摘 要： 分析了導致紅外成像系統非均勻性的機理，介紹了紅外焦平面陣列非均勻性校正的基本方法。采用兩點校正和積分時間校正相結合的方法，利用TMS320VC5509A DSP完成了對紅外圖像的非均勻性實時校正。實驗結果表明,本系統具有實時性好，實用性強的特點，能夠滿足紅外焦平面成像系統的要求。
關鍵詞： DSP； 紅外圖像； 紅外焦平面陣列； 非均勻性校正
?
紅外輻射覆蓋寬達0.76μm～1000μm的電磁波段，是重要的信息資源。隨著微電子技術、大規模集成電路技術和信號處理技術的發展，把熱效應和CMOS技術結合起來研制的紅外焦平面陣列IRFPA(Infrared Focal Plane Array)成為紅外熱成像領域最令人關注的焦點之一。
紅外焦平面陣列探測元具有靈敏感度高、探測性能強、能夠獲得物體更多的表面信息以及更高的幀速率等優點，正成為紅外熱成像技術中的主流器件。目前，紅外焦平面陣列(IRFPA)探測器[1-2]已經廣泛應用于國防、民用等各個領域。但是，由于紅外成像的特殊性以及材料、工藝方面的原因，探測器每個像元對紅外輻射響應不一致，這種不一致表現在圖像上就是空間上的不均勻，嚴重影響了紅外成像系統的成像質量。因此，對紅外圖像進行非均勻性校正成為提高紅外焦平面陣列成像質量的關鍵。
目前，國內外已經提出了許多關于紅外圖像非均勻性校正的算法，本文在采用兩點溫度定標法進行非均勻性校正之前，先用一點校正法對積分時間進行了校正，最后將校正數據的計算任務交給DSP來完成，實現了對紅外圖像的非均勻性校正。
1 紅外圖像非均勻性的定義
紅外焦平面探測器的響應非均勻性問題不同于一般的圖像噪聲。一般的圖像噪聲是瞬態隨機噪聲，可以通過幀/場處理的方法來消除。探測器的非均勻性是一種固定圖形噪聲，它主要包含以下幾個方面[3]：(1)空間的非均勻性，也就是不同敏感元對同一光通量的響應率不同，個別敏感元甚至對不同的光通量的響應不變或發生很小的變化，即盲元；(2) 時間非均勻性，指同一敏感元在不同時間對相同光通量的響應不同，即非均勻性是時變的；(3) 探測器各敏感元對同一光通量增益的響應不同，即非線性。
對于一個M×N的紅外焦平面探測器，其輸出響應的非均勻性NU(Nonuniformity)一般按如下定義[4]：
式中，Vij(T)為焦平面上第i行第j列所對應像元的輸出
2 非均勻性校正算法
IRFPA非均勻性校正的任務就是補償探測器的空間非均勻性。校正方法主要有硬件校正和軟件數值校正兩種。硬件校正一般在焦平面器件硬件設計的基礎上，通過對焦平面器件后繼電路的模擬信號處理或焦平面工作條件的選擇來降低紅外圖像的非均勻性[5]。軟件校正是利用數字圖像處理技術進行非均勻性校正。由于硬件校正法使得焦平面后端模擬信號處理電路較為復雜，而軟件校正法更為靈活，易于實現，因此本文采用軟件數值校正方法。
軟件校正技術分為基于定標和基于場景兩種。前一種技術在對IRFPA定標時，要求停止成像系統的正常工作，進入對探測器的標定工作模式[6]。此類非均勻性校正方法有三種：一點校正法、兩點校正法和多點校正法。多點校正法不需要停止探測系統的正常工作，通常使用圖像序列并且依賴于目標相對于場景的運動，以在每一探測器單元上產生場景溫度的變化。這些溫度變化依次提供統計參考點，依照這些參考點，可以對探測器的響應進行校正。這種方法要求場景中存在運動且校正方法計算復雜，實現起來比較困難，對探測單元自身響應的非均勻性無法校正，校正效果并不理想。考慮到系統的實時性，文中采用了基于定標的兩點非均勻性校正法。
2.1 兩點校正法原理
兩點校正法是在假定紅外焦平面像元輸出在有效工作范圍內、光電響應是線性的條件下進行的。從紅外圖像非均勻性的來源和表現形式可以看出，如果各陣列單元的響應特性在所感興趣的溫度范圍內為線性的，且在時間上是穩定的，并假定暗電流的非均勻性影響較小，則非均勻性引入了固定模式的乘性和加性噪聲。在這種情況下，對于M×N的紅外焦平面陣列，第(i,j)個探測器在溫度為T時的均勻輻射背景下，入射輻照度為 φ(T)，其輸出響應表示如下：
因此只需確定增益和校正系數(gij、oij)，就能得到非均勻性校正后的輸出。取2個不同溫度T1、T2下的均勻黑體，得到2個入射輻照度φ(T1)和φ(T2)作為定標點，分別測得各探測器的響應Vij(T1)和Vij(T2)：
?
將(11)式、(12)式的計算結果代入(6)式，便可得到對各輸出響應非均勻性校正的結果。
2.2 積分時間校正
在實際應用中，經常需要根據目標紅外輻射強度修改探測器積分時間。而對圖像進行了非均勻性校正后，即使效果良好，若改變探測器的積分時間，由于其讀出電路、器件、放大電路的離散特性及工藝差異，圖像的均勻性仍會明顯變差[7]。這種現象本質上是由于各個探測單元輸出電路對積分時間響應的非一致性引起的。因此，在兩點定標非均勻性校正之前，應先對積分時間采用一點校正法，把各個探測器的輸出信號校正為一致。
在均勻輻照強度下，積分時間為t1時獲取整幅圖像M×N個像素單元灰度值的平均值，用如下公式表示：
式中，fij(t)為積分時間t時第(i,j)個像素點的灰度值，fij′(t)為其校正后的灰度值。
3 校正系統組成及工作原理
3.1 硬件組成
系統從功能上由圖像采集、DSP數據處理與存儲部分、圖像輸出、時序控制和邏輯轉換四部分組成。其原理結構框圖如圖1所示。
?
