摘 要： 分析了導(dǎo)致紅外成像系統(tǒng)非均勻性的機(jī)理，介紹了紅外焦平面陣列非均勻性校正的基本方法。采用兩點(diǎn)校正和積分時(shí)間校正相結(jié)合的方法，利用TMS320VC5509A DSP完成了對紅外圖像的非均勻性實(shí)時(shí)校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足紅外焦平面成像系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞： DSP； 紅外圖像； 紅外焦平面陣列； 非均勻性校正
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紅外輻射覆蓋寬達(dá)0.76μm～1000μm的電磁波段，是重要的信息資源。隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，把熱效應(yīng)和CMOS技術(shù)結(jié)合起來研制的紅外焦平面陣列IRFPA(Infrared Focal Plane Array)成為紅外熱成像領(lǐng)域最令人關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
紅外焦平面陣列探測元具有靈敏感度高、探測性能強(qiáng)、能夠獲得物體更多的表面信息以及更高的幀速率等優(yōu)點(diǎn)，正成為紅外熱成像技術(shù)中的主流器件。目前，紅外焦平面陣列(IRFPA)探測器[1-2]已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防、民用等各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于紅外成像的特殊性以及材料、工藝方面的原因，探測器每個(gè)像元對紅外輻射響應(yīng)不一致，這種不一致表現(xiàn)在圖像上就是空間上的不均勻，嚴(yán)重影響了紅外成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此，對紅外圖像進(jìn)行非均勻性校正成為提高紅外焦平面陣列成像質(zhì)量的關(guān)鍵。
目前，國內(nèi)外已經(jīng)提出了許多關(guān)于紅外圖像非均勻性校正的算法，本文在采用兩點(diǎn)溫度定標(biāo)法進(jìn)行非均勻性校正之前，先用一點(diǎn)校正法對積分時(shí)間進(jìn)行了校正，最后將校正數(shù)據(jù)的計(jì)算任務(wù)交給DSP來完成，實(shí)現(xiàn)了對紅外圖像的非均勻性校正。
1 紅外圖像非均勻性的定義
紅外焦平面探測器的響應(yīng)非均勻性問題不同于一般的圖像噪聲。一般的圖像噪聲是瞬態(tài)隨機(jī)噪聲，可以通過幀/場處理的方法來消除。探測器的非均勻性是一種固定圖形噪聲，它主要包含以下幾個(gè)方面[3]：(1)空間的非均勻性，也就是不同敏感元對同一光通量的響應(yīng)率不同，個(gè)別敏感元甚至對不同的光通量的響應(yīng)不變或發(fā)生很小的變化，即盲元；(2) 時(shí)間非均勻性，指同一敏感元在不同時(shí)間對相同光通量的響應(yīng)不同，即非均勻性是時(shí)變的；(3) 探測器各敏感元對同一光通量增益的響應(yīng)不同，即非線性。
對于一個(gè)M×N的紅外焦平面探測器，其輸出響應(yīng)的非均勻性NU(Nonuniformity)一般按如下定義[4]：
式中，Vij(T)為焦平面上第i行第j列所對應(yīng)像元的輸出
2 非均勻性校正算法
IRFPA非均勻性校正的任務(wù)就是補(bǔ)償探測器的空間非均勻性。校正方法主要有硬件校正和軟件數(shù)值校正兩種。硬件校正一般在焦平面器件硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過對焦平面器件后繼電路的模擬信號(hào)處理或焦平面工作條件的選擇來降低紅外圖像的非均勻性[5]。軟件校正是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行非均勻性校正。由于硬件校正法使得焦平面后端模擬信號(hào)處理電路較為復(fù)雜，而軟件校正法更為靈活，易于實(shí)現(xiàn)，因此本文采用軟件數(shù)值校正方法。
