基于Linux的嵌入式红外热成像系统设计

　　本系统通过红外焦平面阵列探测器将红外图像送入红外图像采集模块并完成模数转化，转化后的数字信号送入图像校正模块进行非均匀校正、测温和滤波处理，校正后的图像数据再送入图像显示终端，图像显示终端将图像信息进行灰度拉伸、伪彩变换后在终端进行显示，并可完成图像分析、图像存储等多种功能。本系统可应用于远程检测和移动监控等多个领域。系统总体方案如图1所示。

图1红外热成像系统框图

　　系统硬件设计

　　1 硬件结构

　　本文设计的红外成像系统的结构可分为红外镜头、信号预处理、数字信号处理、控制显示四大部分，系统硬件结构如图2所示。红外焦平面阵列探测器完成光电转化功能，信号预处理电路包括视频信号分离电路和视频信号调整电路，预处理后的模拟信号经高速A/D转化后由双口RAM送入DSP。由于DSP具有高速的处理能力,要求DSP能有效地与低速外设连接,否则整个系统的数据处理能力就会受到影响,因此需要把图像数据进行高速缓存。双口RAM具有两套独立的数据、地址和控制总线，因而可从两个端口同时读写而互不干扰，并且具有随机存取的优点，读写具有很大的灵活性。DSP完成红外图像数据的非均匀校正、中值滤波等大运算量处理，减轻ARM的运算负担，因此成像系统具有很强的可靠性和实时性。ARM-Linux完成灰度拉伸、伪彩变换、数据分析处理、红外图像显示及系统控制。

图2 红外热成像系统硬件框图

　　2 主要芯片介绍

　　ARM处理器体积小、内核耗电少、具有良好的图像处理能力。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。因此存储器比等价32位代码节省35%，同时保留了32位系统的所有优势。系统处理器采用的是三星公司基于ARM的ARM920T处理器核。本系统选用TI公司的TMS320C6000系列DSP。

　　系统软件设计

　　本文采用嵌入式ARM-Linux操作系统进行系统管理，在编译内核阶段加入了对红外探测器和LCD的支持,在ARM-Linux操作系统下实现红外成像系统应用程序，利用QT实现红外成像系统的界面控制及红外图像显示功能。

　　1 系统控制软件设计

　　系统控制程序控制着系统的初始化、参数配置、图像的采集、校正、分析、显示的全过程，其功能主要分为后台的控制和前台的界面及图像动态显示两大部分。显示终端发送命令后，系统开始初始化过程，设定图像采集模式，启动采集过程。接下来系统将连续查询图像采集控制寄存器的值，查询是否完成一幅图像的采集，如果没有完成，继续查询图像采集控制寄存器，直到查询到采集完成一幅图像，启动图像读取子程序，把图像数据送入到DSP中完成滤波及非均匀校正，校正后的图像数据送入到图像显示子程序中，根据用户指定的显示模式，将灰度图显示为伪彩图，并完成相关的分析处理。程序流程如图3所示。[page]

图3 红外热成像系统软件流程图

　　2 界面及图像显示程序

　　Qt是Trolhech公司推出的一个多平台的C++图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能。Qt具有完全面向对象的特点，很容易扩展，并且允许真正地组件编程。本程序共由QApplication、QWidget、QImageShow和QBmpSave、QtextRemark、QPain五大类组成，其中QimageShow、QBmpSave和QTextRemark是自定义的类。QApplication是QT程序必须有的一个类，每一个QT应用程序都要包含QApplication对象，QApplication管理应用程序各种各样的资源。QWidget类是所有用户界面对象的基类。QimageShow负责红外图像及温度的实时显示。

　　QbmpSave负责红外图像的存储，存储格式为16bitBMP格式。QtextRemark实现了注释文件的新建、打开、编辑等常用功能。

　　图像显示程序

　　采集图像数据为RGB24格式，几个重要函数如下：

　　fd=open(INFRARED_DEVICE,O_RDWR);//打开红外探头设备

　　pict.palette=VIDEO_PALETTE_RGB24;//设置图像格式

　　frames=(unsigned char *)mmap(0,mbuf.size,PROT_READPROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);//通过内存映射获取图像数据

　　构建QimageShow图像表示类，再使用QPaint画图：

　　image=QimageShow(frames+ mbuf.offsets[frame],width,height,QImage::Format_RGB 888);

　　painter.drawImage(QRect ((width()-w)/2,(height()-h)/2,w,h),m_image,QRect(0,0,m_image.width(),m_image.height()));

　　温度动态显示程序

　　用ALPHA通道，使用半透明效果实现跟踪鼠标并输出对应点温度（point.x、point.y记录当前鼠标所指向坐标）。

　　Int Width,Hight;//定义显示框的高度和宽度Pixmap= QPixmap(100,50);//设定显示框大小

　　Pixmap.fill(QColor(255,255,  255,127));//设定温度显示效果为半透明效果

　　Painter.drawpixmap(point.x,point.y,pixmap)//跟踪鼠标显示出对应点温度

　　BMP位图保存程序

　　位图文件(Bitmap-File，BMP)可看成由4个部分组成：位图文件头(bitmap-file header)、位图信息头(bitmap-information header)、彩色表(color table)和定义位图的字节阵列，它们的名称和符号如表1所示。

　　程序先建立存储文件，进行相应的文件信息设置，文件信息的设置要和所采集图像数据一致，否则不能正确显示结果，然后将信息保存到文件中。

参考文献:

[1]. ARM920T datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ARM920T_139814.html.
[2]. TMS320C6000 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/.html.
[3]. frame datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/frame_2528858.html.