專利名稱：大視場(chǎng)可見紅外雙通道相機(jī)實(shí)時(shí)圖像采集方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電儀器技術(shù)，具體指一種大視場(chǎng)可見和紅外雙通道相機(jī)圖像采集方 法及其系統(tǒng)，它直接應(yīng)用于類似的雙通道相機(jī)成像任務(wù)中。
背景技術(shù)：
各種探測(cè)器的成像機(jī)理各不相同，例如紅外探測(cè)器是利用目標(biāo)的紅外輻射能力將 目標(biāo)和背景的溫差用不同的灰度級(jí)體現(xiàn)在紅外圖像中，而可見光探測(cè)器是利用目標(biāo)對(duì)可見 光的反射量來決定圖像的灰度值。本發(fā)明中應(yīng)用到的TDI-CCD，利用噪聲信號(hào)非相干相加、 有用信號(hào)線性相加的原理，能夠在微光的場(chǎng)合得到可見光圖像。包含多通道探測(cè)器的大視 場(chǎng)相機(jī)，可以在更廣闊的空間和時(shí)間范圍探測(cè)到目標(biāo)，應(yīng)用前景十分廣泛。因此，在數(shù)據(jù)上 傳參數(shù)不同的前提下同步采集相機(jī)中多通道探測(cè)器的圖像是解決這類問題的關(guān)鍵技術(shù)。
目前，單一探測(cè)器的圖像采集過程一般分為以下幾步電流信號(hào)經(jīng)過探測(cè)器中的 讀出電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；經(jīng)過放大電路將電壓值放大到合適的范圍，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)；將串行的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行的適合于上傳和存儲(chǔ)的字或字節(jié)，經(jīng)過特定 的采集設(shè)備(PCI/USB等)采集上傳至上位機(jī)；上位機(jī)軟件接收和處理圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)同一相 機(jī)中用到兩通道或多路探測(cè)器實(shí)時(shí)采集和傳輸時(shí)，前面兩個(gè)步驟基本不變，由于大視場(chǎng)的 要求，光學(xué)系統(tǒng)采用共光路的設(shè)計(jì)，兩通道探測(cè)器為了達(dá)到實(shí)時(shí)的采集，需要在后面兩步中 同步兩通道圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明中兩類探測(cè)器數(shù)據(jù)的不同步表現(xiàn)在(1)駐留時(shí)間不同紅外探測(cè)器的駐留時(shí)間長于TDI-C⑶。TDI-C⑶中電荷從N級(jí) 到N+1級(jí)的轉(zhuǎn)移時(shí)間必需等于駐留時(shí)間，且由任務(wù)和器件本身決定，不可隨意更改。(2)行數(shù)據(jù)率不同紅外探測(cè)器采用的是2048元長線列器件，TDI-C⑶采用的是 4096元可見光探測(cè)器。兩者統(tǒng)一加上200BYTE行頭，行數(shù)據(jù)量不同。(3)數(shù)據(jù)讀出頻率不同紅外探測(cè)器串行數(shù)據(jù)讀出頻率低于TDI-CCD，由系統(tǒng)本身 所決定，且紅外、可見的數(shù)據(jù)讀出頻率可變，可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。按照常規(guī)的傳輸方式，上述三個(gè)指標(biāo)存在的差異不可避免會(huì)造成有效數(shù)據(jù)丟失的 情況。解決上述三方面的不同給實(shí)時(shí)采集兩通道探測(cè)器圖像帶來的問題是本發(fā)明的一項(xiàng)關(guān) 鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大視場(chǎng)多通道相機(jī)中同步不同類型探測(cè)器的數(shù)據(jù)上 傳和接收的方法，并從整體構(gòu)建雙波段圖像采集的軟件和硬件并存的系統(tǒng)，解決了大視場(chǎng) 相機(jī)中數(shù)據(jù)不同步、碼率各異的兩類探測(cè)器的高速實(shí)時(shí)同步采集和顯示的問題。