CN101860657B - 大视场可见红外双通道相机图像采集同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场TDI-CCD和红外双通道相机异步、可变传输码率图像采集方法及其***。双通道图像采集方法采用软硬件流水线的方式同步两通道的变码率数据，结合软件中的双线程和双缓冲的模式，保证了有效数据不丢失。双通道图像采集***由红外探测器、TDI-CCD、实验光学***和平台、探测器驱动板、图像采集板、PCI7300A采集卡、上位机图像采集软件组成，从硬件和软件两方面解决了大视场相机中数据不同步、码率各异的两类探测器的高速实时同步采集和显示的问题，其中用到的硬件和软件平台能够直接应用于类似的双通道图像数据采集任务中，并可扩展到多通道变码率数据采集任务中。
Description
技术领域
本发明涉及光电仪器技术，具体指一种大视场可见和红外双通道相机图像采集方法及其***，它直接应用于类似的双通道相机成像任务中。
背景技术
各种探测器的成像机理各不相同，例如红外探测器是利用目标的红外辐射能力将目标和背景的温差用不同的灰度级体现在红外图像中，而可见光探测器是利用目标对可见光的反射量来决定图像的灰度值。本发明中应用到的TDI-CCD，利用噪声信号非相干相加、有用信号线性相加的原理，能够在微光的场合得到可见光图像。包含多通道探测器的大视场相机，可以在更广阔的空间和时间范围探测到目标，应用前景十分广泛。因此，在数据上传参数不同的前提下同步采集相机中多通道探测器的图像是解决这类问题的关键技术。
目前，单一探测器的图像采集过程一般分为以下几步：电流信号经过探测器中的读出电路转换成电压信号；经过放大电路将电压值放大到合适的范围，经过A/D转换器转换成数字信号；将串行的数字信号转换为并行的适合于上传和存储的字或字节，经过特定的采集设备(PCI/USB等)采集上传至上位机；上位机软件接收和处理图像数据。当同一相机中用到两通道或多路探测器实时采集和传输时，前面两个步骤基本不变，由于大视场的要求，光学***采用共光路的设计，两通道探测器为了达到实时的采集，需要在后面两步中同步两通道图像数据。
本发明中两类探测器数据的不同步表现在：
(1)驻留时间不同：红外探测器的驻留时间长于TDI-CCD。TDI-CCD中电荷从N级到N+1级的转移时间必需等于驻留时间，且由任务和器件本身决定，不可随意更改。
(2)行数据率不同：红外探测器采用的是2048元长线列器件，TDI-CCD采用的是4096元可见光探测器。两者统一加上200BYTE行头，行数据量不同。
(3)数据读出频率不同：红外探测器串行数据读出频率低于TDI-CCD，由***本身所决定，且红外、可见的数据读出频率可变，可根据要求进行调节。
按照常规的传输方式，上述三个指标存在的差异不可避免会造成有效数据丢失的情况。解决上述三方面的不同给实时采集两通道探测器图像带来的问题是本发明的一项关键技术。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种大视场多通道相机中同步不同类型探测器的数据上传和接收的方法，并从整体构建双波段图像采集的软件和硬件并存的***，解决了大视场相机中数据不同步、码率各异的两类探测器的高速实时同步采集和显示的问题。
本发明双通道图像采集***的技术方案为：红外探测器和TDI-CCD探测器输出的模拟信号经过探测器驱动板的A/D转换和格式编排之后成为两通道独立的串行数字信号，由LVDS差分输出；经图像采集板的LVDS接收后，图像采集板中的FPGA将两通道数据转换为以字节为单位图像数据，采用流水线方式同步两通道数据；上位机中安装PCI7300A采集卡，同步后的两通道数据由图像采集板的PCI连接件上传至上位机，上位机软件负责实时接收和处理两通道图像数据。其中，图像采集板和上位机软件共同协调来完成两通道探测器数据的同步。
本发明中图像采集板的同步技术方案步骤分为：
S1.1、图像采集板的LVDS同时接收探测器驱动板输出的两通道探测器的3组差分信号，包括时钟信号、使能信号和串行数字信号，输入图像采集板的FPGA中。
S1.2、FPGA接收转换后的单端TTL信号后，分别将两通道串行数据转换为字节的形式。
S1.3、两通道分别检测行头，当行头到来时，将并行数据输入FPGA中各自开辟的异步FIFO缓冲区存储。
S1.4、两通道上传的阈值分别设为相应每行数据量(可见光通道上传的阈值设为4096+200字节，红外通道设为2048+200字节)，两通道上传的实际量为其中较大阈值的数据量。当任意一个缓冲区的数据达到各自设定的阈值时，数据未达到的通道保留有效数据，用无效数据上传。当为红外通道先达到自身阈值时，红外通道的有效数据后还需添加无效数据才能凑齐至上传量。这样的流水线结构的目的是使两通道数据拼凑成双字形式，利于32位的PCI采集卡同时上传。
S1.5、并行的32位数据由FPGA给定的触发信号PCI_TRG和时钟PCI_REQ，经过PCI7300A采集卡采用外部触发模式上传至上位机。
