DSP在电气工程中的应用.docx
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DSP在电气工程中的应用
DSP在电气工程中的应用
基于DSP的红外图像处理的算法研究与实现
班级：
电气0803
姓名：
安华
学号：
3080501071
基于DSP的红外图像处理的算法研究与实现
摘要
红外测温具有非接触式、快速准确等特点，其广泛运用于高温高压、快速移动场合中图像温度的测量，随着DSP技术的应用，红外测温成为当前国内外测温领域研究的热点。
本文的主要工作是对基于DSP红外图像处理的算法进行了研究，并实现在TMS320VC33硬件环境下，运用C语言和汇编语言对红外图像处理的算法进行混合编程。
本论文充分研究了红外测温与图像处理的基础理论及DSP的相关技术，完成了以下研究工作：
1、在分析红外图像直方图特性的基础上，研究了一种用于非均匀性校_j_：
F的时域高通滤波改进算法，改善了图像的视觉效果，并提高了测温的精确度；
2、针对红外图像分辨率低、图像对比度不高的主要缺陷，研究了红外图像的直方图均衡算法和新编伪彩色编码算法。
均衡后的图像背景信息增强，图像显示的信息更加全面。
新编伪彩色编码算法使RGB三色搭配更加合理，并解决了狄度范围集中时图像难以辨别的问题；
3、研究了BP神经网络算法，建立了目标温度与图像灰度之间关系的数学模型，能够对目标温度进行快速测量和高精度标定；
4、对基于DSP的红外图像处理系统的基本组成进行研究，并在TM$320VC33环境下，完成对时域高通滤波改进算法和新编伪彩色编码等算法的混合编程，能够对图像进行实时处理，运算速度快，解决了DSP系统中的存储资源分配等关键性问题。
通过实验表明，基于DSP对红外图像处理的算法对图像处理效果明显，温度标定准确；在TMS320VC33硬件环境下算法工作稳定，运行良好。
关键词：
红外图像；非均匀校正；图像增强；DSP；温度测量
1、概论
把目标产生的不可见红外辐射转换成可见光图像进行显示的技术称作热成像技术。
热成像技术在光电子技术、红外系统仿真、光电成像制导等领域中有着重要的作用，红外热像系统以其工作光谱波段较长、对成像辐射大气透射比良好等特点成为现代军事不可缺少的一种高科技侦察与作战手段。
国内外军方都认为能全天候工作的红外热像仪是进行夜战的最好工具。
红外热成像系统具有一定的穿透烟、雾、雪等限制以及识别伪装的能力，不受战场上强光、闪光干扰而致盲，从而使得人眼可以在白天、黑夜以及恶劣的气候条件下进行观测。
由于红外热成像技术这一特点，使得其在军事上得到广泛的应用。
同时，该技术在工业监控、控制等民用方面也起着很大的作用。
由于利用红外热成像技术实现温度监控和检测有着非接触、使用方便、实时快速、测温范围宽、形象直观等优点，因此在建筑、电力工业、石油化工、航天航空、质量检测及冶金等许多工业部门有着越来越广泛的作用。
红外探测器是决定红外成像质量的决定性条件。
红外探测器主要包括基于光电效应的光电探测器和基于热电效应的热电探测器。
基于HgCdTe，InSb和PtSi材料的光电探测器曾经使热成像技术得到迅速发展，这类探测器有着较高的灵敏度和响应速度，但为提高信噪比，此类探测器需在远低于环境温度的条件下才能高效工作，即需要制冷，故在工业等民用领域一直难于广泛应用。
以往的热电探测器有低功耗、低成本、长寿命、小型化和可靠性强的特点，可受到灵敏度和响应速度的限制，应用也不是很广。
非致冷红外焦平面技术属于热电探测器类热成像技术，其焦平面阵列有热探测器（如测辐射热计、热释电探测器、热电堆等）与硅多路传输器（如CCD、MOSFEF、CMOS读出电路等）。
随着近年来非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷红外热像技术相比所具有的优势得到很好发挥，使得非制冷红外焦平面探测器在红外热成像领域中有着越来越重要的地位…。
红外图像表征景物的红外辐射分布，它决定于景物发射率和温度的空Il自J分布，并受到噪声的干扰。
