基于fpga的红外视频模拟视频显示

基于fpga的红外视频模拟视频显示

0视频显示系统为了实时监控目标的位置和范围，红色搜索跟踪系统通常需要配置显示设备。显示设备可以通过相关技术实现图像的窗口和拼写显示。因此，视频显示具有引擎功能，是红色搜索跟踪系统不可或缺的一部分。当前,通过标准电视监视器来显示模拟红外视频信号输出是国内红外搜索跟踪系统的普遍用法。监视器的最大分辨率为768×576,可以显示PAL制和NTSC制的图像信号。由于近几年来越来越发达的红外探测器制造技术使得探测器的帧频变高,原有的标准电视监视器已经无法显示1280×1024甚至更高的分辨率的视频图像。因此采用更高分辨率的显示设备显得尤为必要。一般电脑显示器具有模拟和数字两种接口。模拟显示在市场上用的比较多,但是它对数字图像信息的处理方式分为两种情况,一种是对于模拟显示设备,如CRT显示器等,可以直接显示由D/A转换器转换的模拟信号,另一种是数字显示设备,如液晶显示器等,由于它只能显示数字信号,所以需要A/D转换器对模拟信号进行转换,但是两次的转换必然会带来图像细节的缺损。因此,迫切需要一种可以直接传输和显示数字图像信号的系统来减少细节的损失。目前应用普遍的数字显示器标准接口是DVI接口和HDMI接口,这两种接口的区别表现为HDMI接口除了传输数字视频信号之外也能传送音频信号,而红外告警跟踪设备中不需要进行数字音频的传输,所以本文选用了DVI接口,并介绍了其显示原理以及在红外告警跟踪系统中的实现方法。1系统设计1.1别采集模块红外视频实时采集与显示系统由5个模块组成,分别是光纤图像采集模块、红外图像转换模块、DDR图像乒乓缓存模块、DVI时序产生模块、字符信息显示模块。光纤图像采集模块通过Aurora协议1.2vesa标准时序产生系统中采用TFP410支撑DVI接口标准本系统中采用的红外探测器的规格为640×512的分辨率,探测器的帧频为100Hz,系统中从光纤接收红外图像数据的时钟频率为62.5MHz,为了完全显示该系统的红外视频图像DVI时序产生模块是该系统显示部分的关键所在,最终输出的行、场同步信号必须严格按照VESA时序标准产生相应的脉冲信号,本系统采用的时序标准按表1中的800×600@60Hz视频格式输出,图2为该系统按照表1中的时序标准输出的时序图。1.3红外设备探测器视频输出由于红外告警跟踪设备采集的红外图像数据帧频为100Hz,而VESA标准中800×600时序里面没有刷新频率为100Hz的视频,且800×600@60Hz的视频格式每秒的刷新频率为60帧,因此,该系统并不能完整显示红外告警跟踪设备采集的100帧图像,最多显示60帧,为了尽可能多地显示不同帧数的图像,本文采用的方法是从相邻的5帧红外图像里面截取3帧,相当于从每100帧里面截取60帧进行显示。视频输出800×600@60Hz的刷新频率为60Hz,与红外设备探测器100Hz的帧频速度不等并且视频数据的输入速率大于显示输出速率,为了防止数据的丢失,必须要对图像数据进行缓存操作。本系统采用两片DDR3缓存图像数据,采用图3中所示的缓存机制实现两片DDR乒乓操作,即从红外设备输出的前5帧图像中截取帧号为1、3、5的图像存储在DDR-A里面,从DDR-B里面读出数据显示,当红外图像的第6帧~第10帧图像到来时,截取帧号为6、8、10的图像存储于DDR-B中,再从DDR-A中读出前面存储的3帧图像。1.4原始红外数据转换大多数红外设备探测器采集的红外图像数据深度为14bit或16bit,而常规显示器能显示的数据为24bit,所以常规显示器最多只能显示图像数据深度为8bit的灰度数据。要完成将14bit的原始红外数据输出显示到常规显示器上,必须对原始红外数据位宽进行压缩。本文采用如下方式完成原始红外数据从14bit到8bit的转换:1)对每一帧的图像数据直方图均衡化;2)对直方图均衡化处理后的每一帧图像数据求取灰度平均值Average、灰度最大值MAX和灰度最小值MIN;3)映射关系如图4所示,将原始图像平均值映射到64,平均值到UPPER之间和平均值到DOWN之间分别进行线性映射,DOWN到MIN全部映射到0,UPPER到MAX全部映射到255。对原始图像进行直方图均衡化的目的是防止图像过亮或过暗,压缩原始图像的动态范围。原始红外图像数据经14bit~8bit的转换后,使得原始图像的动态范围进行了压缩,势必会影响原始图像的质量,以及原始图像中的细节成分,使得原始图像的显示质量下降,为了提高红外图像显示的质量,尽可能多地包含原始红外图像的细节成分,可以对转换后的图像进行双边滤波处理,以增强图像中的细节成分,提高原始图像的显示质量。1.5字段显示为了实现红外视频中目标相关信息2外场视频显示效果该红外视频采集与显示系统该红外视频采集与显示系统已成功应用于红外侦察告警的项目实例中,实现了对侦察告警设备中的信号处理箱输出帧频为100Hz红外图像的数据采集,完成了对图像数据的转化以及乒乓存储和乒乓读出显示,显示刷新频率60Hz。其有着良好的红外视频显示效果并实时更新视频及相关信息。该系统的实际应用效果图如图7、图8所示,图7为该系统实时显示模拟器输出的视频数据,图8为外场实验采集的实时视频显示效果图。本系统基于FPGA硬件开发,用硬件平台实现了图像的直方图均衡化、图像深度的转换以及基于光纤通信的高速率、高帧频红外视频数据的采集与存储。采用TFP410实现视频的DVI格式编码,输出的视频数据格式能直接接入市场上常用的显示器,适应了视频显示的发展趋势。实验表明该视频采