張 建，史建業(yè)，徐定科

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310027)

0 引 言

紅外圖像傳感器成像可得到豐富的目標圖像數(shù)據(jù)，在軍事、民用等領(lǐng)域均取得了廣泛的應(yīng)用［1］。紅外圖像傳感器的成像過程依賴于實時探測，存在成本較高、探測條件苛刻等問題。在實際應(yīng)用中，常采用成像模擬裝置仿真生成紅外圖像傳感器探測的圖像，既可降低成本滿足需求，又可為紅外圖像傳感器的性能分析和設(shè)計提供依據(jù)［2］。

由于紅外圖像傳感器探測的環(huán)境是不斷變化的，成像模擬系統(tǒng)的圖像仿真生成需達到較高的幀頻和分辨率，保證動態(tài)實時模擬出紅外圖像傳感器的探測圖像［3］。2008 年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的陳元林、湯心溢等人研制了一種實時動態(tài)圖像傳感器成像仿真器，可以50 fps 的幀頻實時產(chǎn)生分辨率為320×240×16 bit 的圖像［4］。2010 年，西安電子科技大學(xué)的林凱研究了一種模塊化實時紅外圖像傳感器成像仿真系統(tǒng)，可以73 fps 的幀頻實時產(chǎn)生分辨率為256×256×16 bit 的紅外圖像［5］。

本文設(shè)計了一種紅外圖像傳感器成像仿真系統(tǒng)，通過在數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)上運行紅外云圖產(chǎn)生算法，可動態(tài)模擬紅外圖像傳感器探測的圖像并上傳到電腦。仿真結(jié)果表明:本系統(tǒng)可以76 fps 的幀頻實時模擬產(chǎn)生分辨率為512×512×16 bit 的紅外圖像并上傳到電腦，圖像質(zhì)量良好，紅外圖像傳感器成像模擬效果顯著。

1 紅外圖像傳感器成像簡介

紅外圖像傳感器可探測紅外輻射并轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)，主要由三個部分組成:光學(xué)系統(tǒng)、探測陣列、信號處理電路三部分組成，框圖如圖1 所示。

其中，紅外輻射輸入量首先經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的聚焦，聚焦后的輻射量經(jīng)過探測陣列器件完成輻射量到電信號的轉(zhuǎn)換。探測陣列輸出的電信號量較微弱，需經(jīng)信號處理電路進行放大處理，以像素灰度數(shù)字量的形式輸出。

圖1 紅外圖像傳感器框圖Fig 1 Block diagram of infrared image sensor

紅外圖像傳感器成像的優(yōu)勢在于實景探測，可以得到目標物體的實時紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，精度高，還原度好。但紅外圖像傳感器價格昂貴，實際探測過程受外界條件限制且需要消耗大量的人力、物力，限制了其應(yīng)用范圍，常采用成像模擬系統(tǒng)仿真產(chǎn)生紅外圖像傳感器探測的紅外圖像。目前紅外圖像傳感器成像的圖像分辨率可達1024×1024以上［7］。未來，紅外圖像傳感器探測的分辨率將得到進一步提升，針對紅外圖像傳感器成像的仿真系統(tǒng)的發(fā)展仍然滯后，亟待突破。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

紅外圖像傳感器的探測目標有建筑物、天空、地面等，本文以天空為研究對象，實時模擬天空的紅外圖像。紅外圖像傳感器探測的圖像分辨率較高且處于變化的過程，動態(tài)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的紅外圖像的幀頻和分辨率需提高，以更好地模擬出紅外圖像傳感器的成像過程。系統(tǒng)的硬件以DSP 為核心處理器實時計算生成紅外天空圖像數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)USB3.0 接口上傳到電腦，為保證圖像數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，采用DDR3 作為高速數(shù)據(jù)緩存。系統(tǒng)的總體框圖如圖2 所示。