由于景物温度按照梯度规律传播，以及红外辐射的衍射效应比可见光较强烈，从而导致红外图像具有较高的相关性，其对比度往往比可见光图像弱，红外图像的视觉效果较为模糊，加上由于焦平面阵列元响应率的不一致、电荷传输效率、1／f噪声以及环境温度变化等诸多因素造成的图像的非均匀性进一步损害了图像质量，所以必须采取非均匀性校正、滤波去噪、伪彩色变换等处理来改善图像质量。
热探测器将接收到的视场内所有物体的热辐射能量转换为电信号输出，一般来说某点温度越高，辐射能就越大，相应热探测器单元输出电压信号就越大，故而电压信号输入到显示器所对应热图像相应像素点的亮度就越高。
这说明在条件不变的情况下，一定温度范围内，像素灰度值与物体温度之间存在着某种固定的对应关系，这就使得利用红外图像进行温度测量成为可能。
2、红外测温原理
自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，就会不断地发射辐射能。
因此，从理论上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过重新排列来自探测器的信号，形成与景物辐射分布相对应的热图像。
红外辐射是物质分子在其振动状态发生改变时辐射出的电磁波，波长在0．76p．m．1000p．m之间，辐射体在2000K以下的热辐射主要表现为红外辐射。
通常把红外光谱区分成近红外区（O．75ttm-3．0p．m），中红外区（3．0p．m一6．0p．m），远红外区（6．01am．159m）和极远红外区（15um．1000rtm）。
红外辐射有几个特定的波长范围对大气有一较好的穿透性，称为“大气窗口”。
红外热成像技术就是在红外波段3／am．6p．m和8um一14ttm两个大气窗口，利用场景中物体本身的热辐射，将热目标红外图像转换为可见光图像。
红外测温就是根据这个原理。
3、红外研究现状
红外测温技术作为一门非接触性测温技术在温度测量领域内已有一定的历史，特别是在军事工业领域和军事用途产品中获得了一定程度上的开发应用。
由于非制冷红外焦平面红外探测器有着重量轻、功耗低等优点，本文设计的系统采用了非制冷红外焦平面探测器作为成像工具。
目前非致冷红外焦平面热成像主要有4种技术途径，即电阻测辐射热计焦平面技术、热释电焦平面技本、热电堆焦平面技术和常规集成电路技术。
这4种途径分别通过如下方法检测温度变化：
电阻测辐射热计是通过热敏电阻材料的温度变化而变化的吸收层温度来检测：
热释电探测器是通过检测与吸收材料温度变化率有关的电压输出来检测温度变化；热电堆探测器则是检测吸收层与参考热层（一般是探测器的底）间的温差；常规集成电路技术是根据测量正向电压变化来检测温度变化。
由于辐射测温本身的特点所限制，电压～温度眭线只能在较小范围内近似看为直线，所以，传统的模拟式测温仪难以做到宽量程、高精度、多功能。
微处理机的发展对红外测温起了很大的
促进作用，使测量仪表的功能扩大，并简化了控制系统。
使用微机技术的红外测温仪灵活性好，仪器的测温范围改变和扩大都十分方便，容易实现温度的自动控制。
采用高位A／D转换，仪器的分辨率和精度可以进一步改善，稳定性和可靠性进一步提高。
随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型测温仪器正逐步替代传统的测试手段。
目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力（如自动人工目标分类），便携式整机配个人计算机可产生实时、高分辨力图像来解决研究领域和工业领域中的问题。
世界上除了一些大军工企业公司（如美国的Honeuwe儿公司、休斯飞机公司）之外，许多大商业公司（如三菱电气、日本横河电机（株）、瑞典AGA公司、法国Pyro公司、Sofradier公司、HGH红外系统工程公司等）也正在积极从事红外测温、热成像技术的研究及产品开发。
