系统分辨率（共11篇）
系统分辨率 篇1
1图像采集与处理系统硬件设计
1.1数字信号处理芯片DM642
TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP中最新的定点DSP, 其核心是C6416型高性能数字信号处理器, 具有极强的处理性能, 高度的灵活性和可编程性, 其采用第二代高性能、先进的超长指令字veloci T1.2结构的DSP核及增强的并行机制, 当工作在720M赫兹的时钟频率下, 其处理性能最高可达5760MI/s, 同时外围集成了非常完整的音频、视频和网络通信等设备及接口, 特别适用于机器视觉、医学成像、网络视频监控、数字广播以及基于数字视频/图像处理的消费类电子产品等高速DSP应用领域。
1.2硬件总体设计
数据采集处理系统接口电路硬件框图如图1所示, 整个系统在框架结构上可以大体分为3个相对独立的部分:图像采集部分、图像压缩处理部分、USB传输部分。
图像采集部分采用130万象素的CMOS摄象头0V9640作为图像传感器来输出YUV图像数字信号以及视频同步信号。这部分主要的设计任务是在分析该摄像芯片时序特征的基础上设计硬件电路, 保证主芯片获得的图象数字与视频同步信号的匹配。同时, 还需要通过设置该摄像芯片中相关的寄存器, 使得该摄像芯片工作在系统要求的图像采集工作状态;该设置任务由主芯片通过I2C方式来实现。 图像压缩处理部分是整个系统的核心部分, 采用TI的TMS320DM642芯片作为主芯片工作。DSP要做的工作主要有两个部分:其主要工作是将OV9640输出的图像数据进行快速压缩, 然后根据图像传感器芯片提供的视频同步信号对在图像压缩数据中插入帧标记。其次, DSP芯片还要处理一些系统的数据传输控制方面工作, 在获得图像数据过程中使用EDMA将采集到的数据直接存入SDRAM, 并采用乒乓模式设置存储地址, 使CPU能够在接收图像数据同时进行图像压缩;同时, DSP还通过EMIF接口 (CE2) 将数据送出给USB芯片的FIFO并通过I2C总线接收PC传输下来的压缩参数, 对图像压缩算法进行调整。另外, 系统框图的中FLASH芯片用于装载DSP的运行程序, 在系统上电后实现BootLoader。
USB传输部分采用Cpyress公司的EZ-USB-FX2为USB传输控制芯片。该部分主要任务是作为DSP与PC的通信纽带, 将DSP压缩后的图像数据传入PC机;同时USB控制芯片还接收PC下传的控制命令, 然后通过I2C总线控制图像传感器采集的图像质量以及控制DSP芯片的图像压缩的压缩比例等。
1.3系统工作流程图
本图像采集与处理系统工作流程如图2所示, 由以下几个步骤组成:①系统独立电源上电, 对DSP部分电路 (包括FLASH、SDRAM) 上电复。DSP芯片根据相关引脚电平进行BootLoader, 即从FLASH存储芯片中获取DSP的运行程序, 之后根据获取到的程序运行对SDRAM存储芯片、针对与USB通信接口的EMIF (CE2) 进行初始化设置等;②USB接口芯片与图像传感器部分电路通过USB总线从PC机取电复位。对于采用USB接口设计的硬件系统, 操作系统会把它当成计算机外设进行添加。USB设备在连接到PC上时, 操作系统首先会对USB设备进行枚举。枚举成功, 根据EZ-USB芯片的软特性, 可以通过USB接口从主机下载8051程序与数据存储在内部RAM中。在代码描述表从主机下载到EZ-USB的RAM后, 8051脱离复位状态, 开始执行设备程序。此时, EZ-USB再次进行枚举, 即重枚举;③重枚举结束后, EZ-USB根据下载所得程序运行对自身初始化, 设置芯片状态, 端点类型以及FIFO接口参数;同时, EZ-USB芯片还通过I2C总线初始化图像传感器芯片0V9640。至此, 系统初始化过程结束, 系统处于等待状态;④等待PC机应用程序发出系统指令并通过USB总线下发后, 系统UZ-USB部分开始运行。首先判断是否调整OV9640图像参数, 如果是则进行相应调整工作。然后转入等待下一系统指令;⑤判断是否要求DSP接收PC下传指令。当明确要求上传图像指令后, DSP开始循环接收图像传感器图像数据并进行压缩处理, 然后通过USB接口传输给PC主机。每次循环都要判断系统是否停止图像需求。系统调整参数的时候都需要先暂停图像需求;⑥DSP也可能接收到PC要求调整图像压缩参数命令, 则根据相应的命令进行处理。然后转入等待下一系统指令。
2图像采集与处理系统驱动程序设计
USB2.0接口图像采集与处理系统的微型驱动程序的流程部分框图如图3所示, 框图中没有包含USB驱动程序所都包含的即插即用例程DispatchPnp、系统报告历程DispatchWmi、电源管理历程DispatchPower等 (整个驱动可以根据CPRESS提供的驱动例程改编, 故只介绍改动比较大的) 。当PNP检测器检测到插入USB设备的动作后, 就装载根据驱动引导文件 (INF文件) 找到的相应微型驱动程序, 执行DriverEntry ( ) 入口函数, 注册设备运行需要的驱动程序对象。接着PnP管理器为每个设备实例调用AddDevice函数, 在该函数中创建设备对象并做一些相应的初始化设备工作, 如创建设备扩展对象dx来存取指向FDO的指针;当驱动程序接收到应用程序DeviceIoControl函数发出的相应IOCTL命令, 创建相应IRP并对其进行检测。如果要求图像数据则进入获取设备图像数据过程, 创建一个URB作为IRP的一个参数发给USB总线驱动程序接口USBDI (USB Driver Interface) 。获取数据结束则将数据放入指定缓冲区, 启动下一次数据传输。当缓冲区标记表示一帧图像数据传输完毕, 则把数据整理成完整的一帧图像数据。并在ReadData函数中对压缩数据进行解码, 将图像数据处理成BMP的格式, 交给应用程序显示处理。
3结束语
本文从工程应用的角度出发, 阐述了基于嵌入式系统的高分辨率动态图像采集处理系统的实际开发过程。本系统有两个主要特点:①图像数据处理迅速, DM642芯片强大的数据处理能力保证的图像数据压缩的高效性;②传输速率高, USB2.0的高速传输方式保证了动态数据实时传输的要求。且该系统经过实际测试效果良好, 实现了预期设计要求。
参考文献
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[5]张大勇, 王立德.基于EX-USB实现PC机与DSP设备间的高速通信方案[J].现代电子技术, 2004 (1) .
系统分辨率 篇2
1.使用鼠标右键点击桌面空白的地方――>选择“属性”；
2.弹出的“显示属性”中点击右边的“设置”――>在设置窗口中“屏幕分辨率”项目下方有个滑动条；
3.左右拉动滑动条即可调整屏幕分辨率；
屏幕分辨率多少合适：
为了达到理想的显示效果，根据显示器屏幕大小应该选择最为合适的显示分辨率，分辨率设置过小或过大，可能导致桌面图标显示不全或图标缩小看不清楚，严重影响用户体验；小编整理了部分常用显示器最佳屏幕分辨率供大家参考；
台式机显示器最佳分辨率：
14寸显像管(CRT)显示器 800×600
17寸液晶或CRT显示器 1024×768
19寸液晶显示器(普屏) 1280×1024
19寸液晶显示器(宽屏) 1440×900
系统分辨率 篇3
关键词：三维显示 高分辨率 光场再现 波前重建 医学影像 文化
Abstract：To relieve the great requirement of public to three-dimensional display with high resolution in the fields of culture and medical treatment， we analyze and summarize the methods of the construction of three-dimensional display system with high resolution from two aspects. They are separately based on optical field reproduction and wave-front reconstruction. Seven different techniques that are acquired by making great breakthrough are described in detail. The techniques respectively include： 360 degree three-dimensional display device based on optical field reproduction， brain segmentation of Magnetic Resonance images， real-time simulation of ultrasound images based on CT data， automatic vascular centerline extraction of angiograms， non-contact real-time enhanced display of subcutaneous veins， vascular identification based on the detection of parallel structure and clustering， three-dimensional display system design and construction of high resolution dynamic wave-front reconstruction. Finally， the current limitation are reviewed and the future works are looked forward.
