高世杰，盛 磊，李一芒，吳志勇

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多譜段成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于激光照明、無(wú)源戰(zhàn)地預(yù)警、水下搜尋救援等領(lǐng)域中，采用多個(gè)波段的探測(cè)器成像，能夠更全面、更準(zhǔn)確地捕獲待測(cè)區(qū)域多個(gè)譜段的輻射信息，從而具備更強(qiáng)的探測(cè)能力［1～3］。為進(jìn)行比對(duì)，得出準(zhǔn)確性相對(duì)較高的結(jié)論，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的課題組在開(kāi)展近海面激光通信大氣擾動(dòng)模型參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，引入多譜段成像技術(shù)，分別采用可見(jiàn)光相機(jī)和短波紅外相機(jī)對(duì)激光光斑進(jìn)行成像。一般在實(shí)際應(yīng)用中，采用多個(gè)圖像采集與處理系統(tǒng)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多圖像傳感器采集的激光光斑圖像的實(shí)時(shí)融合處理，需要將多圖像傳感器對(duì)應(yīng)的采集與處理單元集成到一套系統(tǒng)中。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)+多核數(shù)學(xué)信號(hào)處理器(DSP)架構(gòu)設(shè)計(jì)了雙路圖像采集與實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，

1 系統(tǒng)組成

所設(shè)計(jì)的雙波段激光光斑采集與處理系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要工作原理為:短波紅外相機(jī)和可見(jiàn)光相機(jī)在FPGA 生成的同步觸發(fā)信號(hào)控制下采集圖像信號(hào)，相機(jī)分辨率均設(shè)置為208×200，采集頻率為500 Hz，紅外數(shù)字圖像與可見(jiàn)光數(shù)字圖像經(jīng)Camera Link 接口傳輸至圖像處理系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 內(nèi)部開(kāi)辟資源接收并緩存數(shù)字圖像信號(hào)，然后與DSP 按一定策略和算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，所得結(jié)果由FPGA 內(nèi)部開(kāi)辟的PCI—e 通信單元傳輸至計(jì)算機(jī)中。

圖1 采集與處理系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of data acquisition and processing system

為提升硬件系統(tǒng)對(duì)卷積運(yùn)算的并行處理能力，同時(shí)適應(yīng)高頻率數(shù)據(jù)采集條件下對(duì)內(nèi)部緩存資源的要求，設(shè)計(jì)選用FPGA 器件和 DSPs。設(shè)計(jì)時(shí)選取 Xilinx 公司的XC5VLX110T 型高速FPGA 芯片作為系統(tǒng)的核心元器件之一。XC5VLX110T 型FPGA 內(nèi)部資源豐富，共有17 280 個(gè)資源片，每個(gè)資源片內(nèi)包括4 個(gè)LUT 和4 個(gè)觸發(fā)器;擁有64 個(gè)DSP48E 數(shù)字信號(hào)運(yùn)算內(nèi)核，其中每個(gè)內(nèi)核都包括1 個(gè)25×18 的乘法器，1 個(gè)加法器和1 個(gè)累加器;此外該型號(hào)FPGA 內(nèi)部資源還包括:5 328 kb 塊RAM，12 個(gè)時(shí)鐘管理模塊，6 個(gè)鎖相環(huán)，1 個(gè)PCI—e 內(nèi)核，680 個(gè)可供用戶使用的I/O 資源。利用XC5VLX110T 型FPGA 內(nèi)的功能內(nèi)核和豐富的存儲(chǔ)資源可以實(shí)現(xiàn)濾波與通信控制等功能。FPGA+8 核DSP 架構(gòu)的處理單元是本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)的核心部分，其邏輯單元設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 邏輯單元設(shè)計(jì)框圖Fig 2 Block diagram of logical unit design

核心器件的主要工作過(guò)程為:FPGA 的圖像接受控制模塊通過(guò)FPGA 的IO 資源控制，Camera Link 接口接收數(shù)字圖像信號(hào)，數(shù)字圖像在緩存模塊和DDR2 所提供的存儲(chǔ)資源條件下進(jìn)行乒乓緩存，圖像預(yù)處理模塊圖像預(yù)處理操作，F(xiàn)PGA 將預(yù)處理后的圖像送入DSP 中進(jìn)行復(fù)雜的圖像處理運(yùn)算，F(xiàn)PGA 與DSP 間的通信經(jīng)SRIO 協(xié)議完成。設(shè)計(jì)8 核DSP 中的其中一個(gè)核為決策器和控制器，用于實(shí)現(xiàn)SRIO 通信協(xié)議，多核資源的分配與調(diào)度以及處理結(jié)果的整合，其它7 核將圖像分為7 份進(jìn)行并行處理，決策器對(duì)圖像進(jìn)行分片時(shí)設(shè)置一定的重疊區(qū)域。DSP 完成工作后將圖像整合，經(jīng)SRIO 回傳至FPGA，F(xiàn)PGA 對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)提取，并在FPGA 內(nèi)部開(kāi)辟PCI—e 通信內(nèi)核，將處理圖像、目標(biāo)位置信息和原始圖像信息以DMA 方式按PCI—eX4 模式傳入計(jì)算機(jī)中。系統(tǒng)硬件如圖3 所示。

