增强图像的对比度。当红外光的波长增加时,静脉外的其他组织反射性也随着增强,采集到的手背图像静脉网络跟其他组织的对比度也降低,这样反而难以得到清晰的静脉网络图像。如图4所示,当入射光波为850 nm时得到的图像静脉网络比光波为940 nm时采集到的结果更为清晰。因此,采用850 nm波长的红外光源采集到的静脉网络对比度更高。

4 结语

手背静脉识别是新颖的身份识别技术,采用活体内部特征,比指纹识别安全性更高,是一项值得推广的技术。研制低成本、高质量的静脉图像采集系统是该技术得以广泛应用的关键所在。文章采用ICX089AK CCD图像传感器、PD16510 CCD图像传感器驱动芯片、数码摄像信号处理器芯片SAA8116(包括微控制器和USB接口)、TDA8787A/D接口开发设计图像采集硬件。在不同波长红外光照射下进行实验,结果表明,系统能采集到清晰的手背静脉图像,尤其在850 nm近红外光波条件下,取得更加满意的实验结果。系统具有成本低,效果好的优势,对手背静脉身份识别仪器的研制具有一定的参考价值。

摘要：手背静脉识别是新颖的身份认证技术,与指纹识别相比,具有活体识别、内部特征、非接触式等优点。基于近红外技术的手背图像采集设备具有制作成本低的优势,是实际应用中首选的技术。文章研究了基于近红外技术的手背静脉图像采集系统及制作,实验结果表明,在850nm的近红外光波下,可以采集到高对比度的手背静脉图像。对手背静脉身份识别系统制作具有参考价值。

关键词：生物识别技术,手背静脉识别,图像采集,近红外技术,CCD传感器

参考文献

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[3]林喜荣,庄波,苏晓生等.人体手背静脉血管图像的特征提取及匹配[J].清华大学学报(自然科学版),2003,43(2):164-167.

[4]Wang Huabin,Tao Liang.Novel algorithm for enhancement ofhand vein images based on adaptive filtering and retinex method[J].International Conference on Information Science and Tech-nology(ICIST'12),2012:857-860.

[5]Kumar A.,Hanmandlu M.,Madasu V.K.,Lovell B.C.Biometric Authentication Based on Infrared Thermal Hand Vein Patterns[J].Digital Image Computing:Techniques and Applications(DICTA),2009:331-338.

[6]Liukui Chen,Hong Zheng,Li Li,etc.Near-Infrared Dorsal Hand Vein Image Segmentation by Local Thresholding Using Grayscale Morphology.The1st International Conference onBioinformatics and Biomedical Engineering(ICBBE'07),2007:868-871.

[7]王忠立,贾云得.基于CCD与CMOS的图像传感技术[J].光学技术.2003(3):1-2.

[8]陆其明.DirectShow开发指南[M].北京:清华大学出版社,2003:12-34.

远程红外图像系统设计 篇5

红外焦平面图像预处理系统中,除需要将预处理之后的数字信号传输到后面图像处理系统外,经常还需要输出一个标准的模拟视频信号。但由于红外焦平面输出的信号是非标准的视频信号,其中不包含同步信号,所以不能用通常的同步方法来保证模拟输出的同步,需要采用特殊的同步方式。本文利用红外焦平面的积分信号,基于FPGA实现了一种红外图像预处理系统模拟视频输出的同步方案。

1 红外焦平面及其构成的视频图像处理系统

一种以数字信号处理器为核心的红外焦平面视频图像数字预处理系统的总体框图如图1所示。

1.1 基于DSP的视频图像处理系统[1][2]

本系统从功能上可以分为四个部分:DSP数据处理与存储模块,数据采集模块,数字与模拟数据输出模块及时序控制模块。DSP数据处理与存储模块完成图像的非均匀校正、坏元替代、自动增益控制、图像冻结、极性变换、直方图统计以及电子变焦等数据处理;数据采集模块包括高速A/D转换电路、输入数字信号的同步FI-FO缓冲电路等;输出模块包括缓冲输出视频数据的同步FIFO存储器电路、视频D/A转换器以及RS422电平格式的数据发送电路,该模块完成模拟视频信号的显示和向下一级处理系统送数字信号;时序控制模块的主要任务是在DSP的协调下控制所有模块的时序和工作状态,从而保证系统正常工作。