Key Words：3D display； High resolution； Optical field reproduction； Wave-front reconstruction； Medical images； Culture
高分辨率多屏平动体积显示系统 篇4
迄今为止, 三维显示的方法主要有:立体显示技术 (Stereoscopic Display) 、全息显示技术 (Holographic Display) 及体积显示技术 (Volumetric Display) [1]。与仅具备心理景深的立体显示不同, 体积显示是一种具有物理景深的真三维显示技术, 它在军事、医学、科教等领域具有广阔的应用前景[2,3,4]。根据成像空间中体素的扫描方式以及有无运动的光学部件, 体积显示可分为静态矢量式、静态位图式、动态矢量式、动态位图式等四种方式[5,6,7]。其中, 随着DLP技术的不断发展, 采用动态位图式体积显示技术实现高分辨率三维图像显示成为最具产业化前景的方式。
动态位图式体积显示根据成像屏运动方式的不同可分为两类:旋转扫描方式和平移扫描方式。旋转扫描方式机械结构简单, 但是该方式存在着体素不均匀和物理显示死区[8]等缺陷;相比之下, 平移扫描方式允许体素均匀分布, 且不存在物理显示死区, 但其要求光学系统具有动态调焦、放大率校正的功能[9]。为了解决以上这些难点, 作者在文献[10]中提出了一种采用多个成像屏圆周平动实现平移扫描方案, 该方案既具有平移扫描体积显示的全部优点, 同时避开了动态调焦和放大率校正的问题, 但尚存在以下两个问题:
1) 系统成像不稳定, 实际振动噪声还比较严重。系统采用步进电机驱动机械装置, 二维切片的投射位置靠步进电机开环控制进行定位, 导致系统成像不稳定。同时, 步进电机本身的噪声很大, 且原有机械结构振动稳定性较差, 导致实际振动噪声还比较严重。
2) 刷新频率和分辨率低。系统通过VGA接口控制DLP投影仪, 导致系统图像刷新频率只有6 Hz, 且只实现了每个三维体积帧4个切片截面的显示效果。
本文对原方案的机械结构进行了重新设计和试制, 在保持像屏驱动机构理论动平衡[10]的基础上, 提高了其实际动平衡精度, 并新增设计了高速图像投射子系统和成像匹配子系统, 较好的解决了以上两个问题。
1 系统成像原理及其构成
1.1 系统成像原理
系统成像原理如图1所示。图中1为固定不动的DLP投影仪, 根据传感器输出的屏幕位置信号向屏幕投射与该位置相对应的二维切片图像, 这些图像依次经过运动反光镜2、固定反光镜3与4的反射, 最终在成像屏5上显示。只要保证固定反光镜3与4的安装角度、成像屏与运动反光镜的运动圆周半径和角速度满足一定关系, 就可以使得投影仪到成像屏之间的光程保持恒定, 从而在成像屏上投射出固定大小、清晰的二维图像, 避免了动态调焦和放大率校正等问题。投射到成像屏5上的二维截面图像随成像屏的位置做同步刷新, 借助视觉暂留效应, 此二维图像序列在成像空间6中被感知为一个具有物理景深的三维图像。
1.2 系统构成
系统构成如图2所示, 用户使用个人电脑在三维CAD软件中设计三维模型, 并通过二维切片生成软件为高分辨率体积显示系统提供图像数据。其中, 高分辨率体积显示系统由以下三个子系统构成:
1) 成像空间构建子系统。它由圆周平动成像屏和伺服电机控制模块组成, 在电机的驱动下, 成像屏在空间中作圆周平动, 其位置反馈给成像匹配子系统, 其上的图像形成高速刷新的成像空间。
2) 高速图像投射子系统。该子系统由DMD控制模块和光学投影模块组成, DMD控制模块按照一定的时序显示二维切片图像, 通过光学投影模块, 这些图像将被投射到成像屏上。
3) 成像匹配子系统。该子系统由绝对式编码器和信号转换模块组成, 根据成像屏的位置, 向DMD控制模块发送图像刷新信号。
1.DLP projector;2.Translational mirrors;3.Fixed mirror A;4.Fixed mirror B;5.Translational screens;6.Image space
由于成像空间构建子系统和高速图像投射子系统是实现高分辨率体积显示的关键, 因此在本文中重点说明。
2 成像空间构建子系统
2.1 光程恒定的证明
为了避免动态调焦和放大率校正, 必须保证投影仪镜头和成像屏之间光程恒定。如图3所示, 系统光路要求固定反光镜、运动反光镜和成像屏满足如下关系:
其中:α1代表运动反光镜法矢与成像屏法矢的夹角, α2代表两个固定反光镜间的夹角;ω1和ω2分别表示运动反光镜和成像屏圆周平动的角速度;r1和r2分别表示运动反光镜和成像屏的圆周半径;δ1和δ2分别表示运动反光镜和成像屏的初始相位角;vp1、vp2和vp3分别表示投影仪一次镜像、二次镜像和三次镜像的速度;v1、v1⊥和v2、v2⊥分别表示运动反光镜和成像屏的线速度及法向速度, p表示图像从投影仪到成像屏的光程。由于α1=2α2, 根据光的反射定律可知, v2⊥与vp3的方向相同。同时, 在任意时刻t有:
即:v2⊥=vp3 (3)
这就保证了DLP投影仪到成像屏的光程p为定值, 从而在成像屏上形成大小不变的清晰图像, 且图像在铅垂方向位置不变。
2.2 成像空间分析
如图4 (a) 所示, 屏幕A从初始位置A0运动到位置A1构成了屏幕A的成像空间, 其运动角为60°, 此时, 屏幕B从B0运动到B1位置, 屏幕C从C0运动到C1位置。下一个阶段, 如图4 (b) 所示, 屏幕A从A1运动到A2位置, 其运动角也为60°, 此时成像空间内没有屏幕, 系统投射黑屏。接着屏幕B从B2位置开始继续平动, 在运动角为60°的范围内构成了屏幕B的成像空间, 三个屏幕如此循环交替地构成三个重叠的成像空间, 成像屏每转一周, 成像空间就被刷新三次。
在原理样机中, r2为225 mm, 二维切片图像数量为512帧, 因此, 体素平均纵深为0.44 mm。由于屏幕位置采用旋转编码器进行检测, 为了减少编码器的位数, 采用了等角度 (而不是等纵深) 检测, 从而导致体素的纵深发生波动。如图4所示, 第i个切片的相位角为
其中λ=60°/512代表每一帧图像对应的屏幕转角, i=1～512。
第i个切片的体素纵深为
由式 (5) 可计算得体素纵深最大值为0.46 mm, 最小值为0.40 mm, 体素纵深与设计值最大相对误差约为9%。
2.3 相位误差分析
只有满足式 (1) 时, 系统的光程才能保持恒定, 其中δ1=δ2只能由装配保证, 若相位误差导致的光程波动太大, 装配精度将很难满足要求, 因此有必要对其进行误差分析。如图5所示, 令成像屏相位角超前δ, 图中虚线表示相位超前的成像屏的实际位置, 则:
其中:p表示理论光程, 原理样机中为1.3 m;Δpi表示第i个切片实际光程和理论光程差, pi表示第i个切片的实际光程, i=1～512;pMAX表示最大光程, pMIN表示最小光程, pA表示光程波动的幅值。假设装配造成的相位误差为2°, 由式 (4) 、 (6) 和 (7) 可得:
实际装配中, 相位误差保证在2°以内完全可以实现, 因此, 相对于系统的理论光程, 光程波动幅值对系统成像的影响可以忽略。
3 高速图像投射子系统
高速图像投射子系统由DMD控制模块和光学成像模块组成, 其中光学成像模块由DLP投影仪改装实现, 在此不展开论述。DMD控制模块结构如图6所示, 该模块主要由非对称异步FIFO、内存控制器、同步FIFO、串并转换接口及有限状态机等模块组成, 这些模块都通过FPGA硬件编程实现。DMD控制模块有多个工作状态, 各个状态的转移由有限状态机进行控制, 其中两个主要工作状态为数据存储状态和显示状态。当处于数据存储状态时, 其数据通道如下:位宽为16 bit的图像数据通过异步FIFO输出位宽为128 bit的数据, 然后通过内存控制器将数据写入DDR2内存, 直至512帧二维图像全部存储完毕后进入显示状态;当处于显示状态时, DDR2中的图像数据通过同步FIFO以及并串转换模块传输给DMD, 数据位宽为128 bit。原理样机中, 体积帧刷新频率为12 Hz, 单帧截面的数据量为1 024×768 bit, 系统所需带宽最少为1 024×12×1 024×768=9 Gbps, 而FPGA内部时钟为150 MHz, 实际带宽为150 M×128=18.75Gbps, 满足了系统带宽要求。