圖3 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖Fig 3 Physical map of hardware system

2 算法設(shè)計(jì)

當(dāng)激光通信鏈路經(jīng)過(guò)大氣時(shí)，由于受湍流的影響，系統(tǒng)所獲得的激光光斑圖像是退化后的圖像，會(huì)導(dǎo)致對(duì)質(zhì)心位置提取精度下降。工程中常用的形態(tài)學(xué)算子會(huì)使目標(biāo)中心位置發(fā)生改變，影響光斑中心檢測(cè)精度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大氣湍流導(dǎo)致圖像退化提出的解決方法可歸納為三類(lèi):多幀重構(gòu)法［4］、自適應(yīng)光學(xué)法［5］和盲復(fù)原方法［6］。多幀重構(gòu)法屬于事后處理方法，其原理與實(shí)時(shí)性相矛盾;自適應(yīng)光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜;盲復(fù)原方法若不進(jìn)行迭代則復(fù)原效果不佳，若迭代次數(shù)過(guò)多則難以滿足實(shí)時(shí)性要求。實(shí)驗(yàn)中，采用改進(jìn)的激光光斑退化圖像的快速盲復(fù)原方法，在對(duì)光斑圖像進(jìn)行快速?gòu)?fù)原的基礎(chǔ)上，對(duì)光斑目標(biāo)域進(jìn)行分割，并通過(guò)連通域計(jì)算實(shí)時(shí)提取復(fù)原后的光斑中心位置信息。

經(jīng)復(fù)原后的圖像需要進(jìn)行一系列處理，其算法流程如圖4 所示。

圖4 算法設(shè)計(jì)流程Fig 4 Design procedure of algorithm

中值濾波［7］是紅外圖像檢測(cè)過(guò)程中常用的空域?yàn)V波方法，濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，尤其適用于斑點(diǎn)噪聲和椒鹽噪聲。中值濾波算法是一種基于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的排序算法。該算法是利用背景區(qū)域的相似性和弱小目標(biāo)局部極值特性，結(jié)合非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)造的一種圖像預(yù)處理方法，其計(jì)算公式如下

式中 f(x，y)為原始圖像中位于(x，y)處像素灰度值，b(x，y)為中值濾波后圖像位于坐標(biāo)(x，y)處像素灰度值，在圖像預(yù)處理過(guò)程中可將b(x，y)視為背景，R 為計(jì)算的局部區(qū)域，s(x，y)為得到的預(yù)處理后的輸出圖像。剪切波［8］與小波變換［9］相比，同時(shí)具有多分辨、局域性和方向性等優(yōu)點(diǎn)。剪切波變換定義如下

其中，T 為閾值。剪切波能夠從多尺度幾何分析的角度對(duì)圖像進(jìn)行處理，在去除噪聲、背景的同時(shí)，盡量避免目標(biāo)信息的丟失。在閾值分割算法方面，為保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)中采用控制計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)定全局閾值，最后進(jìn)行連通域分析，確定圖像中是否包含光斑目標(biāo)，如果有，則輸出目標(biāo)中心的坐標(biāo)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖5 所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖6 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig 5 Experimental scene

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框圖Fig 6 Block diagram of experimental platform

發(fā)射端由兩臺(tái)激光器，經(jīng)80 mm 口徑通信鏡頭向?qū)Π栋l(fā)射850，1 550 nm 波段的激光，接收端在平臺(tái)上放置兩個(gè)150 mm 口徑，1 500 mm 焦距的卡式結(jié)構(gòu)光學(xué)天線，分別對(duì)兩個(gè)波段的光束進(jìn)行接收，其中，可見(jiàn)光相機(jī)在850 nm 波段的量子相應(yīng)效率為12%，在1 550 nm 波段的量子相應(yīng)效率可視作0，短波紅外相機(jī)在1550 nm 波段的量子相應(yīng)效率約為40%，在850 nm 波段量子相應(yīng)效率極低，兩種相機(jī)在時(shí)統(tǒng)終端的觸發(fā)下，以500 Hz 的頻率進(jìn)行光斑圖像同步采集，經(jīng)Camera Link 數(shù)據(jù)線分別傳輸至實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中。同步圖像采集結(jié)果如圖7 所示，其中，(a)圖為可見(jiàn)光相機(jī)采集圖像，(b)圖為紅外相機(jī)采集圖像，時(shí)間信息疊加在圖像的第一行上(圖像第一行未經(jīng)實(shí)時(shí)處理)。

