基于fpga的紅外視頻模擬視頻顯示

基于fpga的紅外視頻模擬視頻顯示

0視頻顯示系統(tǒng)為了實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)的位置和范圍，紅色搜索跟蹤系統(tǒng)通常需要配置顯示設(shè)備。顯示設(shè)備可以通過相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的窗口和拼寫顯示。因此，視頻顯示具有引擎功能，是紅色搜索跟蹤系統(tǒng)不可或缺的一部分。當(dāng)前,通過標(biāo)準(zhǔn)電視監(jiān)視器來顯示模擬紅外視頻信號(hào)輸出是國(guó)內(nèi)紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的普遍用法。監(jiān)視器的最大分辨率為768×576,可以顯示PAL制和NTSC制的圖像信號(hào)。由于近幾年來越來越發(fā)達(dá)的紅外探測(cè)器制造技術(shù)使得探測(cè)器的幀頻變高,原有的標(biāo)準(zhǔn)電視監(jiān)視器已經(jīng)無法顯示1280×1024甚至更高的分辨率的視頻圖像。因此采用更高分辨率的顯示設(shè)備顯得尤為必要。一般電腦顯示器具有模擬和數(shù)字兩種接口。模擬顯示在市場(chǎng)上用的比較多,但是它對(duì)數(shù)字圖像信息的處理方式分為兩種情況,一種是對(duì)于模擬顯示設(shè)備,如CRT顯示器等,可以直接顯示由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào),另一種是數(shù)字顯示設(shè)備,如液晶顯示器等,由于它只能顯示數(shù)字信號(hào),所以需要A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,但是兩次的轉(zhuǎn)換必然會(huì)帶來圖像細(xì)節(jié)的缺損。因此,迫切需要一種可以直接傳輸和顯示數(shù)字圖像信號(hào)的系統(tǒng)來減少細(xì)節(jié)的損失。目前應(yīng)用普遍的數(shù)字顯示器標(biāo)準(zhǔn)接口是DVI接口和HDMI接口,這兩種接口的區(qū)別表現(xiàn)為HDMI接口除了傳輸數(shù)字視頻信號(hào)之外也能傳送音頻信號(hào),而紅外告警跟蹤設(shè)備中不需要進(jìn)行數(shù)字音頻的傳輸,所以本文選用了DVI接口,并介紹了其顯示原理以及在紅外告警跟蹤系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1別采集模塊紅外視頻實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)由5個(gè)模塊組成,分別是光纖圖像采集模塊、紅外圖像轉(zhuǎn)換模塊、DDR圖像乒乓緩存模塊、DVI時(shí)序產(chǎn)生模塊、字符信息顯示模塊。光纖圖像采集模塊通過Aurora協(xié)議1.2vesa標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序產(chǎn)生系統(tǒng)中采用TFP410支撐DVI接口標(biāo)準(zhǔn)本系統(tǒng)中采用的紅外探測(cè)器的規(guī)格為640×512的分辨率,探測(cè)器的幀頻為100Hz,系統(tǒng)中從光纖接收紅外圖像數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率為62.5MHz,為了完全顯示該系統(tǒng)的紅外視頻圖像DVI時(shí)序產(chǎn)生模塊是該系統(tǒng)顯示部分的關(guān)鍵所在,最終輸出的行、場(chǎng)同步信號(hào)必須嚴(yán)格按照VESA時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào),本系統(tǒng)采用的時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)按表1中的800×600@60Hz視頻格式輸出,圖2為該系統(tǒng)按照表1中的時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)輸出的時(shí)序圖。1.3紅外設(shè)備探測(cè)器視頻輸出由于紅外告警跟蹤設(shè)備采集的紅外圖像數(shù)據(jù)幀頻為100Hz,而VESA標(biāo)準(zhǔn)中800×600時(shí)序里面沒有刷新頻率為100Hz的視頻,且800×600@60Hz的視頻格式每秒的刷新頻率為60幀,因此,該系統(tǒng)并不能完整顯示紅外告警跟蹤設(shè)備采集的100幀圖像,最多顯示60幀,為了盡可能多地顯示不同幀數(shù)的圖像,本文采用的方法是從相鄰的5幀紅外圖像里面截取3幀,相當(dāng)于從每100幀里面截取60幀進(jìn)行顯示。