4 原理样机制作及实验结果分析
原理样机如图7所示, 样机中的机械结构进行了重新设计, 将同步带传动改为齿轮传动, 提高了振动稳定性;样机采用噪声很小的伺服电机闭环驱动 (速度控制模式) , 成像屏位置的检测采用13位格雷码制的绝对式编码器;为了缩短研制周期, DMD控制模块采用TI公司的Discovery 4100开发套件对FPGA进行逻辑编程。原理样机特性如表1所示, 作为对照, 表中同时列出了美国Actuality公司的PerspectaTM 3D System的相应特性[4]。
简单的几何体棱角分明, 容易表现系统显示效果, 因此构建了四面体、哑铃、球体及圆锥体等简单的几何体, 进行三维体积显示实验, 其显示效果图如图8所示。
原理样机的实验结果表明:在振动噪声方面, 系统以12 Hz的体积帧扫描频率进行工作时, 基本没有振动, 噪声也较前一台显著减小;在图像显示效果方面, 样机每个三维体积帧包含512个二维图像切片、超过4亿的体素, 实现了高分辨率的体积显示。系统显示的三维图像在空间中位置比较稳定, 亮度均匀, 在1/4空间中各个方向均具有连续的视场, 显示效果达到了预期目标。
5 总结与展望
本文对多屏平动扫描体积显示方案的机械结构进行重新设计, 进一步解决了机械振动和噪声问题;新增设计了高速图像投射子系统和成像匹配子系统, 直接对DMD进行控制, 使得每个三维体积帧包含512个二维图像切片, 体素超过4亿, 体积帧刷新频率达到了12 Hz, 实现了高分辨率的体积显示。
基于原理样机取得的进展和试制中存在的问题, 下一步将要进行的工作如下:
1) 由于运动反光镜驱动机构采用齿轮机构, 运动精度不高, 导致相位角δi有轻微的波动, 从而引起了三维图像的上下波动, 如图8 (d) 所示, 因此需要改进运动反光镜驱动机构, 提高运动精度;
2) 改进DMD散热系统, 保证DMD芯片处于工作温度内;
3) 针对单片DMD只能显示一种色彩一级灰度图像的问题, 建议采用多片DMD搭建投射系统, 实现多位色深的显示。
摘要：描述了一种基于多屏平动扫描的高分辨率体积显示系统及其原理样机。通过DMD向多个圆周平动的成像屏投射二维图像序列, 借助人眼视觉暂留效应, 此动态刷新的二维图像序列被感知为一个具有物理景深的三维图像。其光学投影模块保证了投影仪与成像屏之间的光程不变, 从而构建了清晰稳定的成像空间;采用FPGA设计高速数据通道, 带宽达到了18.75 Gbps, 使得每个三维体积帧包含512个二维图像切片, 总体素超过4亿, 刷新频率达到12 Hz。成功研制了原理样机, 达到了预期的三维显示效果。
关键词：体积显示,体素,高分辨率,DMD,FPGA
参考文献
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高分辨率卫星遥感影像 篇5
关键词：高分辨率；土地利用；3S技术；卫星遥感影像；图斑
当前中国经济飞速发展，新农村建设正在积极稳妥的推进，各个乡村城镇的建设也是蒸蒸日上，而对于城镇和乡村来说，土地的意义不言而喻。土地的利用状况也是在每天发生着翻天覆地的变化，与之相关的是违法用地的现象屡次发生，非法占用耕地的想象发生频繁尤其特别的是基本农田，集镇和城市的规划存在着利用不合理、盲目扩张和批后管理严重滞后的现象。为了解决日益突出的国土资源问题，我国的国土资源局必须及时进行土地利用现状更新调查和地籍调查，土地开发整理项目和基本农田保护执行情况进行检测，违法用地现象要及时严厉的查处，土地总体利用情况规划执行等，这么多的工作都需要准确快速的获取土地利用及其相关的变化情况。传统的方法需要的时间长、效率低下、新增加的的道路具体的工作条件没有相关资料参考，传统方法已经满足不了当前的现状。为了这一难题的有效解决，切实提高国土资源相关部门的工作效率，保障实现日常管理的现势性、动态性和准确性，降低各种图件制作和数据库建设的成本支出，必须采用卫星遥感技术进行土地利用调查和动态监测。
1卫星遥感数据的技术优势
遥感卫星数据是遥感卫星在太空探测地球地表物體对电磁波的反射，及其发射的电磁波，从而提取该物体信息，完成远距离识别物体，将这些电磁波转换，识别得到可视图像，既为卫星影像，通俗简单解释：就是卫星在空中给地面拍的照片，地面长什么样，它就能拍出什么样。该技术不受时间和气候的限制，并且数据更加的全面而且准确。现势性很强较能及时的提供土地资源的图形数据，能够全面实现该区域的覆盖。卫星的精度高，分辨率为0.61m，可以满足1：2000、1：5000及以上比例尺图件成图，符合当前土地调查的精度要求，能与航空相片媲美却远低于航拍片的成本。数据易于修改、携带、复制保存，易于跟GIS数据接口实现共享。
2技术方法的实现过程
2.1总体思路。第一、购买卫星遥感影像数据，这些数据已经是经过处理：色彩调整、影像纠正、选取大地控制点、镶嵌等。第二、需要更新的的土地现状图与遥感影像进行迭加对比来观察变化的数据。第三、通过GPS实测确定变化面积属性等，通过室内处理得到更新后的土地利用信息库和利用现状图，根据这些变化来规划出更加合理的测量计划和野外调查。
2.2外业调查与量测。需要搜集更多的补充资料，设立解释的标语，对于变化的图斑进行调查检验：利用GPS先设置好控制点，实测控制点的坐标，收集一些相关数据，实际调查具体变化位置、土地状况等将其填写在记录表，并绘制外业调绘图。
2.3土地利用更新调查表的制作。制作土地调查表需要用到的一个关键平台是MAPGIS平台，把前期收集的各种数据全部上传至电脑，在其平台下利用数字成图系统。对于有改变的图斑来说进行大量的勾画，使之建立完整的拓扑关系，最后生成土地利用的调查地图，根据之前建立的解释标志，参照相关数据库最终绘制成跟新调查图。
2.4对土地利用状况的动态监测。土地利用动态监测是指运用遥感土地调查等技术手段和计算机、检测仪等科学设备，以土地详查的数据和图件作为本地资料，对土地利用的动态变化进行全面系统的反映和分析的科学方法。监测内容主要包括土地利用变化的动态信息、耕地总量的动态平衡情况、农业用地内部结构调整情况和基本农田保护区状况。在监测报告中，一般要对监测内容进行分析，分析的主要内容有地类变更分析、权属变更分析、耕地变化动态分析和土地利用结构变化分析。有了现状图可以进行分析变化特征和未来发展趋势，为日常监测和土地执法提供科学依据。
3卫星遥感技术在土地监测中应用
在土地利用调查和动态监测中，卫星遥感技术最大程度上实现了3S技术的集成：鉴于GPS所具有的巨大技术优势，卫星遥感图像采用了GPS技术采集控制点数据进行了前期影像纠正，在外业量测和调绘中也用到GPS测量，业内属性数据处理和图形编辑以MAPGIS土地利用现状变更调查，技术利用已有的详查形成的基础图件，进行实际调查，对变化的地块逐一绘测量。现有常用的两种方法，第一利用经纬仪和皮尺等测量工具进行实地测量，绘制图斑。第二利用航测相片图经外业调绘获取。这种方式精度低而且速度慢，如果测量的范围大成本也是费用高周期长。卫星遥感影像数据实时性强，覆盖面广，已成为获取和更新国家基本比例尺地形图和国家基础信息系统不同种类，不同尺度数据库所需要信息的重要途径。利用卫星遥感影像能够快速的更新土地利用，已经成为最为常用最为重要的调查方法。在其已有的土地上进行提取更新调查测量等一系列的后续活动，最终跟新土地利用的数据库。工作流程主要包括外地实地调查，变化数据后处理、土地利用变化信息的提取和更新土地利用数据库的步骤。
4遥感影像纠正与精度分析