圖像采集部分包括IRFPA和同步FIFO芯片，采用IDT公司生產的一款高速同步FIFO芯片IDT72V263，芯片的深度為8 K，寬度為18位，時鐘頻率為100 MHz，讀寫速度遠遠超過異步FIFO，可以與DSP芯片實現無縫連接[8]。
DSP數據處理與存儲部分主要包括DSP、Flash、SDRAM和DSP外圍電路，其中，Flash用于存放DSP程序和非均勻性校正參數(NUC表)，SDRAM用于存放校正前后的圖像數據。該模塊是系統的主體部分，其主要功能是對采集的圖像進行非均勻校正、對比度增強等。DSP芯片選用了定點數字信號處理器TMS320VC5509A，其時鐘頻率最高可達200 MHz，具有雙乘法器和2個算術/邏輯單元，3條內部數據/操作數讀總線和2條內部數據/操作數寫總線，片上有128KB×16bit的RAM和64KB(32KB×16bit)的ROM，同時它還具有豐富的片內外設，功能十分強大。Flash芯片選用SST39VF400，該芯片的容量為256 K×16 bit， 3.3 V供電，可以刷寫1 000次讀寫時間為70 ns-90 ns( 11 MHz～14 MHz)。SDRAM選用一片4 MB×16 bit、100 MHz 的MT48LC4M16A2芯片，由于TMS320VC5509A只支持16 bit的數據寬度，因此將DSP的字節使能引腳BE1、BE0分別與SDRAM的DQMH、DQML對接，即可實現DSP和MT48LC4M16A2的無縫連接。
圖像輸出部分主要是利用TMS320VC5509A自帶的USB模塊，將處理完的圖像通過USB接口直接傳輸到PC機上進行顯示。
時序控制和邏輯轉換部分主要是由CPLD及其外圍電路完成。其主要任務是控制圖像數據的輸入時序以及DSP對Flash的擴展地址鎖存。CPLD芯片采用EPM7128SLC84-15，它具有2 500個可用門、128個宏單元、8個邏輯陣列塊、最多可用I/O引腳為98個。它還支持多電壓I/O接口特性，允許與不同電壓器件相連。
3.2 工作原理
系統充分利用DSP的GPIO6口和GPIO4口，通過控制這兩個端口的狀態來完成系統的工作。當DSP完成初始化后，令GPIO6=1，開始采集一幀圖像，開啟外部中斷，當外部中斷0產生時，則進入圖像采集子程序，在該程序中DSP每采完一行圖像數據，行計數器j減1，然后判斷j是否為0，即判斷是否采完1幀圖像，若未采滿1幀，直接中斷返回；若采滿1幀(j=0)，則關閉中斷，暫時不再響應CPLD發出的中斷，然后再返回。而主程序在判斷j是否為零期間一直處于等待狀態，直到j=0，則令GPIO6=0，停止采集圖像數據。1幀圖像采集完畢后按下DSP的復位鍵，再采集另一幀圖像。當兩幅圖像采集完畢后，若GPIO4=0，則進行參數采集，即DSP將兩幅圖像轉存入SDRAM中，計算非均勻性校正系數，將NUC表存入Flash; 若GPIO4=1,則進行圖像處理，即根據所計算的參數，對圖像進行非均勻性校正。系統的主程序流程圖如圖2所示，中斷流程圖如圖3所示。
4 實驗結果
用像元數為128×128的紅外焦平面陣列進行紅外圖像非均勻性實時校正實驗,分別把校正前和校正后的圖像進行灰度映射，之后轉換成.bmp圖像文件在VC環境下輸出，得到圖4、圖5所示的圖像，按(1)式對校正前后的圖像數據(電平值)進行計算，計算出的非均勻性分別為9.5 %和2.9 %，校正后圖像的非均勻性降低了近70 %。可見非均勻性得到了很好的改善。
由于采用了具有強大運算能力的DSP器件，并且在校正過程中對實時校正程序采用了匯編級優化，使校正系統的實時性、靈活性和通用性得到了顯著提高，經過本系統處理的紅外圖像其非均勻性也得到了顯著提高。
參考文獻
[1] ?許中勝.紅外探測系統參數關系及實際應用[J].光學精密工程,1999,7(4):81-85.
[2] ?崔敦杰.關于紅外探測器與紅外焦平面陣列探測器性能參數描述方法的商榷[J].光學精密工程,2003,11 (3):
?265-269.
[3] ?HARRIS J G. Non-uniformity correction using the constant-statistics constraint:analog and digital implementations[A].SPIE[C],1997, 3061:895-905.
[4] ?HAYAT M M. Model-based real-time non-uniformity ??correction in focal plane array detectors [A]. SPIE[C],1998,3377:122-131.
[5] ?常本康,蔡毅.紅外成像陣列與系統[M].北京:科學出版社,2006.
[6]?TISSOT JL,(CTLIS),CHATAR J P, MOTTIN E. Technical?trends in amorphous silicon based uncooled IR focal plane ?arrays.The International Society for Optical Engineering，?2002，4820(1).
[7] ?崔洪州,胡勁忠.提高紅外圖像均勻性的兩級校正技術研究[J].激光與光電子學進展,2005(9):32-38.
[8] Integrated Device Technology Inc.IDT72V263 Datasheet.2003.