軟件校正技術(shù)分為基于定標(biāo)和基于場景兩種。前一種技術(shù)在對IRFPA定標(biāo)時(shí)，要求停止成像系統(tǒng)的正常工作，進(jìn)入對探測器的標(biāo)定工作模式[6]。此類非均勻性校正方法有三種：一點(diǎn)校正法、兩點(diǎn)校正法和多點(diǎn)校正法。多點(diǎn)校正法不需要停止探測系統(tǒng)的正常工作，通常使用圖像序列并且依賴于目標(biāo)相對于場景的運(yùn)動(dòng)，以在每一探測器單元上產(chǎn)生場景溫度的變化。這些溫度變化依次提供統(tǒng)計(jì)參考點(diǎn)，依照這些參考點(diǎn)，可以對探測器的響應(yīng)進(jìn)行校正。這種方法要求場景中存在運(yùn)動(dòng)且校正方法計(jì)算復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，對探測單元自身響應(yīng)的非均勻性無法校正，校正效果并不理想。考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，文中采用了基于定標(biāo)的兩點(diǎn)非均勻性校正法。
2.1 兩點(diǎn)校正法原理
兩點(diǎn)校正法是在假定紅外焦平面像元輸出在有效工作范圍內(nèi)、光電響應(yīng)是線性的條件下進(jìn)行的。從紅外圖像非均勻性的來源和表現(xiàn)形式可以看出，如果各陣列單元的響應(yīng)特性在所感興趣的溫度范圍內(nèi)為線性的，且在時(shí)間上是穩(wěn)定的，并假定暗電流的非均勻性影響較小，則非均勻性引入了固定模式的乘性和加性噪聲。在這種情況下，對于M×N的紅外焦平面陣列，第(i,j)個(gè)探測器在溫度為T時(shí)的均勻輻射背景下，入射輻照度為 φ(T)，其輸出響應(yīng)表示如下：
因此只需確定增益和校正系數(shù)(gij、oij)，就能得到非均勻性校正后的輸出。取2個(gè)不同溫度T1、T2下的均勻黑體，得到2個(gè)入射輻照度φ(T1)和φ(T2)作為定標(biāo)點(diǎn)，分別測得各探測器的響應(yīng)Vij(T1)和Vij(T2)：
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將(11)式、(12)式的計(jì)算結(jié)果代入(6)式，便可得到對各輸出響應(yīng)非均勻性校正的結(jié)果。
2.2 積分時(shí)間校正
在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要根據(jù)目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度修改探測器積分時(shí)間。而對圖像進(jìn)行了非均勻性校正后，即使效果良好，若改變探測器的積分時(shí)間，由于其讀出電路、器件、放大電路的離散特性及工藝差異，圖像的均勻性仍會(huì)明顯變差[7]。這種現(xiàn)象本質(zhì)上是由于各個(gè)探測單元輸出電路對積分時(shí)間響應(yīng)的非一致性引起的。因此，在兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻性校正之前，應(yīng)先對積分時(shí)間采用一點(diǎn)校正法，把各個(gè)探測器的輸出信號(hào)校正為一致。
在均勻輻照強(qiáng)度下，積分時(shí)間為t1時(shí)獲取整幅圖像M×N個(gè)像素單元灰度值的平均值，用如下公式表示：
式中，fij(t)為積分時(shí)間t時(shí)第(i,j)個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，fij′(t)為其校正后的灰度值。
3 校正系統(tǒng)組成及工作原理
3.1 硬件組成
系統(tǒng)從功能上由圖像采集、DSP數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)部分、圖像輸出、時(shí)序控制和邏輯轉(zhuǎn)換四部分組成。其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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圖像采集部分包括IRFPA和同步FIFO芯片，采用IDT公司生產(chǎn)的一款高速同步FIFO芯片IDT72V263，芯片的深度為8 K，寬度為18位，時(shí)鐘頻率為100 MHz，讀寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過異步FIFO，可以與DSP芯片實(shí)現(xiàn)無縫連接[8]。