遥感影像的几何纠正是遥感影像处理的基础，如何根据获取的遥感影像参数情况，采取最简单、快速、可靠的方法，在很短的时间内完成了上级下达的任务，是目前测绘生产者一直追求的目标。随着航天技术发展，在较少控制点的情况下，提高遥感影像纠正的速度和精度是当前亟需解决的问题。遥感影像的纠正采用多项式和共线方程进行纠正。而平常所用的共线方程纠正是建立在图像坐标与地面坐标严格数学变换关系基础上的，较大幅度的提高了其纠正的精度。
结语：当前遥感技术正日益成熟，高光谱遥感、雷达影像以及高分辨率影像将会更加广泛的应用于全国各地的土地调查。土地利用管理信息系统和土地利用动态监测体系将日臻完善。
系统分辨率 篇6
X射线实时成像检测技术作为一种新兴的无损检测技术, 已进入工业产品检测的实际应用领域。与其他检测技术一样, X射线实时成像检测技术需要一套设备 (硬件与软件) 作为支撑, 构成一个完整的检测系统, 简称X射线实时成像系统。X射线实时成像系统使用X射线机或加速器等作为射线源, X射线透过后被检测物体后衰减, 由射线接收/转换装置接收并转换成模拟信号或数字信号, 利用半导体传感技术、计算机图像处理技术和信息处理技术, 将检测图像直接显示在显示器屏幕上, 应用计算机程序进行评定, 然后将图像数据保存到储存介质上。X射线实时成像系统可用金属焊缝、金属或非金属器件的无损检测。
2 X射线实时成像系统的基本配置及影响因素
X射线实时成像系统主要由X射线机、X射线接收转换装置、数字图像处理单元、图像显示单元、图像储存单元及检测工装等组成。
2.1 X射线机
根据被检测工件的材质和厚度范围选择X射线机的能量范围, 并应留有一定的的能量储备。对于要求连续检测的作业方式, 宜选择直流恒压强制冷却X射线机。X射线管的焦点尺寸对检测图像质量有较大的影响, 小焦点能够提高系统分辨率, 因此, 应尽可能选用小焦点X射线管。
2.2 X射线接收转换装置
X射线接收转换装置的作用是将不可见的X光转换为可见光, 它可以是图像增强器或成像面板或者线性扫描器等射线敏感器件。X射线接收转换装置的分辨率应不小于3.0LP/mm。
2.3 图像处理单元
图像处理单元应具有图像数据采集和处理功能。图像数据采集方式可以是图像采集卡或其它数字图像合成装置。图像采集分辨率应不低于768×576像素, 且保证水平方向分辨率与垂直方向分辨率之比为4∶3;动态范围即灰度等级应不小于256级。
2.4 图像处理软件
图像处理软件应具有降噪、亮度对比度增强、边缘增强等基本功能。图像处理软件应能适应相应检测产品所规定的技术标准, 具有图像几何尺寸标定和测量以及缺陷定位功能;在检测图像中标定的缺陷位置与实际位置误差应≤2mm, 单个缺陷的测量精度为±0.5mm。
图像处理软件基本上需要两种, 一种是控制软件, 其功能是通过数据总线发送命令来控制成像系统, 这些命令包括工件动作指令、成像装置的校准、从采集卡得到图像、图像平面尺寸校定、图像实时采集、图像的同步处理和图像储存等。另一种是成像软件, 其功能是在计算机上显示图像, 按所检测工件的质量标准进行缺陷等级评定, 同时生成工件检测数据库文件, 输出评定报告, 再将检测图像和数据库文件同时保存到光盘等储存介质中去。
2.5 图像显示单元
图像显示采取黑白方式显示图像, 显示器点距不大于0.26mm, 显示器应为逐行扫描, 刷新频率不小于85Hz, 图像评定可选用17'19'显示器, 使观察者的视野感到更舒适。
2.6 图像储存单元
检测图像可储存在数字光盘等介质中, 储存的数字图像和有效信息不可修改和删除, 保留的数字图像还应包含有原始的采集数据。对于要求保存3'30年的重要检测技术资料, 应选择CD-R一次性光盘, (CD-R光盘的保存期可达50年) , 不能选择CD-RW可擦写光盘。
2.7 计算机的基本配置
对于独立的X射线实时成像系统至少应配置两台计算机, 一台用于图像采集和图像处理, 另一台用于图像的评定和打印报告等, 两台计算机用缆线连接。计算机硬件的基本配置要求奔腾Ⅲ600以上, 256M内存, 20G硬盘, 并配软驱、光驱、打印机和刻录机;软件环境要求在windows2000操作系统下运行。
2.8 检测工装或流水线
为实现工件的连续检测, 应有必要的检测工装设备或流水线, 且应具有较高的机械精度。
2.9 X射线实时成像检测系统的选择
实用的X射线实时成像检测系统实际上是以上X射线实时成像系统的基本配置及多个影响因素有选择性的组合, 不同的组合会有不同的造价和使用功能;使用单位可根据以上X射线实时成像系统的基本配置及影响因素, 再结合本单位的产品特点和产品的技术质量检验标准以及自身的经济条件来选择适合本单位使用的X射线实时成像系统。
3 X射线实时成像系统的分辨率
3.1 系统分辨率
可以用多项技术性能指标来评价X射线实时成像系统的质量特性, 例如系统分辨率、灵敏度、最高承受电压、系统的稳定性、系统的连续工作时间、图像的采集和图像处理速度、检测效率、图像一次性检测范围 (长度×宽度) 、图像的动态范围、系统抗干扰性、系统的工作寿命、系统的价格性能比等多项指标, 其中系统分辨率是重要的指标, 系统中的每一个子系统发生变化, 都会引起系统分辨率综合性能的变化, 所以, 抓住了系统分辨率这个综合指标, 就等于抓住了X射线实时成像系统的关键。
3.2 实时成像系统分辨率的测试方法
将分辨率测试卡紧贴在X射线接收转换装置 (例如图像增强) 器输入屏表面中心区域, 线对栅条与水平位置垂直 (或平行) , 按如下工艺条件进行透照, 并在显示屏上成像: (1) X射线管焦点至图像增强器输入屏表面的距离不小于700mm; (2) 管电压不大于40kv; (3) 管电流不大于2m A; (4) 图像对比度适中。在显示屏上观察测试卡的影像, 观察到栅条刚好分离的一组线对, 则该组线对所对应的分辨率即为系统分辨率, 系统分辨率的单位是“线对/毫米” (LP/mm) 。
系统分辨率也可以用系统清晰度 (单位是mm) 来表述, 它们之间的换算关系是“互为倒数的二分之一”。
3.3 系统分辨率的作用
系统的设备配置确定之后, 系统分辨率便是一个确定的参数。在实时成像检测工艺中, 通常是以系统分辨率作为已知参数来确定其他检测参数。
3.4 系统分辨率指标
根据X射线实时成像检测系统不同的配置, X射线实时成像检测系统可分为A、AB、B三个级别来管理, A级的系统分辨率指标可定为≥1.4LP/mm, 用于普通产品的X射线实时成像检测, 例如汽车铝合金轮毂、炼铁高炉炉衬耐火砖以及食品罐头的检验;AB级的系统分辨率指标可定为≥2.0LP/mm, 用于较重要和产品的检测, 例如锅炉压力容器压力管道对接焊缝的检测, 汽车零部件、电子元器件的检测;B级的系统分辨率定为≥3.0LP/mm, 用于重要产品的检测, 例如核工业产品、航空航天器材的检测。
4 X射线实时成像技术展望
系统分辨率 篇7
在探测石油薄储层及油气开发精细地质描述中,地震勘探技术受到越来越广泛地重视和普遍应用,同时精细地石油勘探与开发对地震勘探的精度提出了更高的要求。地震反射波的频率直接决定了地震垂向分辨率,如果要用人工地震方法分辨5 m以下厚度的地层,就要求地震勘探仪器应能记录500 Hz以上的高频反射信号。石油和天然气均埋藏在千米以下的地层中,来自这一深度的地震反射波能量很弱[1],高频反射信息能量更弱。40 Hz的低频信号和320 Hz的高频信号从6 000 m深的界面反射到地面的衰减相差在130 dB以上,现代地震勘探仪器还没有达到这么大的系统动态范围[2]。即使达到了(目前地震勘探所使用的24位遥测地震仪系统动态范围在110 d B～120 dB之间),但由于球面扩散和地层吸收衰减效应,使得来自地下深层的地震反射波的振幅变得很微弱,导致24位模数转换器(A/D)在记录时A/D高端出现若干空位,所以实际记录到的信号动态范围也很小,大约为60～80 dB[1,2]。至于地震反射中的高频成分,地层的吸收衰减使其更加微弱,导致中深层反射300 Hz以上的高频信号就可被地震仪内部噪声所淹没[3]。