本發(fā)明雙通道圖像采集系統(tǒng)的技術(shù)方案為紅外探測(cè)器和TDI-C⑶探測(cè)器輸出的 模擬信號(hào)經(jīng)過探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板的A/D轉(zhuǎn)換和格式編排之后成為兩通道獨(dú)立的串行數(shù)字信號(hào)， 由LVDS差分輸出；經(jīng)圖像采集板的LVDS接收后，圖像采集板中的FPGA將兩通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以字節(jié)為單位圖像數(shù)據(jù)，采用流水線方式同步兩通道數(shù)據(jù)；上位機(jī)中安裝PCI7300A采集 卡，同步后的兩通道數(shù)據(jù)由圖像采集板的PCI連接件上傳至上位機(jī)，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí) 接收和處理兩通道圖像數(shù)據(jù)。其中，圖像采集板和上位機(jī)軟件共同協(xié)調(diào)來完成兩通道探測(cè) 器數(shù)據(jù)的同步。本發(fā)明中圖像采集板的同步技術(shù)方案步驟分為Si. 1、圖像采集板的LVDS同時(shí)接收探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板輸出的兩通道探測(cè)器的3組差分 信號(hào)，包括時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)和串行數(shù)字信號(hào)，輸入圖像采集板的FPGA中。
Si. 2、FPGA接收轉(zhuǎn)換后的單端TTL信號(hào)后，分別將兩通道串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)的 形式。Si. 3、兩通道分別檢測(cè)行頭，當(dāng)行頭到來時(shí)，將并行數(shù)據(jù)輸入FPGA中各自開辟的 異步FIFO緩沖區(qū)存儲(chǔ)。Si. 4、兩通道上傳的閾值分別設(shè)為相應(yīng)每行數(shù)據(jù)量(可見光通道上傳的閾值設(shè)為 4096+200字節(jié)，紅外通道設(shè)為2048+200字節(jié))，兩通道上傳的實(shí)際量為其中較大閾值的數(shù) 據(jù)量。當(dāng)任意一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)達(dá)到各自設(shè)定的閾值時(shí)，數(shù)據(jù)未達(dá)到的通道保留有效數(shù)據(jù)， 用無效數(shù)據(jù)上傳。當(dāng)為紅外通道先達(dá)到自身閾值時(shí)，紅外通道的有效數(shù)據(jù)后還需添加無效 數(shù)據(jù)才能湊齊至上傳量。這樣的流水線結(jié)構(gòu)的目的是使兩通道數(shù)據(jù)拼湊成雙字形式，利于 32位的PCI采集卡同時(shí)上傳。Si. 5、并行的32位數(shù)據(jù)由FPGA給定的觸發(fā)信號(hào)PCI_TRG和時(shí)鐘PCI_REQ，經(jīng)過 PCI7300A采集卡采用外部觸發(fā)模式上傳至上位機(jī)。本發(fā)明中上位機(jī)軟件的同步技術(shù)方案步驟分為S2. 1、開啟數(shù)據(jù)采集主線程。初始化PCI-7300A卡的硬件和軟件狀態(tài)，為采集卡分 配并初始化相關(guān)內(nèi)存區(qū)域，確定數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)方式和采集模式，并分配暫存的數(shù)據(jù)多緩 沖區(qū)。S2. 2、當(dāng)PCI采集卡的任一緩沖區(qū)達(dá)到全滿狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理從線程。根據(jù)行 頭判斷兩通道數(shù)據(jù)是否是有效數(shù)據(jù)，提取有效通道的數(shù)據(jù)。S2. 3、存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)。當(dāng)紅外通道數(shù)據(jù)有效時(shí)，存儲(chǔ)時(shí)還需進(jìn)行減背景操作。S2. 4、當(dāng)存儲(chǔ)的有效數(shù)據(jù)達(dá)到一幀時(shí)，將圖像數(shù)據(jù)以位圖的形式顯示并存儲(chǔ)。S2. 5、程序重新回到數(shù)據(jù)采集主線程，直到人為結(jié)束。本發(fā)明雙通道采集的同步方法具有的技術(shù)特征為(1)采用流水線工作方式，保證兩通道數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)率不匹配的情況下，都能存儲(chǔ)至 緩沖區(qū)，形成一幀完整的圖像。(2)采用Windows多線程模式，滿足系統(tǒng)對(duì)高速實(shí)時(shí)采集和處理的要求。引入 Windows的多任務(wù)處理技術(shù)(multitasking)，將軟件的流程開辟為數(shù)據(jù)采集主線程和數(shù)據(jù) 處理從線程的雙線程模式。