DSP數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)部分主要包括DSP、Flash、SDRAM和DSP外圍電路，其中，F(xiàn)lash用于存放DSP程序和非均勻性校正參數(shù)(NUC表)，SDRAM用于存放校正前后的圖像數(shù)據(jù)。該模塊是系統(tǒng)的主體部分，其主要功能是對采集的圖像進(jìn)行非均勻校正、對比度增強(qiáng)等。DSP芯片選用了定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5509A，其時(shí)鐘頻率最高可達(dá)200 MHz，具有雙乘法器和2個(gè)算術(shù)/邏輯單元，3條內(nèi)部數(shù)據(jù)/操作數(shù)讀總線和2條內(nèi)部數(shù)據(jù)/操作數(shù)寫總線，片上有128KB×16bit的RAM和64KB(32KB×16bit)的ROM，同時(shí)它還具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，功能十分強(qiáng)大。Flash芯片選用SST39VF400，該芯片的容量為256 K×16 bit， 3.3 V供電，可以刷寫1 000次讀寫時(shí)間為70 ns-90 ns( 11 MHz～14 MHz)。SDRAM選用一片4 MB×16 bit、100 MHz 的MT48LC4M16A2芯片，由于TMS320VC5509A只支持16 bit的數(shù)據(jù)寬度，因此將DSP的字節(jié)使能引腳BE1、BE0分別與SDRAM的DQMH、DQML對接，即可實(shí)現(xiàn)DSP和MT48LC4M16A2的無縫連接。
圖像輸出部分主要是利用TMS320VC5509A自帶的USB模塊，將處理完的圖像通過USB接口直接傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行顯示。
時(shí)序控制和邏輯轉(zhuǎn)換部分主要是由CPLD及其外圍電路完成。其主要任務(wù)是控制圖像數(shù)據(jù)的輸入時(shí)序以及DSP對Flash的擴(kuò)展地址鎖存。CPLD芯片采用EPM7128SLC84-15，它具有2 500個(gè)可用門、128個(gè)宏單元、8個(gè)邏輯陣列塊、最多可用I/O引腳為98個(gè)。它還支持多電壓I/O接口特性，允許與不同電壓器件相連。
3.2 工作原理
系統(tǒng)充分利用DSP的GPIO6口和GPIO4口，通過控制這兩個(gè)端口的狀態(tài)來完成系統(tǒng)的工作。當(dāng)DSP完成初始化后，令GPIO6=1，開始采集一幀圖像，開啟外部中斷，當(dāng)外部中斷0產(chǎn)生時(shí)，則進(jìn)入圖像采集子程序，在該程序中DSP每采完一行圖像數(shù)據(jù)，行計(jì)數(shù)器j減1，然后判斷j是否為0，即判斷是否采完1幀圖像，若未采滿1幀，直接中斷返回；若采滿1幀(j=0)，則關(guān)閉中斷，暫時(shí)不再響應(yīng)CPLD發(fā)出的中斷，然后再返回。而主程序在判斷j是否為零期間一直處于等待狀態(tài)，直到j(luò)=0，則令GPIO6=0，停止采集圖像數(shù)據(jù)。1幀圖像采集完畢后按下DSP的復(fù)位鍵，再采集另一幀圖像。當(dāng)兩幅圖像采集完畢后，若GPIO4=0，則進(jìn)行參數(shù)采集，即DSP將兩幅圖像轉(zhuǎn)存入SDRAM中，計(jì)算非均勻性校正系數(shù)，將NUC表存入Flash; 若GPIO4=1,則進(jìn)行圖像處理，即根據(jù)所計(jì)算的參數(shù)，對圖像進(jìn)行非均勻性校正。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示，中斷流程圖如圖3所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用像元數(shù)為128×128的紅外焦平面陣列進(jìn)行紅外圖像非均勻性實(shí)時(shí)校正實(shí)驗(yàn),分別把校正前和校正后的圖像進(jìn)行灰度映射，之后轉(zhuǎn)換成.bmp圖像文件在VC環(huán)境下輸出，得到圖4、圖5所示的圖像，按(1)式對校正前后的圖像數(shù)據(jù)(電平值)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的非均勻性分別為9.5 %和2.9 %，校正后圖像的非均勻性降低了近70 %。可見非均勻性得到了很好的改善。
由于采用了具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的DSP器件，并且在校正過程中對實(shí)時(shí)校正程序采用了匯編級(jí)優(yōu)化，使校正系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性和通用性得到了顯著提高，經(jīng)過本系統(tǒng)處理的紅外圖像其非均勻性也得到了顯著提高。
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