在国内，近年来随着我国工业迅速发展和产品更新换代的加速，对测温仪器的需求量越来越大，尽管热电偶（热电阻）一类接触性测温传感器件仍然具有很大的优势，但非接触性的红外测温仪器正日益受到各行业的关注。
4、红外图像产生机理和特征
红外图像反映了目标和背景不可见红外辐射的空间分布，其辐射亮度分布主要由被观测景物的温度和发射率决定，因此红外图像近似反映了景物温度差和辐射差。
但是，通过图2．I可以看出，从目标和背景的红外辐射需经过大气传输、光学成像、光电转换和电子处理等过程，才被转换成为红外图像，所以红外图像的特点要从它的产生过程来分析。
4.1红外图像直方图特征
直方图是用来表达一帧图像灰度级分布情况的统计图表。
直方图的横坐标是灰度，一般用r表示。
对数字图像，纵坐标是灰度值为r。
的像素个数或出现这个灰度值的概率p（r，）。
对于数字图像f（x，y），设图像灰度值为ro，rl，…，rk．1，则概率密度函数a．像素数一灰度级坐标形式；b．像素数相对于最频值的百分比一灰度级坐标形式。
直方图的性质：
（1）直方图是图像阈值面积函数导数的负值，即
对于离散函数，AD=l，等式变为
（2）表示图像中每一灰度级出现的频数而失去了具有该灰度级的像素的位置信；
（3）图像与直方图之间是多对一的映射关系；
（4）一幅图像各子区直方图之和等于该图像的全图直方图。
一幅图像的直方图可以提供下列信息：
（1）每个灰度级上像素出现的频数；
（2）图像像素值的动态范围；
（3）整幅图像的平均明暗；
（4）图像的整体对比度情况。
因此，在图像处理中直方图是很有用的决策和评价工具。
直方图统计在对比度拉伸、灰度级修正、动态范围调籀、图像亮度调整、模型化等图像处理方法中发挥了很大作用，从后面的讨论可以看到直方图的意义。
4.2红外图像直方图特点
由于红外图像在成像方面与可见光迥然不同的特点，其直方图也有自己的特点，这里把灰度图像与红外图像及其直方图作以下比较。
如图2．2和2．3。
根据理论分析、实验结果以及与灰度图像直方图的比较，可以得出红外图像直方图具有以下特点：
（1）像素灰度值动态范围不大，很少充满整个灰度级空间。
灰度图像的像素则分布于几乎整个灰度级空间。
（2）绝大部分像素集中于某些相邻的灰度级范围，这些范围以外的灰度级上则没有或只有很少的像素。
灰度图像的像素分布则比较均匀。
（3）直方图中有明显的峰存在，多数情况下为单峰或双峰（分为主、次峰1扶度图像直方图的峰不如红外图像明显，一般多个峰同时存在。
对于自然景物，在一个局部的小范围内，由于总存在热平衡的趋势，不同景物之间相互影响，加上系统信号的传输与光电转换等环节造成的衰减和误差，使得输出的红外图像中含有温差，但这种温差不可能很大。
因此根据上述理论，决定了红外图像热细节对比度很低、相关性强等特征，红外图像特征具体如下：
（1）红外热图像表征景物的温度分布，是灰度图像，没有彩色或阴影（立体感）故对人眼而言，分辨率低、分辨潜力差；
（2）由于景物热平衡、光波波长长、传输距离远、大气衰减等原因，造成红外图像空间相关性强、对比度低、视觉效果模糊；
（3）热成像系统的探测能力和空间分辨率低于可见光CCD阵列，使得红外图像的清晰度低于可见光图像；
（4）外界环境的随机干扰和热成像系统的不完善，给红外图像带来多种多样的噪声，比如热噪声、散粒噪声、1／f噪声、光子电子涨落噪声等等。
这些分布复杂的噪声使得红外图像的信噪比比普通电视图像低。
（5）由于红外探测器各探测单元的响应特性不一致、光机扫描系统缺陷等原因，造成红外图像的非均匀性，体现为图像的固定图案噪声、串扰、畸变等。
5、基于DSP红外图像处理算法的实现
5．1红外测温系统的基本组成及原理
在本系统方案的硬件实现中，以DSPTMS320VC33—150作为硬件平台的核心器件，与FPGA／CPLD相结合实现图像实时处理。
系统主要由三部分组成：
图像采集模块；图像处理模块；图像显示模块。
各部分的作用如下：
图像采集模块的作用：
完成图像数据的采集和预处理。