本发明中上位机软件的同步技术方案步骤分为：
S2.1、开启数据采集主线程。初始化PCI-7300A卡的硬件和软件状态，为采集卡分配并初始化相关内存区域，确定数据采集的触发方式和采集模式，并分配暂存的数据多缓冲区。
S2.2、当PCI采集卡的任一缓冲区达到全满状态时，进入数据处理从线程。根据行头判断两通道数据是否是有效数据，提取有效通道的数据。
S2.3、存储有效数据。当红外通道数据有效时，存储时还需进行减背景操 作。
S2.4、当存储的有效数据达到一帧时，将图像数据以位图的形式显示并存储。
S2.5、程序重新回到数据采集主线程，直到人为结束。
本发明双通道采集的同步方法具有的技术特征为：
(1)采用流水线工作方式，保证两通道数据在数据率不匹配的情况下，都能存储至缓冲区，形成一帧完整的图像。
(2)采用Windows多线程模式，满足***对高速实时采集和处理的要求。引入Windows的多任务处理技术(multitasking)，将软件的流程开辟为数据采集主线程和数据处理从线程的双线程模式。
(3)采用双缓冲模式，配合多线程的处理方式完成数据“乒乓”操作，合理利用***资源。
附图说明：
图1是本发明的***结构示意图。
图2是本发明的探测器驱动板功能示意图。
图3是本发明的图像采集板功能示意图。
图4是本发明的图像采集软件总流程图。
图5A是本发明的图像采集软件数据采集主线程流程图。
图5B是本发明的图像采集软件数据处理从线程流程图。
图6是本发明的图像采集软件界面截图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施的步骤对本发明作进一步的说明：
结合图1，红外探测器、TDI-CCD和光学***搭建在实验转台上，红外探测器和TDI-CCD位于光学***后端。两个探测器的读出电路由屏蔽线分别接到相同的两块探测器驱动板上。两驱动板的LVDS引出共6组数字差分信号， 输入图像采集板的LVDS接收端。图像采集板的PCI连接件与上位机中内置的PCI7300A采集卡连接。
结合图2，探测器驱动板中A/D转换器需要调节，放大器的动态范围根据探测器的增益来适当调节。
结合图3，图像采集板中FPGA选用XINLINX公司的SPARTAN 3A系列。在图像采集之前，用XINLINX公司的USB下载线将程序下载并固化到外置的PROM中，图像采集板上电后即可工作。
结合图6，上位机软件编写有***参数设置对话框，在采集之前需要设置一帧图像的扫描行数、PCI采集卡的模式、图像校正方式、显示存储的属性以及实验条件等参数。采集和停止按键分别负责开启和停止采集任务。背景按键负责开启红外图像减去暗背景操作中数据的采集任务。在实验环境温度和辐射光照变化比较大时，需先采集当前暗背景，保证暗背景对红外图像的影响较小。任意通道采集到图像后，均显示在对应的界面中，并实时存储。
通过以上步骤，建立起一个完整、实时的双通道相机图像采集***。
Claims (4)
1.一种可见和红外双通道相机图像采集同步方法，其特征包括以下步骤：
1)在图像采集板的FPGA中开辟两个相应数据量冗余的异步FIFO，将串行数据转换为字的形式，当检测到行头时存储一行数据输入FIFO中存储，通过判断两个FIFO中的数据是否达到各自的阈值，当任意一路到达时将另一路用无效数据补齐，触发PCI采集卡上传数据至上位机；
2)在上位机中安装PCI采集卡驱动后，对缓冲区进行设置，在上位机的***内存中开辟双缓冲区，来接收PCI采集卡上传的图像数据，通过两个缓冲区数据的乒乓操作实现数据的实时无丢失；
3)上位机中的图像采集处理软件采用双线程模式，开启数据采集主线程，初始化PCI-7300A卡的硬件和软件状态，为采集卡分配并初始化相关内存区域，确定数据采集的触发方式和采集模式，并分配暂存的数据多缓冲区；当PCI采集卡的任一缓冲区达到全满状态时，进入数据处理从线程，根据行头判断两通道数据是否是有效数据，提取有效通道的数据。
2.根据权利要求1所述的可见和红外探测器双通道相机图像采集同步方法，其特征在于：步骤1)中所述的图像采集板的FPGA存储两路数据时采用流水线的工作方式，两通道数据存在两路有效数据同时和分别到达的情况，这种工作方式可以保证不丢失任何通道的有效数据。
3.根据权利要求1所述的可见和红外探测器双通道相机图像采集同步方法，其特征在于：步骤2)中所述的上位机中为PCI采集卡开辟双缓冲区，在PCI采集卡初始化过程中开辟的双缓冲区能够完成数据的“乒乓”交替接收和处理，保证***的实时性。
4.根据权利要求1所述的可见和红外探测器双通道相机图像采集同步方法，其特征在于：步骤3)中所述的上位机图像采集处理软件采用多线程的方式，分别用数据采集主线程完成PCI采集卡和分配缓冲区初始化工作，数据处理从线程完成图像显示和存储处理工作，多线程的工作方式满足了***连续采集的实时要求。
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