时序控制模块由FPGA芯片及外围电路构成,其顶层信号配置如图2所示[3]该FPGA为系统提供主要的时序控制,包括各器件所需的时钟、中断信号、同步信号等。

图1所示系统的工作过程为:来自FPA探测器的两路输入视频信号经视频A/D变换为数字信号后进入先进先出(FIFO)存储器,并经由DSP的DMA通道存入DSP片内RAM中,进行非均匀性校正、坏元替代等处理,并将处理后的图像数据通过DMA通道搬至数字视频输出FIFO后送至下一级图像处理系统。同时,处理后的数据经由另一个输出FIFO进入视频D/A转换器,在复合同步信号和复合消隐信号的控制下,转换为标准的PAL制模拟视频信号。

1.2 红外焦平面阵列的工作原理

红外焦平面阵列的工作原理是[4]:焦平面上的红外探测器在接收到入射的红外辐射后,在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷,通过扫描焦平面阵列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器件中来读出这些电荷。当探测器将入射光子转换成电荷后,所产生的信号必须被注入读出电路,以便进行多路传输,读出电路的输出信号再进入放大电路进行放大,然后进入后续电路进行处理。

为使IRFPA正常工作,IRFPA的读出电路一般需要外部提供5个信号:相位时钟PH1与PH2、周期及积分时间均可变的积分时间时钟INT、IRFPA,工作模式设置控制字COMI与模式设置使能控制字COML。这5个信号由外部输入IRFPA。其中INT用来控制红外探测器产生的光电流在积分电容上的累积时间。PH1、PH2作为读出电路中移位寄存器行和列扫描的时钟和复位时钟。此外,通过控制积分时间时钟的周期可以改变IRFPA输出图像的帧频。

由以上的叙述可以看出,系统前端IRFPA输出的图像信号不包含标准视频信号的同步信号、消隐信号等。所以无法从中分离出这些信息,需要系统自己生成符合PAL制标准的同步信号等,然后合成标准PAL制视频信号。下面介绍模拟视频信号的原理及实现方法。

2 模拟视频信号的生成

本系统采用Bt121作为视频编码器芯片[5],由其合成PAL制标准视频信号。图3是生成全电视信号所需各种信号的FPGA模块框图。该模块有4个输入信号:CLK,REN4,CLK8M,RESET。其中:CLK是主时钟信号;REN4是DSP送给FPGA的控制信号,REN4为低时开始产生模拟视频信号输出;CLK8M是8MHz的时钟信号;RESET是复位信号。输出5个信号:SCLOCK、BLANK、SYNC、RCLK4和PRS4。其中SCLOCK是视频编码芯片BT121的时钟信号;BLACK和SYNC分别是送给BT121的消隐信号和同步信号;RCLK4是模拟口FIFO的读时钟信号;PRS4是模拟口FIFO的清空信号。

2.1 SYNC和BLANK信号设计[6]

要产生符合PAL制标准的电视信号,需要产生满足如图4所示的复合同步信号和场消隐信号。图中阴影部分就是产生的有效图像区域:320(列)×256(行),视场的其他部分不送图像信号。产生SYNC和BLANK信号时设计了四个模块:pix、vcnt、sync_gene和blank_gene模块。

2.1.1 pix模块

pix模块卞要用来产生半行计数器B、整行计数器Q和半行标志Tcrm,以便为其他三个模块所用。标准的PAL制电视信号,一行64μs,由于像素时钟8MHz,即125ns,64μs/125ns=512个像素,这样半行计数器B,记8MHz时钟的个数,当B=255时,B值复位为0,而D则是计数半行个数的计数器,因为一帧图像分成奇偶两场,每场312.5行,总共625行,这样D的值就从0～1249。同样Q用来计数整行,Q=511时,Q的值复位为0。当计数器每次计数到255时,也就是B值变化时,Term变为1,其他情况下Term为0。

2.1.2 vcnt模块

vcnt模块主要产生F和H标志,用F和H两个标志标示SYNC信号的产生.。在该模块中,用一个计数器赋D的值,当D值不同时,产生不同的F和H值。当D为619或1244或629或4时,F和H都为1;当D为624或1249时,F和H分别为0和1;当D为634或9时,F和H分别为1和0。

