摘 要: 针对红外焦平面阵列非均匀性多点校正过程中涉及的数据量大,难于实现实时校正的特点,提出了利用TMS320DM642 DSP硬件对红外焦平面阵列进行多点实时校正。利用DSP的硬件乘法器和加法器能够高速有效地实现红外焦平面阵列的非均匀性校正。实验结果表明利用DSP实现红外焦平面阵列实时非均匀性校正方法简单灵活,图像效果理想,能够很好地满足红外焦平面阵列成像系统实时性能的要求。
0 引言
在理想情况下,红外焦平面阵列受到均匀黑体辐射时,其输出响应幅度应该均匀一致。而实际上,由于受制作器件的半导体材料不均匀(杂质浓度、晶体缺陷、内部结构的不均匀性等)、掩模误差、缺陷、工艺条件等的影响,其输出幅度并不相同,这就是所谓的红外焦平面阵列响应的非均匀性[1]。对于单点扫描方式来说不存在非均匀性问题,线阵扫描方式中的非均匀性存在于线阵方向,而焦平面阵列的非均匀性存在于整个焦平面上。愈是大面阵器件,非均匀性问题就愈突出。由于红外焦平面阵列成像是红外成像技术发展的主要方向,其代替第一代红外光机扫描成像系统已是大势所趋,但红外焦平面阵列固有的非均匀性严重影响了红外成像系统的成像质量,因此红外焦平面阵列在使用前必须进行非均匀性校正,希望通过非均匀性校正来提高红外焦平面阵列均匀性。而在红外焦平面阵列的非均匀性校正过程中所涉及的数据量大,算法复杂,这就要求图像处理系统必须具有强大的运算处理功能。TMS320DM642 DSP是TI公司TMS320家族中最新器件之一,其运行速度高达1 600MIPS,因此可以很好地应用在实时红外图像处理系统中。在众多的红外焦平面阵列的非均匀性校正算法中,只有线性校正方法理论较成熟,在实际中获得了应用。本文以校正精度较高的多点校正为例来阐述利用DSP硬件进行红外焦平面阵列的实时非均匀性校正过程。
1 校正方法的实现原理
红外焦平面阵列非均匀性校正方法可以分为标定校正和自适应校正。通常使用的两点校正方法和多点校正方法属于标定校正,其中两点校正方法是建立在红外焦平面阵列元响应是线性定常的假设下,其线性响应模型为
这种假设是理想化的,实际情况并非如此。对于非均匀性较大或离标定点较远的部分,经两点校正后残留的非均匀性大,校正的效果差。同时,该方法校正后的动态范围小,当辐照度变化较大时,会引入较大的误差。因此,两点校正方法适用于像元响应线性好或非均匀性小、工作范围较窄的器件。为了提高校正精度,可采用多点校正方法来降低非线性带来的误差,并且标定点愈多,校正精度愈高。图1为四点校正的响应曲线。图中R为阵列元的响应输出,为均匀辐射通量。
2 多点校正方法的实现原理
多点校正法可以通过分段线性校正来实现。在每个标定区间内,方法如同两点校正方法,将各个像元的非线性响应当作线性响应来处理,通过平移和旋转来校正为一致,从而把多个像元的非线性响应校正为一致。多点校正的通用公式推导过程如下:在光路中插入均匀辐射的黑体,根据红外焦平面阵列探测单元的线性响应模型可得到每个像元在k个不同温T1, T2,…, Tk的黑体辐射下的响应输出数学表达式:
式(3)为多点校正的通用公式,其中,Kij(l)和Bij(l)分别为多点校正中第l个区间内的校正增益和校正偏移量,Xij()为校正输入值(像元响应值),Yij()为校正输出值。
3 校正方法的硬件实现
3.1 校正系统的构成
红外焦平面阵列多点校正系统由红外图像传感器、高速模数转换器(A/D)、现场可编程门阵列(FPGA)、双端口存储器、外围扩展存储器、高速数字信号处理器(DSP)及PC机构成。系统构成框图如图2所示。在多点校正过程中需要确定多个定标点,涉及到多组标定数据,因此系统在实现多点校正的过程中需要较大的数据存储空间。在本文中,该系统需要校正的面阵图像传感器大小为128×128(即16 K×8 bit),本实验需要4组标定数据,数据量大小为16 K×8 bit×4;三段标定区间有三组校正增益和校正偏移,数据量大小为16 K×8 bit×6。而系统中高速信号处理器(DSP)的内部存储空间有SDRAM为4 M×64 bit,FLASH为32 Mbit,故多点校正需要存储的数据量可以存储在DSP内部的FLASH存储空间。图2为多点校正方法的硬件原理框图。
