1．引言

　　隨著紅外焦平面陣列技術的快速發(fā)展，紅外成像系統實現了高幀頻,、高分辨率,、高可靠性及微型化，在目標跟蹤,、智能交通監(jiān)控中得到了越來越多的應用,，并向更加廣泛的軍事及民用領域擴展。實時紅外圖像處理系統一般會包括非均勻校正,、圖像增強,、圖像分割、區(qū)域特征提取,、目標檢測及跟蹤等不同層次的實時圖像處理算法,，由于圖像處理的數據量大，數據處理相關性高,，因此實時紅外圖像處理系統必須具有強大的運算能力,。目前有些紅外圖像處理系統使用FPGA實現可重構計算系統[1]，運算速度快,，但對于復雜算法的實現難度比較高,，且靈活性差。大多數紅外圖像處理系統則采用DSP+FPGA的硬件架構[2],，其中DSP負責實現圖像處理算法,，FPGA負責實現各種接口電路，但諸如圖像多級濾波等處理算法復雜度高,，只使用DSP處理會耗費大量時間,，一般采用并行多DSP系統以滿足實時性要求[3]，但系統比較復雜,，體積和功耗也不好控制,，實現成本高,。因此需要在硬件結構上合理分配處理任務，比如FPGA可以完成輸入圖像的預處理工作,，減輕DSP的負擔,，本實驗室自主研制的ASIC芯片可以對輸入紅外圖像進行多級濾波處理，進一步解放DSP,。本文針對紅外圖像處理系統的實時性要求,，提出了基于DSP+FPGA+ASIC的圖像處理架構。

　　2．實時紅外圖像處理系統

　　由于實時紅外小目標檢測算法的前端處理數據量大,、實時性強且算法復雜度高,，我們的系統結構需要保證靈活性，能夠適應各種復雜的算法,，同時又要保證高速處理能力,，因此實時紅外圖像處理系統采用DSP+ FPGA+ASIC的架構來滿足設計的要求。其中,，DSP具有高度的可編程性,，可以完成比較復雜的任務。FPGA的處理速度稍遜于ASIC,，但具有一定的靈活性,，它可以實時接收紅外小目標檢測算法前端的數據，完成輸入圖像的一些預處理工作,。ASIC芯片處理速度快,、性能強且可靠性好，可以完成圖像濾波等特定的任務,。

　　一種實時紅外圖像處理系統結構框圖如圖1所示：

FPGA采用ALTERA公司的Stratix系列的EP1S10芯片,。該芯片提供多達10,570個邏輯單元（LEs），存儲器容量為920,448016 bits,，同時提供了高速DSP模塊以及乘法器,，專用乘法器適合于作協處理器,，可以分擔DSP復雜和耗時的算術運算,，提升系統的性能。

　　DSP選用TI公司的TMS320C6414芯片[4],。該芯片主頻為600MHz,，數據處理能力峰值可達4800MIPS（每秒48億條指令）。由8個相互獨立的功能單元構成,。包含兩組通用寄存器組,，每組含有32個32位寄存器。片內采用2級存儲器結構,。

　　ASIC使用本實驗室自主研制的多級濾波芯片[5],。該芯片采用SMIC 0.35mm工藝,，芯片內部工作頻率可達50MHz。有三個數據通道,，分別級連不同數量的1*3基本濾波模板,，每路數據通道采用流水線結構。采用定點運算,，計算精度為8位二進制小數,，可處理位寬為8-16位的數據，吞吐量為5M-10M像素/秒,，支持128*128,，256*256，320*240三種幀格式的圖像濾波,。

　　3．處理任務的合理分配

　　紅外探測器輸出圖像數據到信號處理板,，先進入FPGA進行預處理，預處理包括非均勻性校正和圖像增強等,。ASIC對輸入圖像數據進行多級濾波處理,。FPGA在后續(xù)算法中也能協同DSP工作，算法中對運行速度要求很高,，而算法結構不太復雜的處理均可在FPGA 中實現,，從而使得該FPGA 成為DSP 的協處理器。經過預處理后的紅外圖像數據輸出到DSP中進行后續(xù)算法處理,，DSP的處理包括紅外潛在小目標檢測算法,。DSP 處理后的潛在小目標和圖像數據通過FPGA傳輸到DPRAM中存儲。

　　該實時紅外圖像處理系統主要由三部分組成：FPGA模塊,，DSP模塊和ASIC模塊,。在滿足紅外圖像數據處理的實時性和高速可靠性要求的前提下，各處理模塊所處理的任務要盡量達到平衡,。

　　從資源角度看,，算法用硬件處理速度快，占內存空間小,，但靈活性差,；用軟件剛好相反，處理速度慢,，但靈活性好,。由于設計要滿足實時性要求，希望硬件承擔的任務越多越好,。PGA作為一種可編程的硬件資源,，雖然它有相當強的設計靈活性，但是考慮到設計,、實現調試的難度,，不適合做全局,、復雜的操作。ASIC芯片處理速度快,，但靈活性差,，只適合處理一些特定的占用大量處理器資源的運算。DSP作為軟件資源,，特點是靈活性好,，適合復雜的算法，但速度慢,。