視頻輸出800×600@60Hz的刷新頻率為60Hz,與紅外設(shè)備探測(cè)器100Hz的幀頻速度不等并且視頻數(shù)據(jù)的輸入速率大于顯示輸出速率,為了防止數(shù)據(jù)的丟失,必須要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存操作。本系統(tǒng)采用兩片DDR3緩存圖像數(shù)據(jù),采用圖3中所示的緩存機(jī)制實(shí)現(xiàn)兩片DDR乒乓操作,即從紅外設(shè)備輸出的前5幀圖像中截取幀號(hào)為1、3、5的圖像存儲(chǔ)在DDR-A里面,從DDR-B里面讀出數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)紅外圖像的第6幀~第10幀圖像到來時(shí),截取幀號(hào)為6、8、10的圖像存儲(chǔ)于DDR-B中,再?gòu)腄DR-A中讀出前面存儲(chǔ)的3幀圖像。1.4原始紅外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換大多數(shù)紅外設(shè)備探測(cè)器采集的紅外圖像數(shù)據(jù)深度為14bit或16bit,而常規(guī)顯示器能顯示的數(shù)據(jù)為24bit,所以常規(guī)顯示器最多只能顯示圖像數(shù)據(jù)深度為8bit的灰度數(shù)據(jù)。要完成將14bit的原始紅外數(shù)據(jù)輸出顯示到常規(guī)顯示器上,必須對(duì)原始紅外數(shù)據(jù)位寬進(jìn)行壓縮。本文采用如下方式完成原始紅外數(shù)據(jù)從14bit到8bit的轉(zhuǎn)換:1)對(duì)每一幀的圖像數(shù)據(jù)直方圖均衡化;2)對(duì)直方圖均衡化處理后的每一幀圖像數(shù)據(jù)求取灰度平均值A(chǔ)verage、灰度最大值MAX和灰度最小值MIN;3)映射關(guān)系如圖4所示,將原始圖像平均值映射到64,平均值到UPPER之間和平均值到DOWN之間分別進(jìn)行線性映射,DOWN到MIN全部映射到0,UPPER到MAX全部映射到255。對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化的目的是防止圖像過亮或過暗,壓縮原始圖像的動(dòng)態(tài)范圍。原始紅外圖像數(shù)據(jù)經(jīng)14bit~8bit的轉(zhuǎn)換后,使得原始圖像的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行了壓縮,勢(shì)必會(huì)影響原始圖像的質(zhì)量,以及原始圖像中的細(xì)節(jié)成分,使得原始圖像的顯示質(zhì)量下降,為了提高紅外圖像顯示的質(zhì)量,盡可能多地包含原始紅外圖像的細(xì)節(jié)成分,可以對(duì)轉(zhuǎn)換后的圖像進(jìn)行雙邊濾波處理,以增強(qiáng)圖像中的細(xì)節(jié)成分,提高原始圖像的顯示質(zhì)量。1.5字段顯示為了實(shí)現(xiàn)紅外視頻中目標(biāo)相關(guān)信息2外場(chǎng)視頻顯示效果該紅外視頻采集與顯示系統(tǒng)該紅外視頻采集與顯示系統(tǒng)已成功應(yīng)用于紅外偵察告警的項(xiàng)目實(shí)例中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)偵察告警設(shè)備中的信號(hào)處理箱輸出幀頻為100Hz紅外圖像的數(shù)據(jù)采集,完成了對(duì)圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及乒乓存儲(chǔ)和乒乓讀出顯示,顯示刷新頻率60Hz。其有著良好的紅外視頻顯示效果并實(shí)時(shí)更新視頻及相關(guān)信息。該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果圖如圖7、圖8所示,圖7為該系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示模擬器輸出的視頻數(shù)據(jù),圖8為外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)采集的實(shí)時(shí)視頻顯示效果圖。本系統(tǒng)基于FPGA硬件開發(fā),用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了圖像的直方圖均衡化、圖像深度的轉(zhuǎn)換以及基于光纖通信的高速率、高幀頻紅外視頻數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。采用TFP410實(shí)現(xiàn)視頻的DVI格式編碼,輸出的視頻數(shù)據(jù)格式能直接接入市場(chǎng)上常用的顯示器,適應(yīng)了視頻顯示的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明該視頻采