3.2.2 校正过程
3.2 多点校正的实现过程
多点校正的具体过程可以分为两个阶段完成。
3.2.1 标定过程
多点校正的标定过程如下:
第一步,记录数据。用稳定的均匀光源照射非均匀化处理后的图像传感器,生成相同光强下每一个像元输出的不均匀数据,光照亮度由弱到强,逐一记录,直到像元达到饱和为止。光源同两点校正的光源。
第二步,保存四组标定数据。系统按四个灰度等级进行标定,在每一灰度等级处记录五组以上的数据,通过求其平均值确定每一灰度等级的标定值,并保存。
第三步,确定归一化值。对计算机保存的四组数据进行分析,确定灰度值最大的像元为标准像元,确定所有阵列元在不同温度下的响应归一化值。对于四点校正来说,有三段线性区间,对于每一线性区间都将有一组不同的归一化值Xn(l+1)和Xn(l)。三段线性区间如图1所示。
第四步,计算每段线性区间的校正增益Kij(l)和校正偏移量Bij(l),得到六组数据并保存。将第三步得到的三组归一化值,代入公式(2)计算出三组校正增益Kij(l)和校正偏移量Bij(l),然后由公式
(3)计算校正值。
系统中使用32 Mbit的FLASH来存放四组标定数据和三段线性区间的校正增益和校正偏移。在校正过程中,DSP要校正像元的数据和四组标定数据进行比较,确定落入的线性区间,然后按式(3)合成输出校正数据,即可实现多点实时校正。具体实现分如下几步:
第一步,三段线性区间内校正增益Kij和校正偏移量Bij的加载。将标定过程中保存的三组校正增益和校正偏移量通过上位机加载到DSP的外部扩展存储器,每组数据均按像元号数的递增依次存放,以便DSP进行处理。
第二步,启动非均匀性校正算法。当DSP收到A/D采集完一帧图像数据的中断信号后,将启动多
点校正子程序。A/D采集的数据由DMA传输到DSP内部存储空间SRAM。
第三步,校正数据的生成。多点校正程序启动后,DSP将按照A/D采集数据的先后次序,依据多点校正算法依次对每个像元的输入值进行实时校正计算,并保存校正后的数据,这样就实现了多点实时校正。
第四步,图像的显示。将校正前后的图像数据送到上位机进行显示,以验证实时校正算法的正确性。
4 实验结果
用可见光的CMOS图像传感器代替128×128热释电红外焦平面阵列,进行多点实时校正实验,实验结果如图3所示。图3为实验过程中保存的同一幅校正前后的图像。图3(a)为校正前的图像,图3(b)为校正后的图像。
校正后残余非均匀性的计算。采用非均匀性的第三种定义公式,计算红外焦平面阵列校正前后的残余非均匀性。计算公式如下:
其中,
式中,NU为焦平面阵列的非均匀性,Vij为焦平面上第i行第j列所对应像元的输出信号,Voavg为焦平面上所有有效像元的视频信号平均值,M和N分别为焦平面阵列的行数和列数,d为焦平面阵列中的死像元数,h为焦平面阵列中的过热像元数。对一幅等灰度图像数据,利用多点校正公式进行校正前后图像的残余非均匀性的计算。校正前图像的残余非均匀性为26.2%,校正后的图像的残余非均匀性为1.5%。
5 结论
目前,红外焦平面阵列成像已成为红外成像技术的发展趋势,但红外焦平面阵列固有的非均匀性严重限制了红外成像系统的性能,因此在使用过程中必须对红外焦平面阵列非均匀性进行有效校正。而本文提出的基于TMS320DM642 DSP硬件的正方法能够实现红外焦平面阵列实时非均匀性校正,实验结果表明:本文校正方法的实时校正精度达到了1.5%,能够满足工程应用要求。
参考文献:
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[3] 陈宝国,郑志伟,黄士科.利用FPGA实现红外焦平面器件的非均匀性校正[J].红外与激光工程,2000,29(4):55-57.
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作者简介:代少升(1974-),男,河南潢川人,博士,副教授,主要从事图像信号处理及系统的研究。