2.1.3 sync＿gene模块

通过前面产生的F和H值的不同组合加上B和Q的不同值,就可以确定SYNC信号发生跳变的时刻。只要记录下这些时刻,就可以生成符合要求的SYNC同步信号了。F和H以及B和Q的组合所代表的时刻如表1所示。

2.1.4 blank＿gene模块设计

消隐信号的产生,主要是齿脉冲信号的产生,同样可以通过齿脉冲的不同,区分奇偶场信号。通过D和B的值就可以知道何时在场消隐期间,何时不在场消隐期间,场消隐信号的产生逻辑如表2所示。

2.2 RCLK4信号的设计

RCLK4信号是模拟口FIFO的读时钟,当有读时钟时就有数据被送到BT121。因此在一场期间,只在图中阴影部分才产生RCLK4。

通过两个标志信号flag_256和flag_320v控制RCLK4的产生。flag_320v信号用来记每一行像素点的位置,由于一行64μs,相当于512个像素,除去行逆程12μs,96个像素,正常能显示的像素个数是512-96=416,因此让图像显示在屏幕的中央部分:416/2=208,208-160(半行像素的个数)+96(逆程)-12(前肩宽度)=132,因此选图像开始的第一个像素的位置为132,而最后一个像素的位置也就确定了:132+319=451,于是在计数器值大于132并且小于451时,令信号flag_320v=1,否则为0。

注:表中VB代表场消隐。

在确定了每一行的位置后,还要确定从哪一行开始显示图像。由于一帧图像分成奇偶两场,所以每场都显示256行,而PAL制中每场312.5行,312.5-256-25 (场消隐期)=31.5,所以让图像上面空出16.5行,下面空出15行,中间区域显示图像。考虑到奇偶场问题,用D来计数,当77

最后得到flag_256和flag_320v两个信号后,在两个信号都为1时,让RCLK4输出8MHz时钟,相当于在这些时刻显示FIFO中的数据,而其他情况输出0,不显示数据。

SCLOCK信号是Btl21的工作时钟,其设计较简单,这里不再详述。

上述的同步信号、消隐信号、时钟信号以及从输出FIFO读出的数据信号经Bt121芯片合成后,成为符合PAL制标准的全电视信号,可以直接在监视器上显示输出。

本文实现了一种红外图像预处理系统的模拟视频信号输出。实际实现中还解决了系统输入输出冲突、输入输出FIFO的误读、FPGA信号的驱动等具体问题。经过对所设计的FPGA时序在红外预处理系统中的实际测试表明,其实现了预期功能,使红外图像预处理系统的模拟视频输出达到了实时、稳定的要求。

参考文献

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[5] Rockwell Bt121KPJ80 Datasheet.1998．

远程红外图像系统设计 篇6

在压缩算法中,采用小波变换、位平面编码等技术的静态图像压缩算法JPEG2000能够实现无损、近无损以及有损压缩,并且图像压缩质量很高,特别是图像纹理简单的压缩图像效果显著,因此为了不丢失静态图像细节,能够最大程度保留有用信息,选择JPEG2000无损压缩技术[5]。

一般来讲,实现静态图像压缩有两种方式,一种方式是,仅仅通过FPGA或者DSP来实现图像压缩算法,然而这种方式相对比较复杂,并且优化起来比较困难,很难做到性能的进一步提升。因此,提出另外一种方式,就是通过专用图像压缩芯片与FPGA结合来实现静态图像的压缩,将专用图像压缩芯片的初始化、压缩参数的配置、以及数据的收发都交给FPGA来执行完成,而专用图像压缩芯片只要负责图像的压缩算法即可[7]。本设计中采用的是ADV212专用图像视频编解码器与Xilinx公司的Spartan3系列的FPGA来实现图像压缩。

