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，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?？紤]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 %?？梢姺蔷鶆蛐缘玫搅撕芎玫母纳?。
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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