将红外CCD输出的视频信号经过集成视频处理A／D之后，输出8位数字信号和相关的视频时序信号（经过锁相的像素时钟、行同步、场同步以及奇偶信号等），采集的图像数据送交FPGA／CPLD进行预处理，并将处理好的数据存放在双端口存储器中，随时供DSP读取。
图像处理模块的作用：
读取经过预处理后的图像数据，利用软件算法对每场图像进行增强处理、伪彩色编码以及温度的测量，达到温度标定图像处理的效果；图像显示模块的作用：
通过D／A及视频合成实现由数字信号向模拟信号的转变，并将模拟信号与同步信号进行生成全电视信号。
系统的总体框架如图5．I。
本系统的硬件实现采用了模块化设计策略。
FPCA的电路设计很容易实现硬件的调试和修改，i50MHZ的DSP芯片便于算法的有效实现，硬件系统与Pc机的接1：
3很容易实现系统测试，软件调试和系统仿真。
该硬件系统方案的实现为红外测温系统提供了可靠的硬件平台，为算法实现和温度的测量打下了坚实的基础。
5．2基于TMS320VC33为核心的硬件平台
5.2.1TMS320VC33的结构及特点
由于图像算法中有乘法和除法运算，而在FPGA内实现乘法和除法运算占用的资源较多、实时性不强，因此我们选用DSP芯片完成乘除运算。
为了提高精度，本文选用了TI公司的TMS320C3X系列TMS320VC33—150的浮点芯片。
TMS320VC33是TI公司推出的TMS320C3X系列一代浮点DSP，它是在原来的TMS324C3l浮点DSP的基础上开发的一个价格更低的版本，该产品以高速、低功耗、低成本、易于开发为显著特点。
由于它采用了内部1．8V、外部3．3V供电，因而功耗比原有型号降低了大约一个数量级，而且能支持高达150M／FLOPS的运行速度。
aTMS320VC33的硬件结构
TMS320VC33采用144脚LQFP四边形封装。
图6．2是其硬件功能结构图，它的主要性能如下：
（1）具有高速的浮点运算能力，其中TMS320VC33一150型在13ns单周期指令执行时间时为150MFLOPS和75MIPS；而TMS320VC33—120型在17ns单周期指令执行时间时为l20MFLOPS和60MIPS；
（2）带有34kx32位的片内双静态RAM，分为2个16k×32位块和2个lk×
32位块；
（3）内含5倍频的锁相环（PLL）时钟发生器：
（4）低功耗，在150MFLOPS下运行时，功耗低于200mW；
（5）带有32位的高性能CPU；
（6）可进行16／32位整数和32／40位的浮点操作；
（7）具有四个内部译码页选、大大简化与I／O及存储器的接口：
（8）带有启动程序装载功能；
（9）具有32位的指令字、24位的地址线；
（10）内含8个扩展精度寄存器；
（11）片内存储器可映射外设，其中包括一个串行口、2个32位定时器和一
个DMA；
（12）采TI公司的0．18umTlmeline制造技术；
（13）采用144管脚LQFP封装；
（14）带有2个地址发生器、8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元：
（15）具有两种低功耗模式：
（16）支持2个或3个操作数指令；
（17）在一个单指令周期内可并行进行算术／单元（ALU）和乘法器运算；
（18）具有块重复功能：
（19）可零开销循环和单周期分支；
（20）具有条件调用和条件返回指令；
（21）有互锁指令，可支持多处理器操作；
（22）总线控制寄存器配置选通控制等待状态数；
（23）采用1．8V内核，3．3VI／O供电；
（24）具有符合IEEE1149标准的片内扫描仿真接El（JTAG）。
bTMS320VC33的软件结构
（1）具有丰富的指令系统，它支持数据传送类、二操作数算术／逻辑类、三操作数算术／逻辑类、程序控制类、互锁操作类及并行操作类指令；
（2）灵活的程序控制，它提供了重复、跳转、调用、陷阱及返回等类型的
程序控制；
（3）高效的流水线操作；
（4）寻址方式多种多样，可采用6种寻址类型，并支持5种寻址方式。
5.2.2A/D变换的设计