1 ADV212的芯片原理

ADV212受益于采用了国际领先的JEPG2000图像压缩标准,因此它具有高带宽、低功耗的特点,并且能够实时压缩或者解压缩静态图像以及视频图像[8]。ADV212无缝提供了国际通用的专用视频端口,如ITU-RBT.656、SMPTE 125M、SMPTE293M、ITU- R BT.1358、SMPTE 274M (1080i)、SMPTE 296M(720p)。除了支持以上专用视频接口,同时还支持对原生静态图像格式进行压缩。通过对ADV212内部寄存器的配置,可以实现视频接口的选择,以及对图像压缩质量、压缩比等参数的控制[6]。

如果是上述标准格式的图像数据可以通过ADV212的像素接口输入,经过压缩后的压缩数据通过编码FIFO输出。而对于原生静态图像数据,虽然也可以通过像素接口输入,但是需要配置的相应寄存器较多,同时需要主机配置相应的视频输入时钟和使能信号。因此对于原生静态图像数据,该文采用的是通过主机接口输入,压缩后的压缩数据通过编码FIFO再输出给主机,即HIPI模式。

2 系统设计

系统选用了响应波段为2.6um到3.2um的短波640x512红外焦平面探测器组件,可以将目标红外辐射转换为可检测的电信号。由于此波段的短波红外探测器的响应输出幅度较短,对于接近于绝对温度的目标响应为1.6V,对于高温目标,输出饱和在4.4V,对于如此窄的输出响应,为防止微小抖动产生的巨大误差,因此选用的是一款14位量化深度的A/D转换器,通过FPGA对A/D的配置,以及对短波红外探测器提供驱动信号,使每个像素点都量化为14bits的数据,经过FPGA对这些采集得到的数据进行处理,打包形成640*512*14bit为一帧的静态图像数据,最后帧图像数据通过ADV212进行无损压缩。将压缩后的数据流反馈给FPGA。

FPGA主要实现三个功能:1) 主机逻辑功能,对系统中的各个部分进行控制,包括对短波红外探测器的驱动控制,实现短波红外探测器以4MHz的速度、8通道同时输出模拟图像数据,该8通道一次输出相邻的8个像素点,逐行输出整帧图像;另外对A/D进行配置,使其能对探测器输出的数据全部采集并量化;最后是对ADV212的各个寄存器进行配置,使其能够压缩14bits深度的数据,并配置ADV212的输出通道,配置为外部DMA方式进行输出。2) 数据处理,将从A/D输出的14bits原始数据进行打包送至ADV212,另外接收ADV212输出的压缩码流。3) 对ADV212进行加载正确的固件,加载固件也是先对ADV212的相关寄存器进行配置,将固件写入到正确的固件地址中。

2.1 系统硬件设计

数据压缩是采用ADV212的HIPI模式,此模式是通过32-bit宽度的HDATA总线传输数据,在HDATA总线上,先将原始静态图像数据输入至ADV212,原始数据可以打包为8-bit或者16-bit形式,若位数不足则低位补0。由于本设计是要实现14bits深度的数据压缩,因此采用16-bit打包方式,低两位补0,每次采样两个像素点。当将规定好的一帧640*512的像素数据全部成功发送给ADV212以后,会得到ADV212的反馈信息,当ADV212准备好以后,所需要压缩数据码流便会以用户定义的要求通过外部DMA通道输出。

2.2 软件配置

ADV212的工作分 两个阶段 :(1) ADV212的初始化 ,ADV212的初始化是通过配置ADV212内部寄存器来实现的。(2) 通过外部DMA通道对数据进行采集,并输出压缩码流。