著名地球物理学家李庆忠院士指出[4,5]“今后的前置放大器的高频提升线路应该是时变的,并且提升曲线最好接近为dB/Hz型。浅层提得少些(约0.1 d B/Hz),深层提得很多才行(0.3 dB/Hz～0.5dB/Hz),这才是理想的地震仪”。美国I/O公司推出的SYSTEM—ONE(TWO)仪器中设置了用来对高频进行提升的频谱整形滤波器(SSF),但它的高频提升功能十分有限,应用效果不明显[6,7]。我国在上个世纪九十年代使用了具有高截止频率的低切滤波器[8]和高频检波器进行高分辨率地震勘探,但它们均是通过压制低频信号来相对提升高频的,对深层勘探十分不利[9];同时不利于仪器的宽频带接收,这些都会导致地震记录的附加相位增多,反而会使分辨率降低。进行高分辨率地震勘探攻关首先要从仪器改进做起,应尽早在仪器改进方面取得实质性成效[10]。
本文提出在高分辨率地震采集系统中设置智能程控型前置放大器和频谱均衡滤波器,用它们分别对球面扩散和地层吸收衰减进行补偿。这无疑可进一步丰富高分辨率地震数据采集理论,对开发研制真正具有中国自主知识产权的新一代地震仪具有重要意义。
1地震反射波理论计算
建立大庆长垣北地区等时间厚度(0.5 s)的水平层状吸收介质模型—视等厚层状吸收介质模型,其地层吸收衰减特性为[11]:
式(1)中:Dn(f)是第1层至第n层的累积吸收衰减量,Vi是第i层的层速度(以km/s为单位)。
选择主频fb=200 Hz的Ricker子波为初始地震子波,其振幅谱为R(f),相位谱为φ(f)。经地层传播以后地震反射波的振幅谱函数表达式为[12,13]:
n式(2)中:Hn是第n个反射界面的埋藏深度。地震反射波的振幅谱如图1所示。用Rn(f)和φ(f)做反傅里叶变换便可获得来自各个层位上的地震反射波。对反射波振幅作归一化处理,计算地震反射波的相对振幅;以仪器的系统动态范围为114 dB为例(法国SN388遥测地震仪),计算反射信号频带的有效宽度。由浅层到深层,考察地震反射波的相对振幅衰减、主频率及频带宽度的变化。统计结果见表1(表1中用频带高端频率代替频带宽度)。
从表1和图1可以看出,随深度的增加振幅迅速衰减,主频率迅速降低,频带迅速变窄,这主要是由于地层对地震波的高频成分具有很强的吸收衰减作用,所以经地层传输后信号振幅谱的频率高端部分被吸收衰减。根据表1中的层速度和主频率即可计算地震垂向分辨率,即四分之一波长(瑞雷准则)。随深度的增加分辨率迅速降低,时间从0.5 s～3.0 s,分辨率从6.6 m～41.9 m。
2高分辨率地震数据采集仪器系统理论设计
2.1高分辨率地震数据采集仪器系统组成
高分辨率地震数据采集仪器系统组成如图2所示。在此设置智能程控型前置放大器,用来补偿由于球面扩散所造成的振幅衰减,其补偿增益随深度的增加而增大;设置频谱均衡滤波器,按地层吸收衰减规律对高频进行提升,以补偿由于地层吸收所造成的振幅衰减。同时,在频谱均衡滤波器之前加一个低通滤波器,将信噪比小于1的高频段内的噪声除去。
2.2智能程控型前置放大器理论设计
智能程控型前置放大器按球面扩散所造成的地震波振幅衰减的大小选择增益。当t0时间为0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s、2.5 s、3.0 s时,球面扩散所造成的振幅衰减分别为60.62 dB、67.33 dB、71.91 dB、75.48 dB、78.71 dB、81.37 dB。考虑到前置放大器的增益必须是2的整数次幂,所以智能程控型前置放大器的增益分别为60 dB(210)、66 dB(211)、72 dB(212)、72 dB(212)、78 dB(213)、78 dB(213)。
智能程控型前置放大器设计框图如图3所示,其中A1、A2、A3是放大级,它们的放大倍数分别为25、24和24;D1、D2和D3是由电阻衰减网络组成的衰减器,它们各有三个衰减档,D1的衰减系数为20、25和23,对应的控制指令为D10、D15和D13;D2的衰减系数为20、24和22,对应的控制指令为D20、D24和D22;D3衰减系数为20、24和21,对应的控制指令为D30、D
2.3频谱均衡滤波器理论设计
为补偿地层的吸收衰减,在仪器的前置放大电路中设置频率特性与地层吸收衰减特性相反的滤波器——频谱均衡滤波器,它的传递函数为:
令
由于式(4)是一无穷级数,用电路实现时只能取有限项。在满足一定精度要求的前提下,取式(4)中的前7项,同时考虑到相位谱应尽量是一简单函数或零相位谱,取式(4)中的偶数项,即频谱均衡滤波器传递函数的近似表达为:
能够实现式(5)的频谱均衡滤波器设计框图如图4所示,其输出表示为:
对式(6)取傅里叶变换,并求其传递函数H(jω)为:
它的相位谱为零,振幅谱H(f)与式(7)相同。将式(7)与式(5)对比,可以确定微分器的微分常数分别为:
频谱均衡滤波器和智能程控型前置放大器接受相同的时序控制,即每间隔05 s改变一次放大器增益和微分器的时间常数。开关控制组合逻辑编码电路以节拍P0.5～P2.5为输入,输出为用来控制频谱均衡滤波器微分时间常数的指令S0.5、S1.0、S1.5、S2.0、S2.5和S3.0,S0.5～S3.0与P0.5～P2.5之间的逻辑关系为:
经智能程控型前置放大和频谱均衡滤波以后,地震反射波的振幅谱如图5所示,特性参数统计在表1中。
3结论
由于地层吸收衰减和球面扩散,使地震勘探分辨率降低、仪器记录信号的有效动态范围减小。在地震数据采集仪器系统中设置智能程控型前置放大器和频谱均衡滤波器,用它们对球面扩散和地层吸收衰减进行补偿,可使地震反射波的特性参数(主振幅、主频率、频带宽度)得到明显改善,地震垂向分辨率显著提高。时间从0.5 s～3.0 s,主振幅增强了80.75 dB～108.66 dB,主频率提高了104 Hz～74 Hz,频带被拓宽了407 Hz～425 Hz,分辨率提高到2.9 m～13.9 m(分辨率提高了56%～67%),仪器记录信号的有效动态范围可扩大到99.61 dB～85.27 dB。
摘要：受地层吸收效应及球面扩散的影响,地震波在传播过程中振幅、主频、频带宽度逐渐降低,无法满足高分辨率地震勘探的要求。提出在地震数据采集系统中增加智能程控型前置放大器和频谱均衡滤波器,利用它们对球面扩散和地层吸收衰减进行补偿,改善地震反射波的特征参数。建立理论模型,验证改进方案的有效性。结果表明,改进后仪器接收到的地震反射波主振幅、主频率、频带宽度、垂向分辨率及仪器记录信号的有效动态范围均不同程度地提高。
系统分辨率 篇8
1 系统组成及工作原理
本系统是航空数码相机压缩存储系统的子系统,大系统主要由图像预处理模块、压缩模块和存储模块构成,本文主要针对压缩模块进行了设计。由于系统CCD输入图像分辨率较高,一幅完整图像数据的大小为4 008×5 344×12 bit,约33 MB,这样庞大的数据量对压缩系统的缓存和处理速度提出了很高的要求。根据系统任务要求,压缩系统属于机载系统,对CCD输入的图像完成2种功能。一种是每隔3幅图像抽取一幅进行有损压缩并通过载机传送回地面实时显示;另一种是对图像进行无损压缩并直接存入电子盘中。综合以上考虑,本系统选用Freescale公司Power PC处理器MPC8245作为主控CPU,Analog Devices公司图形图像编解码芯片ADV202作为压缩芯片,Xilinx公司XC2V1000-6FG456作为各接口的逻辑控制,选用2片SDRAM进行乒乓方式交叉缓存。
如图1所示,本系统工作信号流程如下:图像数据经过CCD接口,由FPGA采集,暂时缓存在SDRAM中,然后由FPGA逻辑输入到ADV202的视频接口,经过ADV202压缩后,由PowerPC经过PCI总线读取,形成文件,存入电子盘。
