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)為了實時監(jiān)控目標的位置和范圍，紅色搜索跟蹤系統(tǒng)通常需要配置顯示設備。顯示設備可以通過相關技術實現(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。當前,通過標準電視監(jiān)視器來顯示模擬紅外視頻信號輸出是國內(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。由于近幾年來越來越發(fā)達的紅外探測器制造技術使得探測器的幀頻變高,原有的標準電視監(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。模擬顯示在市場上用的比較多,但是它對數(shù)字圖像信息的處理方式分為兩種情況,一種是對于模擬顯示設備,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,另一種是數(shù)字顯示設備,如液晶顯示器等,由于它只能顯示數(shù)字信號,所以需要A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行轉(zhuǎn)換,但是兩次的轉(zhuǎn)換必然會帶來圖像細節(jié)的缺損。因此,迫切需要一種可以直接傳輸和顯示數(shù)字圖像信號的系統(tǒng)來減少細節(jié)的損失。目前應用普遍的數(shù)字顯示器標準接口是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)字視頻信號之外也能傳送音頻信號,而紅外告警跟蹤設備中不需要進行數(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)中的實現(xiàn)方法。1系統(tǒng)設計1.1別采集模塊紅外視頻實時采集與顯示系統(tǒng)由5個模塊組成,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標準時序產(chǎn)生系統(tǒng)中采用TFP410支撐DVI接口標準本系統(tǒng)中采用的紅外探測器的規(guī)格為640×512的分辨率,探測器的幀頻為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時序產(chǎn)生模塊是該系統(tǒng)顯示部分的關鍵所在,最終輸出的行、場同步信號必須嚴格按照VESA時序標準產(chǎn)生相應的脈沖信號,本系統(tǒng)采用的時序標準按表1中的800×600@60Hz視頻格式輸出,圖2為該系統(tǒng)按照表1中的時序標準輸出的時序圖。1.3紅外設備探測器視頻輸出由于紅外告警跟蹤設備采集的紅外圖像數(shù)據(jù)幀頻為100Hz,而VESA標準中800×600時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,相當于從每100幀里面截取60幀進行顯示。視頻輸出800×600@60Hz的刷新頻率為60Hz,與紅外設備探測器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,必須要對圖像數(shù)據(jù)進行緩存操作。本系統(tǒng)采用兩片DDR3緩存圖像數(shù)據(jù),采用圖3中所示的緩存機制實現(xiàn)兩片DDR乒乓操作,即從紅外設備輸出的前5幀圖像中截取幀號為1、3、5的圖像存儲在DDR-A里面,從DDR-B里面讀出數(shù)據(jù)顯示,當紅外圖像的第6幀~第10幀圖像到來時,截取幀號為6、8、10的圖像存儲于DDR-B中,再從DDR-A中讀出前面存儲的3幀圖像。1.4原始紅外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換大多數(shù)紅外設備探測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,必須對原始紅外數(shù)據(jù)位寬進行壓縮。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)對每一幀的圖像數(shù)據(jù)直方圖均衡化;2)對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Average、灰度最大值MAX和灰度最小值MIN;3)映射關系如圖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之間分別進行線性映射,DOWN到MIN全部映射到0,UPPER到MAX全部映射到255。對原始圖像進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,使得原始圖像的動態(tài)范圍進行了壓縮,勢必會影響原始圖像的質(zhì)量,以及原始圖像中的細節(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節(jié)成分,可以對轉(zhuǎn)換后的圖像進行雙邊濾波處理,以增強圖像中的細節(jié)成分,提高原始圖像的顯示質(zhì)量。1.5字段顯示為了實現(xiàn)紅外視頻中目標相關信息2外場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)已成功應用于紅外偵察告警的項目實例中,實現(xiàn)了對偵察告警設備中的信號處理箱輸出幀頻為100Hz紅外圖像的數(shù)據(jù)采集,完成了對圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及乒乓存儲和乒乓讀出顯示,顯示刷新頻率60Hz。其有著良好的紅外視頻顯示效果并實時更新視頻及相關信息。該系統(tǒng)的實際應用效果圖如圖7、圖8所示,圖7為該系統(tǒng)實時顯示模擬器輸出的視頻數(shù)據(jù),圖8為外場實驗采集的實時視頻顯示效果圖。本系統(tǒng)基于FPGA硬件開發(fā),用硬件平臺實現(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。采用TFP410實現(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上常用的顯示器,適應了視頻顯示的發(fā)展趨勢。實驗表明該視頻采