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基于ARM+FPGA的红外热像仪的研究

作　者: 赵正辉
导　师: 刘莉
学　校: 武汉纺织大学
专　业: 物理电子学
关键词: 红外热像仪 红外图像 ARM FPGA 模块化 实时图像处理 非均匀校正 伪彩色变换
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着红外热成像技术的不断发展和应用,红外热像仪在军事和民用方面越来越体现出独特的优势,表现出巨大的市场潜力和应用前景。但是由于目前红外焦平面阵列(IRFPA)探测器发展的限制,红外热像仪的成像效果还不够理想,同时也导致了整套系统成本较高等原因,影响了红外热像仪在实际应用中的应用效果。因此研制一套高效实用的、功能模块化的红外图像实时处理系统具有重大的现实意义和经济价值。本课题在对红外热像仪图像噪声、对比度等特征进行分析的基础上,以提高红外热像仪的图像质量和增强系统的实时性为出发点,结合已有的图像处理算法,设计和完成了一套模块化的实时红外图像处理系统。本课题完成的主要工作包括:(1)阅读了大量的参考文献,根据红外热像仪高速数据采集、传输、处理的实时性要求,搭建了基于ARM+FPGA的模块化硬件平台。(2)完成了FPGA处理模块、ARM控制模块的电路原理图设计、高速电路板的布局布线和抗干扰设计,并对调试过程中遇到的问题进行了分析和总结。(3)深入研究了红外图像处理的传统算法,采用非线性拟合校正的方法,扩展了校正范围,提升了非均匀性校正的校正精度;针对噪声去除的中值滤波算法进行了改进,同时采用分段线性变换的方法,在人机交互模式下灵活设置红外图像的背景、过渡区和目标的阈值对图像增强处理,并在FPGA上采用硬件的方法,实现了非均匀校正、伪彩变换等图像处理的软件算法。(4)完成了Windows CE操作系统在ARM主控模块上的定制和移植,并实现了矩阵键盘驱动程序和红外热像仪图形化界面等相关应用程序的开发。(5)成功调试了处理模块和主控模块的双口RAM通信,完成了具有精确测温,高分辨率伪彩显示,人机友好界面等多功能的实时红外热像仪的设计。与传统的红外热像仪相比,该系统利用FPGA硬件固有的并行性和独特的查表体系来执行红外图像处理的算法,实现了软件算法硬件化,保证了系统实时性的要求;整套装置采用模块化的设计模式,具有移植性较强,移动便携等优点;广泛适应于夜视监控,红外测温,无损检测等应用领域。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 红外热像仪成像原理  9-10
  1.2 红外热像仪的分类和发展  10-11
  1.3 红外热像仪信号处理系统的背景和研究现状  11-13
  1.4 本论文的主要研究内容  13-15
2 红外图像处理算法研究及改进  15-33
  2.1 红外图像的产生机理及特征分析  15-16
  2.2 红外图像实时处理算法研究及其改进  16-31
    2.2.1 非均匀性校准  17-19
    2.2.2 中值滤波  19-23
    2.2.3 灰度变换  23-27
    2.2.4 伪彩色变换  27-31
  2.3 本章小结  31-33
3 模块化红外热像仪硬件平台的设计  33-42
  3.1 模块化红外图像信号处理系统的基本结构  33-34
  3.2 核心器件的选取原则  34-35
    3.2.1 处理模块FPGA 芯片的特性及介绍  34
    3.2.2 控制模块ARM 芯片的特性及介绍  34-35
  3.3 系统硬件电路设计  35-39
    3.3.1 处理模块电源电路的设计  35-36
    3.3.2 处理模块中SDRAM 接口电路设计  36
    3.3.3 控制模块NandFlash 电路设计  36-37
    3.3.4 控制模块的人机交互接口电路设计  37-38
    3.3.5 ARM 的调试接口电路设计  38-39
  3.4 电路板布线与抗干扰设计  39-40
  3.5 印刷电路板的布局与制作  40-41
  3.6 本章总结  41-42
4 红外图像处理算法的FPGA 设计与实现  42-52
  4.1 非均匀校正的FPGA 设计  42-44
  4.2 中值滤波的FPGA 设计  44-46
  4.3 灰度变换的FPGA 设计  46-49
  4.4 伪彩色变换的FPGA 设计  49-51
  4.5 本章小结  51-52
5 控制模块的软件平台搭建及应用程序开发  52-64
  5.1 Windows CE 5.0 操作系统概述  52-53
  5.2 Windows CE 5.0 驱动程序的作用及分类  53-54
  5.3 矩阵键盘驱动的设计与实现  54-58
  5.4 应用程序的开发  58-64
    5.4.1 非制冷红外热像仪菜单设计  58-59
    5.4.2 非制冷红外热像仪测温系统的实现  59-62
    5.4.3 应用程序的其它功能实现  62-64
6 系统调试与分析  64-71
  6.1 系统硬件调试  64-68
    6.1.1 处理模块与控制模块硬件电路调试  64-66
    6.1.2 处理模块与控制模块的双口RAM 通信  66-67
    6.1.3 调试中的问题分析与解决  67-68
  6.2 系统软件调试  68-70
  6.3 系统测试结果  70-71
7 结论  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
附录  77-89

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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