在图1中,做为缓存的SDRAM有2片,每个缓存一幅图像,交叉缓存。ADV202也有2片,分别进行有损压缩和无损压缩。图中粗边框的功能模块由FPGA逻辑完成。
2 系统硬件设计
本系统基于FPGA+PowerPC架构设计,PowerPC是本系统的核心,FPGA完成图像数据流程中各个环节控制,ADV202完成图像压缩功能。系统具体电路由CPU控制电路、电压转换电路、存储器电路、中断控制电路、控制逻辑电路、时钟电路、复位电路、JTAG调试接口以及看门狗电路等组成,如图2所示。
2.1 主控CPU单元
本系统主控采用PowerPC处理器。PowerPC体系结构规范发布于1993年,芯片由IBM、Apple和Motorola公司开发成功,并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC体系结构是RISC体系结构的一个示例,它采用了超标量架构,从内存检索数据、在寄存器中进行操作,然后将其存储回内存,几乎没有指令(除了装入和存储)是直接操作内存的,可伸缩性好、方便灵活,非常适合用于机载系统。
本设计采用Freescale公司的MPC8245处理器。MPC8245是主频333 MHz的速度增强型集成主处理器。该处理器设计基于PowerPC架构,全功能的嵌入式PowerPC603e内核将高性能32 bit处理器与浮点、存储器管理、分支预测单元、16 KB数据及16 KB指令缓存集成在一起,其他片上特性还包括高性能存储控制器、中断控制器、DMA控制器、I2C接口及16550兼容DUART,同时还为PCI及存储器配备了内置时钟发生逻辑,因而无需使用外部时钟发生器,降低了系统的组成开销、简化了电路板的设计、降低了功耗并加快了开发调试时间。
2.2 时钟电路
系统主控CPU模块上时钟有14.745 6 MHz和33 MHz。33 MHz时钟输入到MPC8245上,MPC8245产生5路33 MHz同步时钟供PCI设备使用,同时MPC8245内部实现时钟锁相环电路,经MPC8245中的DLL产生4路同步时钟时钟供SDRAM使用,14.745 6 MHz时钟提供给串行接口芯片使用。
2.3 ADV202压缩单元
本系统压缩功能主要由ADV202完成。ADV202对外有2种总线接口:与处理器(Host)进行交换数据的HDATA总线以及和视频设备交换数据的VDATA总线。在本应用中数据只经过VDATA输入进行压缩,然后被主机读走,为了简化逻辑,可以把VDATA设计成单向传输。图3为ADV202的电路设计。
ADV202是一个基于小波转换(Wavelet-based)的图像数据压缩/解压的集成芯片,符合JPEG2000(J2K)—ISO/IEC15444-1的压缩标准,其内部主要由像素接口、小波变换引擎、熵编解码器、嵌入式处理器、存储器系统和内部DMA引擎等组成,如图4所示。
本系统输入分辨率为4 008×5 344的静止图像,ADV202可以工作在2种模式[1]:一种是通过VDATA总线输入的Raw Pixel模式,一种是通过HDATA总线输入的HIPI模式。本系统选用通过VDATA总线输入的Raw Pixel模式。同时,对一幅图像数据的输入,ADV202也不是完全无限制的,它能处理的最大图片为1 MB,由于本系统输入的图像远远大于1 MB,因此必须对图像进行分块处理[3]。本系统采取的策略是将一幅分辨率为4 008×5 344的图像分成了44块分辨率为512×1 024的块图像,大小不足512×1 024的块图像通过补0进行扩展,此分块和补0操作通过软件对ADV202进行初始化时完成。在这种策略模式下,ADV202的编码压缩过程如下:待压缩图像经VDATA接口送入小波引擎,每个图块在小波引擎中进行最高达6级的5/3小波变换得到若干子带,然后通过内部存储器把得到的小波系数交给编码器编码,最终得到ADV202的JPEG2000压缩码流。压缩后的JPEG2000码流存入码FIFO中通过普通读写方式或DMA方式经主机接口输出,码FIFO起到一个内部高速总线和外部主机接口之间的缓冲作用。在整个过程中,内部总线及DMA引擎提供了存储器之间的高带宽传输及各功能模块和存储器之间的高性能传输[2]。
3 系统FPGA逻辑功能实现
系统FPGA的主要功能是完成图像数据流程中各个环节控制,同时为PowerPC和外界通信扩展异步、同步串口,提供存储器访问的基本周期控制等。
3.1 SDRAM控制器设计
SDRAM控制器的主要功能是对外接收处理CCD接口的写入数据,完成ADV202接口的读取请求;对内产生SDRAM控制时序,刷新、充电,正确完成外部读写请求。图5是SDRAM控制器的设计。
SDRAM是一个分时复用地址线,将片选、行选、列选、写使能等控制信号按一定组合形成命令的动态存储器。所有信号都在SDRAM同步时钟上升沿采集锁存。SysCLK是系统时钟为33 MHz、CLK_SD是SDRAM时钟为133 MHz、CS表示SDRAM的片选,完成乒乓交叉缓存,RAS表示行地址选通,当RAS为低时,在时钟上升沿锁存行地址、CAS表示列地址选通,当CAS为低时,在时钟上升沿锁存列地址、WE表示写使能和行充电,在CAS、WE有效时开始锁存数据、SA[24:0]表示SDRAM线性地址、SD[15:0]表示所读取SDRAM数据。
3.2 ADV202接口控制器设计
FPGA和ADV202的接口同时包括了HDATA和VDATA。HDATA的最终控制权属于PowerPC,它通过PCI总线访问ADV202的HDATA,下载ADV202工作固件(Firmware),进行图像压缩模式的初始化。在PowerPC访问ADV202时,FPGA必须提供PCI接口和HDATA接口转换。在VDATA接口一边,FPGA一方面要从SDRAM中读出图像数据,另一方面将它写入VDATA总线。图6、图7分别是ADV202主机Host接口和视频接口设计。
采用VHDL语言编写FPGA程序[4],图8为FPGA将待压缩数据写入ADV202的时序仿真。mclk是系统时钟,reset_n为系统复位信号(低电平有效),CPU向FPGA发出的写指令为dreq0_n,读指令为dreq1_n(读写指令均为低电平有效)。dack1_n和dack0_n分别是FPGA发送给ADV202进行读、写控制的信号(低电平有效),压缩过程中每次顺序送入ADV202芯片16组待压缩数据,压缩结果先暂存在ADV202芯片内部16个直接寄存器里,等寄存器用完再由CPU发出读信号,将压缩过的数据依次读出,然后再进行下一轮压缩。Coun用于记录使用中的寄存器个数。DMA_wr用于标记压缩进度。
4 系统主要软件设计
系统开始工作前,要确保加载了正确的固件,在FPGA主控程序中通过4个步骤来实现。(1)向外部中断使能寄存器中写人0X0400来屏蔽软件中断0位;(2)等待到中断引脚IRQ被拉低;(3)检查外部中断标记寄存器的EIRQFLG位是否被设置;(4)从软件标记寄存器中读应用标识,如果读到的是0XFF82,则说明固件加载正确,系统可以开始工作。
ADV202的工作模式是在初始化固件中通过写寄存器的状态字设定的。根据系统功能要求,系统用一片ADV202进行无损压缩,WKERNEL/QUANT参数设为1,另外一片ADV202进行有损压缩,WKERNEL/QUANT参数设为2。具体的初始化流程和寄存器状态字设定如图9。
经系统软硬件调试,系统的有损压缩速率达到了20 Mb/s,压缩后的图像数据经过RS-422接口发送到载机飞机数据总线上,经数据链传送到地面中心站,可以实时获取战场信息和目标变化数字影像信息;无损压缩的数据实时存储在IDE硬盘中,待回到地面后进行处理。基于FPGA+PowerPC的嵌入式高分辨率实时压缩系统,可工作于各种复杂的环境条件下,非常适合机载环境,在其他图像侦察和监控领域也有广泛应用。
参考文献
[1]ADV202-JPEG2000 Video Codec(Rev.B)[EB].Analog Devices.Inc,2006(1).
