采用FPGA+ARM方案實現(xiàn)紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)的設計

人類接收的信息約有70%來自視覺。因此，圖像采集及處理設備在人們的日常生活中占有很重要的地位。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及及帶寬的提高，使得圖像的網(wǎng)絡傳輸成為可能，且應用范圍越來越廣，為人們的日常生活帶來了極大的便利。同時，隨著非制冷紅外技術的發(fā)展，紅外熱像系統(tǒng)在軍用和民用領域得到了廣泛的應用。根據(jù)美國紅外市場權威調查機構MaxtechInternational發(fā)布的2006年度紅外市場報告，2003年至2006年全球民用紅外熱像儀的平均增長幅度為17%，并且正展現(xiàn)出更廣闊的市場需求。
由此可見，便于應用的紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)具有良好的應用前景，適用于森林防火，監(jiān)控系統(tǒng)，電力設備，航空航天，石化，建筑，冶金，交通，邊防海防等方面。
嵌入式紅外網(wǎng)絡視頻傳輸系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分由視頻采集模塊，視頻編解碼模塊，圖像處理模塊，數(shù)據(jù)壓縮模塊，網(wǎng)絡傳輸模塊等組成;軟件部分采用嵌入式操作系統(tǒng)設計。
紅外網(wǎng)絡視頻傳輸具有良好的應用前景和商業(yè)價值，本項目的核心在于紅外處理，盡管目前紅外處理算法已經(jīng)相對成熟，但仍然存在不少弊端，所以本項目力求在原有算法的基礎上提出創(chuàng)新。
本項目計劃采用virtex2或spartan3e芯片，將紅外處理算法模塊集成于FPGA內部，包括濾波，非均勻性校正，灰度拉伸，偽彩增強等部分，通過ISE開發(fā)平臺設計各個算法模塊，并通過XPS將用戶IP集成于硬件系統(tǒng)上，通過內置MAC地址及IP的方式將處理完畢的圖像或視頻信息通過以太網(wǎng)傳輸至PC客戶端。
項目信息
1.項目名稱：基于SOPC的紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)
2.應用領域：森林防火，監(jiān)控系統(tǒng)，電力設備，航空航天，石化，建筑，冶金，交通，邊防海防
3.系統(tǒng)平臺概述與資源分析：
硬件系統(tǒng)組圖如下：
采用FPGA+ARM方案實現(xiàn)紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)的設計
采用FPGA+ARM方案實現(xiàn)紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)的設計
圖1基于SOPC的紅外視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)
本框架采用FPGA+ARM的方案，可分為三個部分：前端圖像采集模塊（由CPLD、A/D、CCD等構成）;FPGA模塊（采用Spartan-3ADSPXA3SD1800A）和ARM模塊。由圖像采集模塊進行紅外圖像采集，并把采集的圖像灰度數(shù)據(jù)送FPGA模塊進行處理，處理完成后的數(shù)據(jù)送ARM模塊進行圖像控制顯示。在初步設計階段可不考慮ARM模塊，由FPGA直接控制顯示（本框架未對ARM模塊接口進行細化）。整體框架圖如圖1所示，其中對FPGA內部圖形處理算法模塊做了細化，數(shù)據(jù)處理流程分析如下。
在進行圖形處理過程中，由于FPGA可以最大化的進行并行運算，所以不僅可考慮算法模塊內部多個像素之間的并行處理，也要考慮算法模塊之間的并行性，如在進行一幀圖像的濾波時，可同時進行上一幀圖像的校正。
各個算法模塊實現(xiàn)如下

圖2校正系數(shù)

圖3校正偏移

圖4非均勻性校正

圖5灰度拉伸

圖6均值濾波
4.創(chuàng)新點及關鍵技術：
精確溫度標定技術：開發(fā)出高性能的嵌入式軟件對成像儀的每個像素進行溫度標定，溫度標定穩(wěn)定可靠，精度高;
紅外焦平面陣列實時非均勻性校正算法及實現(xiàn)：決焦平面陣列的非均勻性問題顯得尤為重要，項目對傳統(tǒng)非均勻進行深入研究的同時，開發(fā)出多種自適應校正算法，提高紅外成像系統(tǒng)的校正精度;
圖像噪聲預處理技術：由于圖像在采集、傳輸過程中混入了噪聲，如果不被預先消除將進一步影響圖像的處理和顯示效果，為此對圖像進行濾波預處理，以消除圖像中混入的噪聲，為后繼圖像處理、顯示打下基礎;
嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)：項目采用基于的FPGA+ARM的雙核架構。提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的穩(wěn)定性，獲得整個紅外成像系統(tǒng)的實時性能;
紅外圖像增強處理技術：項目在實施校正算法的基礎上，提出對圖像進行增強處理研究，以提高圖像的對比度，進一步改善圖像視覺效果。紅外圖像偽彩色處理的運用，利用人眼視覺對顏色分辨的敏感性，對圖像中不同灰度等級的目標以不同的顏色進行標識，以突出目標細節(jié)和特征，進一步提高圖像目標分辨能力和圖像顯示質量。