需要配置的内部寄存器包括PLL控制寄存器PLL_HI、PLL_LO,这两个寄存器主要是用来配置JCLK与HCLK,JCLK为ADV212的内部JPEG2000硬件各区块提供驱动时钟,HCLK为嵌入式处理器提供驱动时钟,JCLK的时钟频率最低不能小于50MHz最高不能大于150MHz,而HCLK不应超过108MHz。由于本设计中ADV212的主时钟MCLK为24MHz,因此可设计JCLK四倍于MCLK,为96MHz,HCLK两倍于MCLK,为48MHz。因此16bit直接寄存器PLL_HI、PLL_LO分别配置为0X0008和0X0004。这里要注意,在配置了PLL寄存器以后,需要软件延迟20us。接下来配置BOOT寄存器为0X008A,为ADV212内部进行软件复位,经过实验证明,为保证能够使ADV212正确的工作,设置之后要为软件复位保证至少15us的延迟时间。由于采用的HIPI模式,因此需要设置HOST为32位,DMA数据位宽为32位,因此配置BUSMODE寄存器为0X000A。设置MMODE寄存器为0X000A。接下来 ,要为ADV212加载正确的固件,固件的起始地址为0X00050000,通过FPGA的ROM加载方式,将固件加载到ADV212中。固件加载成功以后,会反馈到寄存器SWFLAG中,读取SWFLAG寄存器的值,若为0XFF82,则表示固件已经正确加载到ADV212中。除了上述寄存器以外,还要对数据输入总线进行设置,寄存器PMODE1设置为0X0318,设置其为14-bit的精度,因此32位的HDATA总线每次可采样两个精度为14-bit的像素点。设置图像的寄存器XTOT与YTOT,分别是图像横向像素与纵向像素点个数的设置,本设计的短波红外探测器的焦平面是640*512,因此设置XTOT为0X0280,YTOT为0X0200。设置VMODE寄存器为0X0012。最后,设置数据传输通道DMA,相关寄存器为EDMOD0与EDMOD1,分别映射的是Pixel FIFO与CODE FIFO,即像素输入FIFO与压缩码FIFO。

数据的读写时序是初始化完成后,检测/DREQ0信号是否有效,如果有效,通过FPGA使/DACK0信号有效,随后便可以在/WE信号的作用下将14-bit精度的图像数据通过DMA通道0传输到PIXEL FIFO中,当整帧数据都传输完毕以后,等待ADV212的压缩处理,当/DREQ1有效以后,说明ADV212已经将一帧图像的数据压缩完毕,当需要读取压缩码流时,FPGA通过控制反馈给ADV212信号/DACK1,通过握手告知ADV212可以开始传输,控制/RD,通过DMA通道1将CODE FIFO中的压缩码流传输给FPGA,直到所有码流输出完毕以后。读写时序如图6。

3 小结

本设计是基于FPGA+专用图像压缩芯片ADV212的结构来实现短波红外探测图像,不仅发挥了FPGA的高度灵活性的并行处理能力,同时也满足了系统要求的高效率的图像压缩。由于采用的是2.6um到3.2um波段的短波红外探测器,为避免增加图像噪声,因此需要使ADV212配置为5/3无损压缩模式,图像处理结果基本无失真,能够最大程度的保留原图像的细节信息,减少图像噪声干扰。压缩过程采用HIPI模式,不仅提高压缩效率,减少配置过程,另外,调整压缩参数方便、灵活,压缩信息容易恢复。

参考文献

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[7]张益.一种高效浮点DCT图像压缩系统研究与FPGA实现[D].电子科技大学,2012.

集控站远程图像监控系统设计 篇7

关键词：无人值守,图像监控,集控站

电力是国民经济的命脉,是一切经济活动的支柱,但随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,电网发展也日新月异,变电站点越来越多,分布也越来越广,相反的是变电运行人员数量增长缓慢,随着时间的延长,矛盾日趋加剧。为此,为实现电网管理的现代化,保证供电系统的安全运行,变电站无人值守被广泛推崇,而集控站建设正是在此背景下应运而生。

集控站的建成,实现了远方变电站的无人化和对其“遥控、遥调、遥测、遥信”的“四遥”功能,但要实现变电站全面的自动化管理,如对变电站现场环境的实时监视,防盗、防火和报警等功能,目前常规的自动化系统还达不到要求。而通过远程图像监控系统不仅可以远程监控设备的运行情况,还能实时获得来自监控现场的报警信息,对可能或已经发生的异常现象及时处理并保存现场的图像资料,从而实现一个重要功能——遥视。

1 许昌供电系统现状及需求

许昌供电公司负责许昌地区5县2区的日常生产和生活供电,自2004年以来,电网较之从前有了大幅度的发展,新增1座500kV、2座220kV和3座110kV变电站,目前辖区拥有500kV变电站1座,220kV变电站5座,110kV变电站19座,供电负荷日趋增多。