圖2 總體框圖Fig 2 Overall block diagram

圖2 中，DSP 為模擬圖像數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)天空紅外圖像的動態(tài)模擬生成。系統(tǒng)可以76 fps 的幀頻模擬分辨率為512×512×16bit 的紅外圖像傳感器探測數(shù)據(jù)，每秒產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)量為38 MB。DDR3，USB 3.0 等通信接口的數(shù)據(jù)傳輸速率均高于38MB/s，保證紅外圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路按照功能可分為計算單元和高速通信電路，其中，計算單元采用DSP+FPGA 的架構(gòu)，高速通信單元包括USB3.0 接口、DDR3 高速數(shù)據(jù)緩存模塊等。其中，紅外圖像傳感器成像動態(tài)模擬系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)源為DSP，產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)傳輸速率高達38 MB/s，高速數(shù)據(jù)的流向順序如圖3 所示:DSP 產(chǎn)生紅外圖像數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)緩存到DDR3 中。緩存一定幀數(shù)后，DSP 讀取緩存的圖像數(shù)據(jù)，并通過PCIE 接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB 3.0 轉(zhuǎn)PCIE 的橋接器轉(zhuǎn)換為USB 3.0 格式，再通過USB 3.0 接口上傳到電腦。為保證圖像數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，圖中的各個環(huán)節(jié)(DDR3，PCIE 接口、USB3.0 接口)的數(shù)據(jù)傳輸速率均大于38 MB/s。

圖3 高速數(shù)據(jù)流向圖Fig 3 High speed data flow direction diagram

1)DSP+FPGA 核心架構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件電路采取DSP+FPGA 的架構(gòu)，其中DSP主要用于實時模擬生成紅外傳感器探測的圖像，選用的是TI 的多核處理器TMS320C6678，共有8 個C66x 內(nèi)核，八核的總浮點計算能力為160 G 浮點運算每秒(floating-point operations per second，F(xiàn)LOPS)，強大的計算能力保證了紅外圖像的動態(tài)產(chǎn)生。FPGA 選用Xilinx V5 系列的FPGA，用于擴展外圍接口，控制硬件系統(tǒng)電源上電時序，向DSP 提供復(fù)位和中斷信號等。

2)DDR3 高速數(shù)據(jù)緩存

本系統(tǒng)實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，需進行高速數(shù)據(jù)緩存。緩存介質(zhì)的讀寫速率需達到38 MB/s以上，本系統(tǒng)的緩存介質(zhì)至少緩存1s 的圖像數(shù)據(jù)，緩存器件的存儲容量應(yīng)不小于38 MB。DDR3 采用雙倍數(shù)據(jù)速率技術(shù)，在時鐘的上升沿和下降沿均可進行數(shù)據(jù)讀寫，存取速率很高。本系統(tǒng)選取鎂光公司的MT41J256M16RE，存儲容量達512 MB，數(shù)據(jù)位寬16 bit，最高讀寫速率可達1 600 Mbps，存儲容量和存取速率均能滿足需求。

3)USB3.0 接口

紅外圖像傳感器成像動態(tài)模擬系統(tǒng)可以將紅外圖像數(shù)據(jù)通過USB 3.0 接口上傳到電腦，TMS320C6678 沒有USB3.0 接口，本系統(tǒng)通過USB 3.0 轉(zhuǎn)PCIE 的橋接器將TMS320C6678 的PCIE 接口擴展為USB 3.0 接口，框圖如圖4所示。其中USB 3.0 的理論傳輸速率最高可達5 Gbps，PCIE接口的理論傳輸速率也為5 Gbps，遠遠高于系統(tǒng)數(shù)據(jù)流傳輸速率38 MB/s。

4)高速電路信號完整性設(shè)計

DDR3，USB3.0，PCIE 等接口的傳輸速率很高，容易受到電磁干擾，本系統(tǒng)進行了信號完整性設(shè)計，保證信號傳輸質(zhì)量:

a.確保高速信號線的上下層都是完整的返回平面，使傳輸線的阻抗不發(fā)生突變。

圖4 USB3.0 接口框圖Fig 4 Block diagram of USB3.0 interface

b.傳輸線阻抗:單端高速線阻抗均控制為50 Ω，差分高速線的差模阻抗控制為100 Ω。

c.走線規(guī)則:避免90°走線，差分線保證等長，高速線之間需要滿足3 W 原則，防止串擾。

d.端接匹配電阻:在地址線和控制線的終端端接匹配電阻，消除反射。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)實時模擬產(chǎn)生天空紅外圖像，天空紅外圖像的產(chǎn)生關(guān)鍵在于云圖的生成。目前云圖的產(chǎn)生方式主要有粒子法、噪聲法、分形法等［8］。其中，粒子法的計算量較大，分形法不能產(chǎn)生任意分辨率的圖像，本文采用Perlin 噪聲法［9］產(chǎn)生紅外云圖，流程圖如圖5 所示。