[2]ADV202 JPF02000 Video Processor User′s Guide(Revi-sion3.4)[EB].Analog Devices.Inc.04,2006(10).
[3]Getting Started with the ADV202(Rev2.5)[EB].Analog Devices,Inc.2006(9).
[4]孟庆海,张洲.VHDL基础及经典实例开发[M].西安:西安交通大学出版社,2008.
系统分辨率 篇9
基于上述需求,开发了一套基于双FPGA+ARM架构的独立式多分辨率VGA/GVI压缩和存储系统。该系统支持DVI/VGA接口输入,并支持SVGA、XGA、SXGA、UXGA、1080p等任意分辨率的图像压缩和存储,同时能做到音视频同步。另外,该系统采用了双FPGA+ARM架构,提高了系统的灵活性及平台可升级性,拓宽了其应用场合。
本文主要介绍独立式多分辨率VGA/DVI图像压缩存储系统的核心架构,并给出系统的性能。
1 系统架构与实现
该系统的整体架构如图1所示。系统采用了双FPGA+ARM的架构,主要包括四部分:图像前端接口电路、预处理模块、图像压缩模块和管理模块。它同时支持VGA和DVI图像源输入,图像源的缓存或部分运算的中间结果通过Flash和外部存储器实现。这里主要介绍该系统中涉及到前端预处理模块和图像压缩核心模块。
图1中左面一片FPGA主要完成前端预处理,如分辨率检测、色彩转换和图像分析等功能;右面一片FPGA主要用来实现图像实时压缩;ARM对系统进行管理,如压缩后码流管理、网络管理和音频录制等。
1.1 前端预处理模块
前端接口电路采用AD9888作为前端的视频模数转换器,TI公司推出的TFP403作为DVI接收芯片。前端预处理模块采用Xilinx公司的Virtex4[2]系列的FPGA(XC4VLX40),它主要完成的功能是分辨率的检测和色彩空间转换等,如图2所示。
1.1.1 分辨率检测
对于标准的VGA接口,不同分辨率下其HSYNC与VSYNC时序不同,系统设计时用一个单独的模块来检测输入端的分辨率。该模块可以通过检测两个相邻VSYNC上升沿间的HSYNC数目来识别VGA信号的分辨率,然后将检测到的分辨率参数送给后端的图像压缩模块,让系统根据对应参数来配置图像采集和图像压缩。
1.1.2 色彩转换
标准的VGA接口输出为RGB信号,在进行压缩之前,先对图像进行色彩空间转换,将RGB信号转换为YUV信号。色彩空间转换公式为:
系统实现时采用4:2:2采样模式,FPGA采用定点化处理后,将得到的Y和UV分量送给后端的编码模块进行编码。
1.2 图像压缩部分
在系统设计时,考虑到不同分辨率的图像压缩和后续功能扩展,需要采用硬件资源丰富的FPGA,后端模块采用Xilinx公司的Virtex4系列的FPGA(XC4VLX100)。图像压缩的核心架构如图3所示,它主要涉及图像缓存、图像压缩和码流缓存三部分。
1.2.1 图像缓存模块
为了提高系统的处理速度和数据吞吐效率,图像采集模块中采用图4所示的“乒乓操作”缓存图像,即把一帧图像的Y和UV分量缓存到片外的SDRAM1中,同时,系统会从SDRAM2读取另一帧已经缓存的图像到后端的图像压缩模块。这样图像缓存和压缩可以并行处理,提高系统的压缩效率。
系统设计时采用Micron公司16 MB的SDRAM[3],它包含了4个bank。其中,bank0与bank1用来缓存Y分量,bank2与bank3用来缓存UV分量,为了提高读写SDRAM的效率,采用burst读写数据方式,可以减少仲裁操作。
1.2.2 图像并行压缩模块
在系统算法设计时,图像变换采用了基于离散小波变换的空间推举算法(SCLA[4]),相对常见的离散小波变换(DWT),SCLA算法的行与列变换同时进行,乘法次数最少,且重建图像的PSNR值更高。编码算法采用改进的无链表零树编码算法(SLC),它融合了多层次零树编码算法(SPIHT[5])和无链表零树编码(LZC[6])的思想,在性能上逼近SPIHT,但更易于硬件实现。
系统在实现架构上采用了图3所示的双通道并行压缩架构,即Y和UV分量的小波变换和编码并行进行,极大地提高了系统的并行度和压缩效率。兼顾数据读取效率和内存考虑,本系统设计时采用了片外SDRAM和片内SRAM结合的方法来缓存小波系数,所以小波变换和编码模块主要由FPGA和2块片外SDRAM协同完成。SCLA算法采用9/7小波的五层分解,其中SDRAM3用来缓存Y通道分解过程中产生的部分小波系数,SDRAM4用来缓存UV通道分解过程中产生的部分小波系数,向SDRAM中读写数据时仍然采用burst方式。SLC算法以一棵小波树为基本单元,且压缩比可自由控制,完成一帧图像所有小波树的编码。
1.2.3 码流缓存模块
图3中Y通道和UV通道编码后的码流,需要合理的码流管理机制。在此,为了提高系统的吞吐效率,压缩后的码流缓存也采用2片SDRAM进行“乒乓操作”,即向SDRAM5写一帧码流时,从SDRAM6中读取前一帧压缩后的码流;同理,向SDRAM6写一帧码流时,同时从SDRAM5中读取前一帧缓存的码流,原理与图4类似。
2 实验结果与性能
该系统的电路板采用10层板制作工艺,电路板大小30.8 cm×16.7 cm。测试结果表明,当系统工作频率为100 MHz时,可以对分辨率1 280×1 024的图像进行实时压缩(约25帧/s),对分辨率1 600×1 200的图像压缩速率为17帧/s,同时也支持其他更高分辨率的压缩。
本系统对分辨率为1 600×1 200的计算机屏幕的PPT文档界面操作过程进行了测试,实验结果表明其压缩比约为25倍,重建PSNR值约为38 dB,
近年来,视频图像的压缩和存储在信息处理和安防监控等领域起着重要作用。鉴于市场上大多数图像压缩系统很难支持多种分辨率和高分辨率的实时压缩,本文设计了一款双FPGA+ARM架构的独立式多分辨率VGA/DVI图像压缩存储系统。该系统能接收VGA/DVI接口输入,支持SVGA、XGA、SXGA、UXGA、1080p等任意分辨率的连续压缩和存储,并能实现音视频同步。在正常工作频率100 MHz时,可以对SXGA(1 280×1 024的图像进行实时压缩(25帧/s),对UXGA(1 600×1 200)的图像压缩为17帧/s,且图像重建后的PSNR值要优于JPEG标准,压缩性能与JPEG2000标准近似。另外,该系统设计时采用双FPGA+ARM架构,提高了系统的灵活性和平台可升级性,具有广阔的应用前景。
摘要：一种独立式多分辨率VGA/DVI压缩存储系统,该系统支持VGA/DVI输入,同时支持SV-GA、XGA、SXGA、UXGA、1080p等任意分辨率图像的连续压缩和存储。在100 MHz时钟频率下,系统可以对图像SXGA和UXGA实时压缩为(25帧/s)和(17帧/s)。实验表明,在不同码率下,系统的单帧图像压缩性能与JPEG2000标准近似,PSNR值优于JPEG标准。
关键词：小波变换,多分辨率,FPGA,图像压缩
参考文献
[1]Analog Devices Corporation.JEPG2000 Video CodecADV212[EB/OL].[2010-02-26].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADV212.pdf.
[2]Xilinx,Inc.Virtex-4 Family Overview[EB/OL].[2010-02-26].http://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds112.pdf.
[3]Micron Technology,Inc.Synchronous DRAM[EB/OL].[2009-02-24].http://www.micron.com/search/result?txtSearch=MT48LC4M32B2.
[4]LIU Leibo,CHEN Ning,MENG Honying.A VLSI architectureof JPEG2000 encoder.IEEE Journal of Solid-StateCircuits,2004,39(11):2032-2040.
[5]SAID A,PEARLMAN W A.A new fast and efficient imagecodec based on set partitioning in hierarchical trees.IEEETrans.CVST,1996,6(3):243-250.