随着变电站点的日益增多,生产运行人员的数量呈现日趋不足的趋势,为了实现集中管理,110kV变电站先后全部实现了无人值守,并先后组建了220kV薛坡集控站和220kV付庄集控站,已基本实现了220kV变电站对辖区110kV变电站的集中管理模式和对其的“四遥”即:遥测、遥信、遥调、遥控功能,为电力安全生产提供有效的辅助作用。

但随着变电站改造的进一步深入,“四遥”功能已渐渐跟不上现代化变电站的要求。而在“四遥”的基础上如何增加“遥视”功能、实现对110kV变电站的远程图像集中监控、使领导和集控站值班人员在计算机上实时监控远程变电站设备的运行情况、操作的执行情况、处理突发事件情况以及如何由220kV集控站对110kV变电站的“四遥”转变为“五遥”,使变电站真正实现无人值守和电力系统的现代化管理,在变电站远程集中监控的同时又具备实时监控设备运行状态、预期故障发现、迅速排除故障、记录和处理相关数据等功能?这些难题又成为许昌供电系统集控站建设的需求。

2 图像监控系统设计原理及原则

图像监控系统主要是运用多媒体数字压缩和复用技术,通过摄像机扫描现场图像,利用光电信号转换技术,使图像视频信号转换为数字信号,通过点对点和多点对一点的网络拓扑方式,以现有的光纤信道为传输介质,将远方图像传送到主控制中心以及局监控终端。

3 图像监控系统设计

运程图像监控系统一般由前端系统、传输系统、后端系统三大部分组成。

前端系统:主要完成监控现场音视频信号的采集、数字化、压缩编码、接入红外、烟感等各种开关量报警,接入温湿度等各种模拟量报警,提供警铃、射灯、摄像机云镜控制接口。

传输系统:主要完成多媒体、控制、报警等数据的网络传输。

后端系统:主要完成流媒体数据的解码、存储以及控制、报警、管理等功能,系统应用软件主要体现在后端系统中。(图像监控系统组成图如图1所示)。

由于子站站点多,工程量大,系统建设实行“先子站、后主站、同步联调”的建设原则。两个集控站建设,子站数量多(10个变电站)、范围广、施工量大难度高,因此,子站施工是本次系统建设的关键点。具体施工过程如下。

(1)摄像头的安装

摄像头的位置必须和集控站运行人员协商,科学地考虑带电安全距离和人员施工安全,防止由于高电压带电设备放电带来安全隐患。为了满足较少镜头监视较大范围的要求,合理利用变电站现场条件,将镜头挂接在带云梯的龙门架人字形立柱上,或者挂接在变电站主控楼上,高度一般为10～20m。

(2)布放线缆

缆线主要由电源线、视频线和控制线组成。必须结合现场实际情况进行规范布线,尽量利用现有的电缆沟,避免开挖过多的地面;线缆应该有较强的抗拉和抗磨损能力并做好防水、防火及绝缘处理。

(3)安装设备

设备主要是硬盘录像机,为保证系统的抗干扰和抗雷击能力,应采用通过CE认证的设备,通信接口全部采用光电隔离器件,保证视频电缆传输距离和视频质量,配置视频防雷模块、电源防雷模块和RS-485防雷模块。

(4)系统调试

系统调试包括通道调试和整机调试。应先调试主站至各个子站的E1通道和IP通道,确保所有通道正常后进行整机系统测试,包括每个监控点的遥控、录像及报警联动功能。

4 实施效果分析

220kV薛坡集控站和220kV付庄集控站远程图像监控系统自投运以来,整体情况稳定、图像传输实时、画面清晰、控制快捷可靠,满足设计方案的所有基本功能要求,达到了相应的技术指标。

另外,系统的建成顺利实现了对下属11个110k V变电站的集中控制和管理,运行值班人员通过运用视频监控系统,实现了变电站日常工作监视、报警录像统计、分析,事故图像资料调查等工作,切实提高了变电站的防事故、防误操作、防盗、防火能力,真正意义上实现了主站对子站的“五遥”。薛坡集控站远程图像监控系统图如图2所示。