首先設(shè)定模擬圖像的產(chǎn)生幀頻和分辨率，與模擬的紅外圖像傳感器探測的圖像幀頻和分辨率相同。假設(shè)設(shè)定的圖像分辨率為m×n×16 bit，完成設(shè)定后根據(jù)圖像分辨率產(chǎn)生二維Perlin 噪聲數(shù)組Noise［m］［n］，對生成的Perlin 噪聲迭代求和N 次，得到Perlin 云噪聲圖數(shù)據(jù)Perlin_Noise［m］［n］，求和公式如式(1)所示

但此時得到的云圖輪廓并不明顯，需要Perlin 云圖進行銳化處理，本文采用指數(shù)函數(shù)進行銳化處理，可得到更為清晰的云圖數(shù)據(jù)Perlin_Cloud［m］［n］。最后進行線性灰度變換，對于每個噪聲點，線性灰度變換的公式如式(2)所示

式中 W 為當前噪聲點的噪聲值，Wmin為所有噪聲點中的最小值，Wmax為所有噪聲點中的最大值，Gmax為灰度變換后的最大灰度值，即灰度值上限，Gmin為線性灰度變換后的最小灰度值，即灰度下限?；叶茸儞Q完成即得到模擬紅外云圖。

3 仿真實驗

本文在CCS 的環(huán)境下運行紅外云圖產(chǎn)生算法，模擬產(chǎn)生分辨率為512×512×16 bit 的紅外云圖。模擬產(chǎn)生的紅外云圖像如圖6(a)所示，其中最暗點的灰度值為0，最亮的點的灰度值為65 535，圖中像素點顏色的深淺表示云層的厚度，顏色越淺的像素點，云的厚度越厚。紅外圖像傳感器實際探測的紅外云圖如圖6(b)所示。從圖中可看出:系統(tǒng)仿真的云圖形狀和實測的云圖形狀類似，可明顯看出:云的輪廓。此外，實測系統(tǒng)每秒可產(chǎn)生76 幀紅外云圖，幀頻較高，動態(tài)性好，對紅外圖像傳感器成像的動態(tài)模擬效果顯著。

圖5 紅外云圖像產(chǎn)生算法流程圖Fig 5 Flow chart of infrared cloud image generating algorithm

圖6 紅外云圖像Fig 6 Infrared cloud image

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種紅外圖像傳感器成像動態(tài)模擬系統(tǒng)，為模擬產(chǎn)生紅外圖像傳感器探測的天空紅外圖像，進行了軟硬件設(shè)計。通過在多核DSP 上運行紅外云圖產(chǎn)生算法，動態(tài)模擬產(chǎn)生紅外圖像傳感器成像仿真數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)在DDR3 緩存后經(jīng)USB3.0 接口上傳到電腦。實驗結(jié)果表明:本系統(tǒng)可以76 fps 的幀頻實時模擬產(chǎn)生分辨率為512×512×16 bit的紅外云圖，圖像質(zhì)量良好，且與紅外圖像傳感器探測的云圖形狀相似，對紅外圖像傳感器成像的動態(tài)模擬效果顯著。

［1］ 程 瑤，魯 進，孟麗婭.紅外圖像傳感器成像仿真系統(tǒng)設(shè)計［J］.液晶與顯示，2013(5):788－792.

［2］ 婁樹理，張 健，任建存，等.紅外成像傳感器建模與仿真技術(shù)研究進展［J］.紅外，2014(7):1－4.

［3］ Sanders Jeffrey，Brown S，Scott D.Utilization of DIRSIG in support of real-time infrared scene generation［C］∥Aero Sense 2000，Orlando，USA，International Society for Optics and Photonics，2000:278－285.

［4］ Yu Yang，Tang Xinyi，Cai Haijiao，et al.3D simulation of realtime infrared scene based on DSP［C］∥International Conference on Computer Science and Software Engineering，Wuhan，China:IEEE，2008:915－918.

［5］ 林 凱.一種模塊化實時紅外場景仿真系統(tǒng)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［6］ 簡獻忠，裴云天，孫勝利，等.MCT1024 紅外焦平面陣列成像傳感器［J］.激光與紅外，2001(5):284－285.

［7］ 常 麗.基于分形幾何的動態(tài)云模擬及紋理分割算法的研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2010.

［8］ 齊 越，段米毅.基于Perlin 噪音繪制云的方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14(9):1204－1207.