将输入的图像信号数字化，是图像处理系统的重要环节。
计算机视觉、图像
跟踪系统、数字图像传输系统中通常以全电视信号作为输入信号。
因此视频信号数字化的好坏，对于整个图像处理系统是非常重要的。
选择模拟到数字化的转化，必须要注意两个问题：
转换精度与转换速度。
为保证采集的数据是完整的传感器输出的图像数据，最好选用专用的视频解码芯片。
本文采用的是14位分辨率的MAXl25。
模拟输入幅值：
±5V，可承受的最高电压为±17V。
速率：
单通路采样最高可达250ksps，每一路转换时间是3us，当采用四路同时采样时，最高采样速率可为76kspS。
输出编码：
为2进制补码，理想的A／D输入输出传输特性如下图所示。
A／D采用MAXl25：
14位、8通道、高速A／D。
其中输入共分两组，每一组的四个输入为同时采样。
MAXl25每组最多有4个输入通道，可由软件选择。
用4片MAXl25构成最多32路模拟量输入系统。
A／D结构：
模拟输入部分共有四片MAXl25构成，每次转换完成后，由中断INTO通知VC33转换完成，取走数据。
A／D触发：
有二个触发源：
软件触发（A／D触发口ObOO004H写操作），定时触发。
触发方式可由软件设置（ADCLK）。
当选择软件触发时，往A／D触发口（ObOO004H）写入任意一个数据，即发出～次触发信号。
当选择定时触发时，VC33定时器0的输出TCLKO作为A／D采样的定时触发信号，根据转换时钟的需要TCLKO引脚应设置成定时输出引脚，定时器0的时钟输入设置成内部时钟即CLKSRC为l；FUNC为1；定时输出的波形设置为时钟信号即C／P为1。
时钟周期根据采样通路的不同分别为不同的值，75MHz主频满足A／D触发信号。
触发信号的要求h／D定时采样率为：
定时器计数值=75MHz÷4÷f（采样）；定时器0只用于给出外部定时触发信号无需内部响应中断，所以在中断允许寄存器IE中关定时器0中断。
A／D采样：
一个触发信号，同时启动4片MAXl25采样，软件触发或定时触发每次只启动一遍A／o采样。
A／D通道设置：
每片A／D最多有8个通道，可由软件设置通道数。
即通过写AD寄存器，来设置每组有几路A／D进行工作。
h／O数据获取：
通过读取AD寄存器，即可获得转换后的数据，其顺序为1路至4路。
5.2.3模拟信号输出
D／A采用DAC7724：
12位、4通道、同时输出、高速D／A。
AD7724的输出电压的建立时间为10ils。
4路D／A数据由各通道的锁存器分别锁存，再由统一的D／A输出命令，同时输出。
DAC7724带输出复位功能，上电或对D／A复位口操作，对D／A复位口进行读操作，使4路D／A输出全部置为Ov。
复位操作只影响D／A输出寄存器，不影响D／A锁存器。
输出电压的计算方法为：
VoUt—Vrefl+（Vrefh—Vrefl）×N（输入的数据）÷4096
所用的Vrefl为一lOV，Vrefh为+10V故上式可为：
VoUt=20XN（输入的数据）÷4096—10
其中N为二进制数。
D／A输出编程：
对DAC7724复位后，DAC7724编程如下：
STRB寄存器为5个等待；把你要转换的数据写入到D／A通道1锁存器
（OAOOOOOH～OAOOOOFH）中；使能D／A输出寄存器，输出所要转换的数据；等
待lOils使输出稳定。
5.3算法设计与实现
5.3.1DSP算法设计
在基于DSP红外图像测温系统上，实现图像处理算法的困难主要有两个，其一是图像处理计算量很大，对处理器的频率有一定的要求；其二是图像处理所需要的存储空间很大，红外CCD所采集的图像的大小为120×160，也就是说存储一幅图像需要占用空间的大小为19K字。
本文中进行红外图像处理时，一般
存放需要一至两幅中间图像，以便后面的处理使用。
也就是说空间的大小应为
3×19K字，如前面的介绍数据空间，它的寻址范围的大小为58k，根本无法存放
所有红外图像，因此将所有的处理结果和中间图片全部存放在数据空间是无法实
现的。