實(shí)時(shí)輸出的光斑中心形心位置與事后通過(guò)Matlab 對(duì)原圖質(zhì)心進(jìn)行的比較結(jié)果如表1 所示，其中，當(dāng)未發(fā)現(xiàn)激光光斑時(shí)，給出的目標(biāo)坐標(biāo)值為(0，0)。

圖7 同步采集圖像Fig 7 Synchronously acquired image

表1 形心計(jì)算結(jié)果與原圖質(zhì)心比較Tab 1 Comparison of centroid and gravity

通過(guò)5 000 幀圖像實(shí)時(shí)形心計(jì)算結(jié)果與事后質(zhì)心計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，將事后質(zhì)心結(jié)果看作真值，則形心計(jì)算誤差平均值為:x 方向0.21 像素，y 方向0.15 像素。通過(guò)解算疊加在圖像第一行的時(shí)間信息，能夠定位同一時(shí)間段內(nèi)的可見(jiàn)光圖像和紅外圖像，并根據(jù)光斑中心的到達(dá)角起伏方差和閃爍指數(shù)，計(jì)算并比較該時(shí)間段內(nèi)的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)。為了便于事后對(duì)圖像的查看與處理，系統(tǒng)不但能實(shí)時(shí)工作，并且能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。在進(jìn)行同步存儲(chǔ)時(shí)，實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)以DMA 方式按PCI—e 協(xié)議向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)相機(jī)分辨率和幀頻，其傳輸數(shù)據(jù)流為20 MB/s，測(cè)試計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)讀寫(xiě)速度在穩(wěn)定后均大于100 MB/s，理論上完全支持相機(jī)采集圖像的數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)會(huì)產(chǎn)生間歇性的寫(xiě)入錯(cuò)誤。使用乒乓緩存寫(xiě)入數(shù)據(jù)解決上述問(wèn)題時(shí)，會(huì)產(chǎn)生串幀和丟幀，即使改變乒乓策略，修改線程優(yōu)先級(jí)，也無(wú)法消除丟幀串幀的現(xiàn)象。丟幀和串幀的產(chǎn)生是因?yàn)殡娔X運(yùn)行的是非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Window 7 64 bit，因此，CPU 不能按理論性能實(shí)時(shí)完成讀寫(xiě)操作。開(kāi)辟內(nèi)存，以鏈表形式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，暫時(shí)不能完成存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存相對(duì)較大(64 GB)，實(shí)際外場(chǎng)中單次記錄時(shí)間約30 min，30 min 時(shí)間所積累在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)小于50 MB，因此，采用鏈表形式能夠有效地避免丟幀和串幀現(xiàn)象的發(fā)生。圖8 所示即是隨著記錄時(shí)間不斷延長(zhǎng)，內(nèi)存開(kāi)辟空間發(fā)生的變化。

4 結(jié) 論

為更好地定量評(píng)價(jià)大氣湍流對(duì)近海激光通信的影響，需采用雙波段激光驗(yàn)證不同大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)估算模型方法，并在船用激光通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了基于可見(jiàn)光CMOS 傳感器和短波紅外傳感器的圖像采集與處理系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠在500 Hz 的工作頻率下同步采集850 nm 和1 550 nm 激光光斑圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，滿足雙波段大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的要求，為近海激光通信關(guān)鍵技術(shù)研究提供了技術(shù)支持。

圖8 鏈表緩存數(shù)據(jù)前后內(nèi)存占用比較Fig 8 Memory usage before and after linked list cached data

［1］ 郭幫輝，王 健，黃劍波，等.三波段光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及鬼像分析［J］.光子學(xué)報(bào)，2014(1):104－108.

［2］ 黃漫國(guó)，樊尚春，鄭德智，等.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究進(jìn)展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(3):5－8，12

［3］ 田 娟，鄭郁正.模板匹配技術(shù)在圖像識(shí)別中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(1):112－114，117.

［4］ Larry C Andrews，Ronald L Phillips.Laser beam prorogation through random media［M］.Bellingham，Washington:SPIE Optical Engineering Press，1998:210.

［5］ Babcock H W.The possibility of compensating astronomical seeing［M］.San Francisco:Publication of the Astronomical Society of the Pacific，1953:229－236.

［6］ Carasso A S.Direct blind deconvolution［J］.Appl Math，2001，61(6):1980－2007.

［7］ 趙高長(zhǎng)，張 磊，武風(fēng)波.改進(jìn)的中值濾波算法在圖像去噪中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011(4):678－682.

［8］ 鄭 紅，鄭 晨，閆秀生，等.基于剪切波變換的可見(jiàn)光與紅外圖像融合算法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2012(7):1613－1619.

［9］ 郭彤穎，吳成東，曲道奎.小波變換理論應(yīng)用進(jìn)展［J］.信息與控制，2004(1):67－71.