平板显示器分辨率持续上升 篇10
DisplaySearch在最新一季全球平板显示器研究调查报告Quarterly Worldwide Flat Panel Display Forecast Report中指出，在大尺寸液晶面板中(大于9.1英寸)平均每英寸像素(PPI)将从2010年的88ppi，到2015年将增长至98ppi。而中小尺寸液晶面板(小于9.0英寸)平均每英寸像素(PPI)在同期将从180ppi增长到210ppi。随着智能手机的兴起，手机将会是像素密度增长最明显的应用产品。例如3.5英寸960x640分辨率(330ppi)，4.3” 800 x 480 (217 PPI) 以及 1280 x 800 (330 PPI)。在2012年，22%的手机面板(包含液晶面板和AMOLED主动矩阵有机发光二极管面板)将超过200 PPI；估计2015年将达到50%市占率，2018年将超过55%市占率。
DisplaySearch中小尺寸面板研究总监Hiroshi Hayase先生指出：“就如同消费者期望手持装置上具有多媒体功能与联网功能一样，如手机与平板电脑，具备高分辨率的显示器对这样的产品来说是很重要的。”
DisplaySearch制造研究总监Charles Annis补充：“面板厂正积极透过多种技术来提高平板显示器的分辨率，如在低温多晶硅(LTPS)与其他高电子移动性背板材料、低电阻金属导电线路、高穿透率像素设计，与AMOLED专用的雷射热转换影像技术(LITI)”。
系统分辨率 篇11
1 射束硬化及平面内空间分辨率
1.1 射束硬化
射束硬化根源上是由多色能谱以及物质的能量相关特性引起的[1,2]。由于实际CT系统采用的球管是多能谱球管,也就是说球管发出的射线是由不同能量的光子组成。当X射线穿过某一物质时,低能光子较易被衰减,而高能光子相对于低能光子就没那么容易被衰减,这时射线的衰减不会遵从比尔定理即按指数衰减的规律[3,4,5,6,7,8]。这种效应会造成射线的出射平均能量比入射平均能量大,也就是说射线变“硬”了。我们通常将此现象称之为射束硬化。
射束硬化会造成重建后图像出现杯状伪影、条状伪影或退化的物体边缘[8]。同时,射束硬化也是金属伪影形成的重要原因。目前,射束硬化可由相应的硬件以及软件算法进行校正[1,2,3,4]。在硬件方面,通常在射线源及扫描物体之间安放过滤物预滤过射线,以此减轻射束硬化导致的伪影。在医用CT上,除了射束硬化外还考虑到扫描视场内病人所受的剂量保持一定的分布,因此使用形状滤过器进行硬化校正。而在工业CT中可安放一定厚度的金属片进行预滤过。在软件算法方面,可以通过前处理、后处理或者双能法进行校正。
硬化伪影酷似某些病理特征,如果去除的不彻底,很有可以引发临床医生的误诊断。因此,去除CT图像中的硬化伪影,是提高图像质量和诊断成功率的重要手段,同时也是准确衡量一个CT系统性能的基础。
1.2 平面内空间分辨率
衡量一个CT系统的性能可以通过相应的指标来进行量化[1]。例如:平面内空间分辨率,Z方向空间分辨率,低对比度分辨率,时间分辨率,CT值准确度以及噪声等。其中平面内空间分辨率是CT系统的重要指标之一[9,10,11,12,13,14]。CT平面内空间分辨率定义为在高对比的情况下,CT系统对于被扫物体细微结构的分辨能力[11,12]。该项指标已经成为国家相关部门检验医疗设备生产商生产出来的CT是否合格的一项标准。
它通常可以通过计算系统的调制传递函数(modulation transfer function,MTF)进行评价。MTF的测量分为直接测量和间接测量两种。
1.2.1 间接测量方法
扫描垂直于切层的线状物体,得到其横截面的像,像分布函数即为CT系统的点扩散函数(point spread function,PSF),对PSF(x,y)进行二维FT变换即可得到CT系统的MTF[10,11,12,13]。通常我们假设CT系统是线性一致各向同性成像系统。因此,MTF也可通过读取PSF特定方向的剖面线再经一维FT变换获得[14]。
另一种比较常见方法就是扫描两种不同CT值材料的界面,通过扫描的图像可计算系统的边缘相应函数(edge response function,ERF),对ERF求导数就是系统的线扩展函数(line spread function,LSF),LSF的傅里叶变换可得到MTF[9,10,11,12,13]。
1.2.2 直接测量方法
线对卡可用于直接测量MTF值[10,11,12,13]。其优点在于直观,对测量模体放置的垂直度要求不严,缺点在于测量结果很大程度上取决于个人的主观意识,缺乏客观性。而且该方法只能对有限个离散空间频率的线对进行测量,具有局限性。使用该方法测量MTF可通过扫描Catphan模体的CTP528模块,观察可以看到图像中的线对数即为系统的平面内空间分辨率。
2 射束硬化对测量平面内空间分辨率的影响
本文采用间接测量方法获得MTF曲线,即通过读取PSF特定方向的剖面线再经一维FT变换所得。计算步骤如下:
(1)将扫描的0.18 mm小针图像以DICOM格式读入。
(2)画框选定小针所在的区域,找到框内CT值最大的点。如果有多个大小相同的点,可通过双线性插值的方法找到最大值的点以及对应的坐标。
(3)以最大CT值的点为圆心通过双线性插值周向采样512个样点。
(4)将该512个样点取平均作为PSF的一个采样点,然后以最大CT值的点为中心径向偏移一定间隔重复步骤(2)。
(5)将步骤(2)和(3)重复操作,直到得到1024个PSF的采样点。这里要求采样点的个数为偶数,目的是为以下步骤对其做FFT变换做准备。
(6)将以上PSF采样点减去图像背景值,并对其做FFT变换。
(7)根据扫描小针的实际宽度构造门函数并计算其FFT变换。
(8)用步骤(6)计算结果除以步骤(7)计算结果,以此消除由于小针宽度带来的测量误差,提高平面内空间分辨率的测量精度。
(9)上一步计算结果经归一化和线性拟和即可得到完整的MTF曲线。
2.1 实验过程
本次实验在Philips公司生产的两台型号为MX16的16排全身螺旋CT上分别进行采集数据以及测量和计算MTF曲线。表1为MX16CT的系统参数,表2为实验的扫描条件(多台机器扫描条件一样),图1为扫描模体的结构。该模体分为头部和体部,头部又分为物理层、水层和多柱层,其中小针位于物理层。
在进行扫描之前,首先对机器进行机械校正,以保证机器运行在良好的状态下。再者将设备间的温湿度调节为常温湿条件(温度:25℃湿度:40%RH),以排除外部环境的影响。用表1的扫描条件扫描上述模体的物理层,在进行硬化校正或不进行硬化校正两种情况下,选定不同的卷积核和层厚分别重建FOV为50 mm的小针图像(重建算法为滤波反投影),然后按照本文叙述的步骤计算MTF曲线,最后分析对比硬化校正前后的MTF指标。为了避免计算出来的MTF值出现偶然性,重复该实验两次,观察两台机器四次的计算结果是否一致。由于同一次扫描不同位置的被扫描物都是小针,重建出来的各层图像具有相似性,因此选取每组重建图像的第二层,中间层以及倒数第二层来统计射束硬化对于计算MTF值影响的规律,进而分析射束硬化对于测量平面内空间分辨率的影响。
2.2 实验结果
在层厚为0.75 mm,重建核为骨核下重建小针图像:硬化校正后较校正前,MTF指标整体呈现下降的趋势。层厚保持不变,更改卷积核为平滑核:硬化校正后的MTF指标在0%处的值下降,其他指标(2%、10%、50%)整体提高。在层厚1.5为mm,卷积核为骨核下重建图像:硬化校正后较校正前,0%和2%处的值下降,其他指标上升。更改卷积核为平滑核:硬化校正后的MTF指标在0%处有下降的趋势,其他指标(2%、10%、50%)整体提高。对比两台机器的四次MTF计算结果,相同扫描以及重建图像条件下,两台CT机计算的MTF值整体上存在微小的差异。不同的CT机,射束硬化对于测量空间分辨率的影响趋势呈现出相同的结果。图2为测量MTF示意图。表3为在不同建像场景下计算得到的MTF指标(由于数据太多,仅列出第一次计算结果)。
3 结论