[发明专利]基于开窗异或的微悬臂梁阵列红外图像重构方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种微悬臂梁红外成像系统红外图像重构的方法，该方法主要应用于双材料微悬臂梁焦平面阵列式非制冷红外成像系统中，相比于目前同类型的红外成像系统普遍采用的方法，该方法在降低设计复杂度的同时能够降低处理数据的位宽，从而提高图像重构速度并改善所成红外图像的质量。

背景技术

在光学读出式微悬臂梁红外成像系统中红外图像的重构是一项重要技术。为了能够得到红外图像，在成像系统的像平面所接收到的微悬臂梁焦平面阵列(FPA)的图像必须进行重构。目前，普遍采用的重构方法就是包含红外目标的FPA图像同不包含红外目标的FPA图像进行取差。这种两帧图像相减的方法虽然理论简单，但是却存在两个较大的缺陷，首先，在像平面用于采集图像的电荷耦合器件传感器(CCD)位数越高(如12位模数转换精度的CCD，其模数转换后为12bit格式数据)，在图像重构运算中数据位宽就越大(大于8位的CCD通常需要存取为16位宽的数据进行运算)，导致系统高速采集图像时实时性下降；其次，两幅图像相减操作可能出现负数，因此首先需要比较像素大小，以防出现负数导致数据溢出，不利于后续的处理，并且在实时采集红外图像时易受外界环境干扰从而产生背景噪声。

发明内容

为了克服现有的双材料微悬臂梁红外成像系统红外图像重构方法的不足，本发明专利提供一种新的方法，该方法既可以在采用12位CCD或更高位数CCD情况下有效降低处理数据的位宽又可以防止因为运算出现负数而数据溢出。这就是位平面开窗异或方法。

该方法所采用的技术方案是：首先，设计基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)的图像处理硬件平台，以12位数字CCD为例，在CCD接收到微悬臂梁焦平面阵列的光强分布并通过12位精度的模数转换芯片转换为数字图像之后，通过FPGA控制SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)帧存图像数据。然后，分析图像数据每一位的成像特性(图像位平面分析)；根据位平面分析的结果，进行图像数据位的选择，通常选择8位数据构成新的图像(开窗截取操作)，将图像的数据位宽由12位降为8位。接下来，以8位位宽的数据格式重新帧存初始帧，将采集的每一帧开窗后的图像数据分别与初始帧图像数据进行按位异或操作。因为数字图像的每一个像素点的灰度是由表示该像素点的数据的每一位二进制值共同决定的，在按位异或运算的作用下，当两帧图像对应像素点数据不同时对应位二进制值结果为1，相同时为0，从而检测出了其后每一帧图像与初始帧图像的差别并将其输出。输出的图像数据体现为红外辐射的分布，达到了红外图像重构目的。

有益效果

该方法通过图像位平面的分析实现了图像数据的开窗操作，能够有效地降低处理数据的位宽，同时由于是通过对两帧数字图像数据进行按位异或操作，相比与旧有的方法而言，原理更为简单且实现容易，同时减小了系统设计的复杂度并降低了实时处理的运算量，可以更好的抵抗外界干扰。通过实验表明即便采用信噪比较低的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器仍能得到较好效果，既降低了成本又为后续处理提供了极大便利。

具体实施方式

第一步，建立以FPGA作为处理核心，SDRAM作为外扩存储器的图像处理硬件平台。该平台带有CCD或CMOS图像传感器接口，能够采集CCD输出图像数据；

第二步，启动微悬臂梁红外成像系统，其核心单元——双材料微悬臂梁焦平面阵列接收到外界红外辐射之后，阵列上的微悬臂梁发生偏转，通过读出光路将偏转角度转化为CCD可探测光强；

第三步，在12位数字CCD接收到微悬臂梁红外成像系统光学读出模块的光强信号之后，通过FPGA控制SDRAM帧存图像数据，(采用16bit位宽的SDRAM帧存12bit的图像数据，不足的补零)；

第四步，分析图像数据每一位的成像特性(图像位平面分析)；然后，根据位平面分析的结果进行图像数据位的选择，通常选择8位数据构成新的图像(开窗截取操作)；

第五步，通过FPGA的控制在高速存储器SDRAM中开辟两块缓存区A1和A2，这两块缓存区大小相同且能够容纳一帧数字图像；

第六步，在FPGA控制下将经过位平面开窗后的初始帧数字图像数据存入缓存区A1并保持不变，A2则作为一个可变的临时缓存区，将其后的每一帧开窗后图像数据在A2里面进行一次帧存；

第七步，在FPGA里面将缓存区A1的图像数据和可变缓存区A2的图像数据进行异或运算，然后将运算后的数据输出到标准显示设备上(如：液晶显示器)，重构出的红外图像便通过显示设备显示出来了。