5 结束语

集控站图像监控系统项目的实施,使220kV变电站达到了“五遥”功能,自动化水平上了一个新的台阶。图像监控系统的远方巡视、远方核查、安防报警和多媒体交互等功能,提高了变电站的防事故、防误操作、防盗、防火能力,使值班人员和相关领导能及时准确地了解无人值班变电站的现场情况,对操作情况进行全过程的监视和核对,对重点区域进行全方位的防盗防火预警,从而降低了无人值班变电站的日常巡视、检修等费用,产生了良好的社会效益和经济效益。运行实践表明远程图像监控系统对变电站的安全运行及防盗、防火等方面起到了非常重要的作用。

参考文献

[1]张飞.视频监控系统在佛山供电局的整合.电力系统通信,2008,(11):50~51

[2]高维忠,李保宪,吴博,韦婷.实时网络视频监控系统在河南电力的应用.电力系统通信,2007,(5):7~9

[3]黄仁晓.无人值守通信站的远程监控.企业科技与发展,2008,(8):88

[4]傅月利.无人值班变电所中图像监控系统.农村电气化,2008,(9):33~34

远程红外图像系统设计 篇8

关键词：电力远程图像监控,无人值班变电站,电网监视

引言

随着无人值班、少人值守变电站管理模式的推广, 变电站巡检制度的建立, 在区域集控中心 (集控站) 通过现有的电力通信网对所属变电站实现远程实时图像监控、远程故障和意外情况告警接收处理, 可提高变电站运行和维护的安全性和可靠性, 并可逐步实现电网的可视化监控, 即需要建立远程图像监控系统, 使电网运行更为安全、可靠。

远程图像监控系统一般是由值班员工作站、系统服务器、相关软件组成。要求视频信号全部接入IP网, IP网任一台计算机, 可通过权限控制的方式实现无级监控。远程图像监控系统最基本的目的是将变电站的各个监视点, 如主控制室的设备运行情况、主变、断路器、隔离刀闸等的外在运行状态实时图像等传输到区域集控中心 (集控站) , 区域集控中心/集控站值班人员可通过实时图像和远动信息对变电站的运行进行综合监控、分析。基于此工程背景, 本文以达到以上目的为设计目标, 主要完成对电力远程图像监控系统功能的分析;基于此分析, 提出了地区电网公司所属的新建及改造的远程电力图像监控中心系统及变电站端图像监控系统应遵循设计原则, 分析过程和结果有助于保证电力远程图像监控系统的设计合理性和使用性, 同时达到系统的开放性、互联性以及标准化的目的。

一、电力远程图像监控系统的功能分析

电力远程图像监控系统功能要求, 需要实现的功能包括实时图像监控、报警功能、控制功能以及图像录像管理功能等。具体分析如下:

1、实时图像监控

与变电站安装在监视区设备进行配合, 对环境进行防火、防盗、防人为事故的监控, 对变电站设备如主变、场地设备、高压设备、电缆层等进行监视。通过通信网络通道, 将被监视的目标动态图像以IP单播、组播方式传到远程图像监控中心, 并能实现一个远程终端同时连接监控多个变电站端视频处理单元 (一对多) 或者多个远程终端同时访问一个变电站端视频处理单元 (多对一) 的监控功能。报警信号、站端状态信息、配置和控制信息以TCP/IP方式与远程图像监控中心实时通信。

运行维护人员通过图像服务器或工作站对变电站设备或现场进行监视, 对变电站摄像机进行 (左右、上下、远景/近景、近焦/远焦) 控制、也可进行画面切换和数字录像机的控制。

2、报警功能

报警功能实现以下层次目标, 首先设定报警类别。一般的类别分别为变电站事故报警、电力设备状态变化及故障报警、消防报警、防盗报警、防火报警、电力设备水浸报警、门禁报警、非法闯入及画面异动报警、图像设备故障报警等。

当发生报警时, 变电站图像服务器硬盘或数字录像机能自动进行存盘录像, 同时传送报警信息和相关图像, 并自动在地理图上提示报警位置及类型;当发生报警时, 能联动相关设备, 如启动现场照明、警笛等, 相关设备启动后, 应在设定的时间内自动关闭, 且现场照明在白天 (时间段可设) 可不打开;能与站内各自动化系统实时连接, 接收报警信息, 联动相应报警目标的图像监视 (变电站事故、设备状态变化及故障、保护动作、遥控操作、消防报警等) ;并指定相应摄像机进行录像, 作为事故追忆和调查的辅助手段。