而且在一个实际的DSP应用系统中，成本和功耗都是至关重要的。
因此，在本文的DSP系统中，采用的是TI的TMS320VC33系列处理器。
根据前几章讨论的红外图像处理的知识，设计了几种适合红外图像分析的图
像均匀性校『F、增强和温度标定算法。
但要在DSP中实现这些算法，必须通过对DSP进行软件编程生成可执行文件，再通过软件仿真程序或硬件在线仿真器的调试，对调试结果满意后，将程序加载到应用系统中后才‘能在DSP中实现这些功能。
在DSP下开发算法必须利用TI公司的CCS软件，CCS是集成开发环境基础的代码生成工具，它的作用是将C语言，汇编语言或两者的混合语言编的
DSP源代码程序编译，汇编并链接成可执行的DSP代码。
代码生成工具的工作流程如图5．5。
5.3.2混合编程与优化算法
用C语言开发DSP程序不仅使DSP开发的速度大大加快，而且开发出来的
DSP程序的可读性和可移植性都大大增加，程序修改也极为方便。
采用c编译器
的优化功能可以增加C代码的效率，在某些情况下C代码的效率甚至接近手上代
码的效率。
用C语占开发DSP程序在DSP芯片的运算能力不是十分紧张时是非常
合适的。
但是某些情况下，c代码的效率还是无法和手上编写的汇编代码的效率
相比，如FFT程序。
因为即使是最佳的C编译器，也无法在所有的情况下都能够
最佳合理地利用DSP芯片所提供的各种资源，如用于FFT的比特反转寻址。
再则，
用c语言编写的中断程序，虽然可读性很好，但由于在进入中断程序后有时不管
程序中是否用到，中断程序也将寄存器进行保护，从而大大降低中断程序的效率。
如果中断程序频繁被调用，那么即使是一条指令也是至关重要的，恰恰基于DSP
的图像处理算法中用到的中断非常多。
此外，用C语言实现DSP芯片的某些硬件
控制不如汇编程序方便，有些甚至无法用C语言实现。
TI公司为自己的DSP芯
片提供了集成开发环境CCS，该集成环境同时提供了C编译环境和汇编语言编译
环境。
综上所述，在本文的红外图像处理算法移植过程中，采用了用c语言‘和汇编语言的混合编程方法来实现，以达到最佳地利用DSP芯片软硬件资源的。
一般而言，用c语言和汇编语言的混合编程方法主要有以下三种：
（1）独立编写c程序和汇编程序，分开编译或汇编形成各自的目标代码模块，
然后用链接器将c模块和汇编模块链接起来；
（2）直接在c语言程序的相应位置嵌入汇编语句；
（3）对c程序进行编译生成相应的汇编程序，然后对汇编程序进行优化。
本文中主要是用C语言来搭整个程序的框架，其中对那些复杂度不高，算法
相对简单的处理程序就用c语言来编写，而对速度要求高、带硬件操作比较多的
处理则用汇编语言编写。
在实验表明一些算法即使采用汇编语言重新编写，算法
效率提升也相当小，有时候甚至不如使用C语言的效率高。
选择混合编程既保证
了算法的性能，也同时降低了算法移植的难度，是一个比较好的折中选择。
5.3.3系统运行的具体流程
系统运行具体的流程如下：
首先，系统上电复位。
程序从FLASH自举，完成图像处理程序的导入以及些初始化工作，然后等待信号的触发：
2、触发信号产生DSP中断，DSP利用总线对MAXI25采集芯片的寄存器写入相关参数，促使其进行图像采集；3、FPGA完成采集芯片MAXl25的帧控制、时序逻辑和产生必要的地址信号，FPGA还对图像采集模块和图像处理模块的接口FIFO进行必要的逻辑控制；4、图像经过FIFO通过DSP的DMA通道，主要是存入SDRAM，以便DSP进行图像处理：
5、FLASH存入图像处理算法，包括图像增强、非均性校正、伪彩色编码和温度的测量等，通过DSP的EMIF导入DSP进行图像处理操作；6、图像处理结果通过PAL制式的形式输7、在以MAXl25为核心的一幅图像采集过程中，DSP可以同时进行前一幅图像的处理运算，这样的并行处理模式提高了系统的实时性。
5.4算法移植
在算法向DSP进行移植时，需要注
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