(3)采用雙緩沖模式，配合多線程的處理方式完成數(shù)據(jù)“乒乓”操作，合理利用系統(tǒng) 資源。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板功能示意圖。圖3是本發(fā)明的圖像采集板功能示意圖。圖4是本發(fā)明的圖像采集軟件總流程圖。圖5A是本發(fā)明的圖像采集軟件數(shù)據(jù)采集主線程流程圖。圖5B是本發(fā)明的圖像采集軟件數(shù)據(jù)處理從線程流程圖。圖6是本發(fā)明的圖像采集軟件界面截圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施的步驟對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明結(jié)合圖1，紅外探測(cè)器、TDI-C⑶和光學(xué)系統(tǒng)搭建在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)上，紅外探測(cè)器和TDI-CCD位于光學(xué)系統(tǒng)后端。兩個(gè)探測(cè)器的讀出電路由屏蔽線分別接到相同的兩塊探測(cè)器 驅(qū)動(dòng)板上。兩驅(qū)動(dòng)板的LVDS引出共6組數(shù)字差分信號(hào)，輸入圖像采集板的LVDS接收端。圖 像采集板的PCI連接件與上位機(jī)中內(nèi)置的PCI7300A采集卡連接。結(jié)合圖2，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板中A/D轉(zhuǎn)換器需要調(diào)節(jié)，放大器的動(dòng)態(tài)范圍根據(jù)探測(cè)器的 增益來適當(dāng)調(diào)節(jié)。結(jié)合圖3，圖像采集板中FPGA選用XINLINX公司的SPARTAN 3A系列。在圖像采集 之前，用XINLINX公司的USB下載線將程序下載并固化到外置的PROM中，圖像采集板上電 后即可工作。結(jié)合圖6，上位機(jī)軟件編寫有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在采集之前需要設(shè)置一幀圖像 的掃描行數(shù)、PCI采集卡的模式、圖像校正方式、顯示存儲(chǔ)的屬性以及實(shí)驗(yàn)條件等參數(shù)。采 集和停止按鍵分別負(fù)責(zé)開啟和停止采集任務(wù)。背景按鍵負(fù)責(zé)開啟紅外圖像減去暗背景操作 中數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和輻射光照變化比較大時(shí)，需先采集當(dāng)前暗背景，保證 暗背景對(duì)紅外圖像的影響較小。任意通道采集到圖像后，均顯示在對(duì)應(yīng)的界面中，并實(shí)時(shí)存 儲(chǔ)。通過以上步驟，建立起一個(gè)完整、實(shí)時(shí)的雙通道相機(jī)圖像采集系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種大視場(chǎng)可見紅外雙通道相機(jī)實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)，它包括紅外探測(cè)器、TDI-CCD、實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)和平臺(tái)、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板、圖像采集板、PCI7300A采集卡、上位機(jī)計(jì)算機(jī)和圖像采集軟件，其特征在于紅外探測(cè)器和TDI-CCD位于共光路設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)中，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板接收讀出電路的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)LVDS差分輸出，圖像采集板接收兩通道差分?jǐn)?shù)字信號(hào)，經(jīng)解碼、串并轉(zhuǎn)換、同步等處理，由PCI總線上傳至上位機(jī)，上位機(jī)中的圖像采集處理軟件接收兩通道圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理后顯示存儲(chǔ)。