此外该功能还需要能够实现:图像服务器应能对站内摄像机进行自检和故障报警;画面异动报警的变化率可设置;变电站内发生多点报警, 上传严重报警点的图像, 其它报警点上传信息;对移动目标具有自动跟踪功能, 该功能可随时启动关闭;多点报警时采用按报警时间排序的方式显示存贮, 报警信息不得丢失和误报;报警信息应该和录像数据相结合, 可由报警信息检索回放相应的录像数据。

3、控制功能

控制功能实现主要表现在:

(1) 应具有可控制设备的机械保护措施, 在控制雨刷、云台等设备时 (自动状态) , 系统应具有定时功能, 即设备在运行后, 应在设定的时间内自动停止, 以防止人为的忘记关闭动作, 以保护机械结构;

(2) 操作人员能对任一摄像机进行控制, 实现对摄像机视角、方位、焦距、光圈、景深的调整;对于带预置位云台, 操作人员能直接进行云台的预置和操作;

(3) 具有操作联动功能, 当运行人员对某一电力设备进行操作时, 摄像机应自动调整到该设备处, 并启动录像装置录像。

(4) 保证控制的唯一性, 即有操作人员对某一设备操作时, 其它操作人员不准许控制该设备;

4、图像录像管理

站端的视频处理单元或数字硬盘录像机可对非重要区域的监控点 (即摄像机) 实现事故前 (至少10分钟) 、事故后 (至少10分钟) 循环录像存贮, 对重要区域的监控点可设定长时间 (至少7天) 的自动循环录像存贮, 所有监控点级别可设定。

二、电力远程图像监控系统的设计原则与目标

1、电力远程图像监控系统的设计原则

基于上小节的分析, 可以看出对于电力远程图像监控系统, 其设计应满足以下原则:

(1) 系统必须具有良好的标准性、开放性、集成性、安全性、可扩充性及可维护性, 可根据需要方便地进行网络逐级汇接, 增减各类站级前端设备等。

(2) 系统必须具有性能可靠、技术成熟、功能完善、体系先进的分布式结构, 系统配置灵活、操作方便、布局合理, 满足长时间稳定工作的要求。

(3) 系统所用软件、硬件、人机界面、通信协议和通信接口等应遵循当前最新国际标准、国家标准、工业或行业标准。

(4) 系统所使用的视音频编解码标准必须采用符合大规模拓扑网络的传输需要的、低比特率的、交互式的、先进通用的国际标准。

(5) 应采用符合国际标准的耐压、抗浪涌电压冲击、抗雷击、抗强电磁干扰等其它抗干扰措施。

2、电力远程图像监控系统的应达到的目标

通过上述设计原则, 系统的建设应达到以下目标: (1) 实现对变电站区域内场景情况的远程监视、监听; (2) 监视变电站内其他充油设备、易燃设备的外观状态; (3) 监视变电站内主要室内环境 (主控室、高压室、继电保护小室、蓄电池室、电缆层、通信机房等) 的情况; (4) 监视变电站内变压器、断路器等重要运行设备的外观状态; (5) 监视变电站内电流互感器、电压互感器、电容器组、电抗器、避雷器、母线和支持绝缘子等高压设备的外观状态; (6) 监视变电站内隔离开关的分合状态; (7) 远程图像监控中心可分散或集中建设, 但必须与无人值班、少人值守变电站设备运行和管理的分级一致。 (8) 对变电站站内关键部位进行防火、防盗自动监控, 可进行周界、室内、门禁的报警及安全布控;

结论

本文讨论了电力远程图像监控系统的功能需求和设计原则, 通过分析可见通过一定数量的可相对独立的变电站图像监控系统为基础, 采用逐级汇接的树型网络拓扑结构的多等级的图像监控系统, 适合于无人值班、少人值守变电站设备运行、维护和管理的要求。提出的设计原则为地区电网电力远程图像监控系统的具体功能目标提出了可供参考的技术文件, 可作为地方电力监控设计和实施电力远程图像监控系统的技术依据。

参考文献

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