　　從算法角度考慮,，一個完整的算法在處理上是有層次的，算法對原始數據的操作是簡單的,、規(guī)則的,，對后續(xù)數據的處理往往比較復雜，同時算法在實現前會被預先分成幾個相互獨立的功能模塊,。因此低層的,、簡單的操作可以由FPGA中的邏輯單元模塊或ASIC芯片硬件來完成，高層的,、復雜的操作則由DSP軟件來完成,。

　　根據上述分析，本設計中FPGA主要完成與各個外部設備的接口控制邏輯,，同時完成一些數據量大,、運算結構簡單、速度要求高的算法,；DSP完成后續(xù)結構復雜的目標檢測算法,；ASIC芯片對輸入圖像進行多級濾波處理。此方案保證了系統有足夠的處理速度,，能夠達到紅外圖像處理系統的實時性要求,。

　   3.1 FPGA模塊

　　FPGA內部邏輯結構框圖如圖2所示。

FPGA主要完成以下幾方面的工作：圖像數據接收邏輯,，圖像數據預處理模塊,，輸入緩存FIFO，DSP接口控制邏輯,，ASIC接口控制邏輯,，DPRAM接口控制邏輯，算法處理模塊,。

　　(1)    圖像數據接收邏輯：根據探測器輸出的數字視頻信號的場同步，行同步以及時鐘信號,，發(fā)送控制信號接收圖像數據,。

　　(2)    圖像數據預處理模塊：對接收的圖像數據進行非均勻性校正和圖像增強等預處理,。

　　(3)    輸入緩存FIFO：由FPGA內部配置輸入緩沖存儲器FIFO。預處理后的圖像數據可以連續(xù)不間斷地寫入FIFO中,，以供DSP讀取進行后續(xù)的圖像處理,。

　　(4)    DSP接口控制邏輯：DSP 接口時序控制邏輯必須嚴格按照TMS320C6414的EMIFA

　　可編程同步接口的時序來編寫，并且滿足相應的建立保持時間要求,。DSP啟動EDMA通道

　　讀取紅外圖像數據,，通過FPGA的內部FIFO進行連續(xù)的圖像傳輸。

　　(5)    ASIC接口控制邏輯：按照ASIC芯片的時序編寫其控制邏輯,，將圖像數據導入ASIC

　　芯片進行圖像多級濾波處理,。

　　(6)    DPRAM接口控制邏輯：編寫DPRAM的控制邏輯，將DSP 處理后的數據通過FPGA傳輸到DPRAM中存儲,。

　　(7)    算法處理模塊：根據具體算法的需要,，協同DSP完成算法中速度要求高，結構不太復雜的運算,。

　　3.2    DSP模塊

　　DSP主要完成紅外小目標的檢測和跟蹤算法,，功能如下：

　　(1)    啟動EDMA通道不斷讀取FPGA輸出的紅外圖像數據。   

　　(2)    對輸入的紅外圖像數據,，運行目標檢測和跟蹤算法,，檢測運動目標，并確定其方位,。

　　(3)    與FPGA建立連接,，將算法中比較規(guī)則的運算交給FPGA處理。

　　(4)    DSP將處理后的運算結果通過FPGA傳輸至DPRAM中存儲,。

　　3.3    ASIC模塊

　　ASIC芯片從FPGA中接收預處理后的圖像數據進行處理,，處理后的三路數據同步寫入內部三個同步FIFO，DSP可以根據需要選擇輸出多級濾波處理后的結果,，進行后續(xù)算法的處理,。

　　4．實驗結果與分析

　　實時紅外圖像處理板已成功應用于多個紅外探測系統中，效果良好,。圖3為實驗時采用

　　高德IR108D探測器獲得的原始紅外圖像,，圖4為經過多級濾波處理后標識的圖像，圖5為經過目標檢測算法處理后輸出的跟蹤圖像,?？梢钥吹剑撓到y能夠實時檢測并跟蹤紅外圖像中的運動小目標,。

5．結語

　　本文使用高性能的DSP（TMS320C6414）,，可編程邏輯器件FPGA （Stratix系列的EP1S10）和專用ASIC多級濾波芯片，提出了DSP + FPGA + ASIC的圖像處理平臺架構,，設計了處理能力強,、接口可靠穩(wěn)定的紅外圖像處理系統,，并在系統中實現了非均勻性校正、小目標檢測等算法,。實驗測試表明,，該實時紅外圖像處理系統對每場320×240有效像素，每個像素14bit,，場頻50Hz的輸出數字視頻信號能夠進行實時處理,，對視場中的運動小目標完成檢測和跟蹤功能，滿足系統主要性能指標要求,，成功應用于紅外探測系統中,。

　　本文作者創(chuàng)新點：采用自主研制的ASIC芯片對紅外圖像進行多級濾波處理，速度快,，可靠性好,，為DSP后續(xù)的目標檢測跟蹤算法節(jié)約時間。