2.一種基于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的可見和紅外雙通道相機(jī)圖像采集同步方法，其特征 包括以下步驟1)在圖像采集板的FPGA中開辟兩個(gè)相應(yīng)數(shù)據(jù)量冗余的異步FIFO，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 字的形式，當(dāng)檢測(cè)到行頭時(shí)存儲(chǔ)一行數(shù)據(jù)輸入FIFO中存儲(chǔ)，通過判斷兩個(gè)FIFO中的數(shù)據(jù)是 否達(dá)到各自的閾值，當(dāng)任意一路達(dá)時(shí)將另一路用無效數(shù)據(jù)補(bǔ)齊，觸發(fā)PCI采集卡上傳數(shù)據(jù) 至上位機(jī)；2)在上位機(jī)中安裝PCI采集卡驅(qū)動(dòng)后，對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行設(shè)置，在上位機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)存中開 辟雙緩沖區(qū)，來接收PCI采集卡上傳的圖像數(shù)據(jù)，通過兩個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的乒乓操作實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的實(shí)時(shí)無丟失；3)上位機(jī)中的圖像采集處理軟件采用雙線程模式，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集主線程和數(shù)據(jù)處 理從線程，兩線程間相互調(diào)度，主線程負(fù)責(zé)接收上傳到兩個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，從線程負(fù)責(zé)處理 雙緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可見和紅外探測(cè)器雙通道相機(jī)圖像采集同步方法，其特征在 于步驟1中所述的圖像采集板的FPGA存儲(chǔ)兩路數(shù)據(jù)時(shí)采用流水線的工作方式，兩通道數(shù) 據(jù)存在兩路有效數(shù)據(jù)同時(shí)和分別到達(dá)的情況，這種工作方式可以保證不丟失任何通道的有 效數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可見和紅外探測(cè)器雙通道相機(jī)圖像采集同步方法，其特征在 于步驟2中所述的上位機(jī)中為PCI采集卡開辟雙緩沖區(qū)，在PCI采集卡初始化過程中開辟 的雙緩沖區(qū)能夠完成數(shù)據(jù)的“乒乓”交替接收和處理，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可見和紅外探測(cè)器雙通道相機(jī)圖像采集同步方法，其特征在 于步驟3中所述的上位機(jī)圖像采集處理軟件采用多線程的方式，分別用數(shù)據(jù)采集主線程 完成PCI采集卡和分配緩沖區(qū)等初始化工作，數(shù)據(jù)處理從線程完成圖像顯示和存儲(chǔ)等處理 工作，多線程的工作方式滿足了系統(tǒng)連續(xù)采集的實(shí)時(shí)要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大視場(chǎng)TDI-CCD和紅外雙通道相機(jī)異步、可變傳輸碼率圖像采集方法及其系統(tǒng)。雙通道圖像采集方法采用軟硬件流水線的方式同步兩通道的變碼率數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件中的雙線程和雙緩沖的模式，保證了有效數(shù)據(jù)不丟失。雙通道圖像采集系統(tǒng)由紅外探測(cè)器、TDI-CCD、實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)和平臺(tái)、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板、圖像采集板、PCI7300A采集卡、上位機(jī)圖像采集軟件組成，從硬件和軟件兩方面解決了大視場(chǎng)相機(jī)中數(shù)據(jù)不同步、碼率各異的兩類探測(cè)器的高速實(shí)時(shí)同步采集和顯示的問題，其中用到的硬件和軟件平臺(tái)能夠直接應(yīng)用于類似的雙通道圖像數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，并可擴(kuò)展到多通道變碼率數(shù)據(jù)采集任務(wù)中。
文檔編號(hào)H04N5/225GK101860657SQ201010177510
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者劉素芳, 李建林, 林長青, 趙明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所