7000器件在测量类红外图像系统中的应用

备注：主图是从Fluke TiX1000宣传册中截取
作者：Hello，Panda
基于非制冷探测器的红外测量系统可在各领域广泛应用。如海关、机场等公共场所民众体温监测，芯片、焊点、激光光纤等微米级目标检查，高压输电塔巡线，隧道、大坝、桥梁渗水检测，反应塔、高炉等大型工业设备维护，建筑缺陷检测、地质勘探、火山研究，生命科学和化学研究等等。

1 引子
在进一步展开说明之前，我们先看一组业内标杆Fluke生产的便携式红外热像仪TiX1000的相关指标，如下表1所示。

表1 Fluke TiX1000红外热像仪系统指标

根据表1 Fluke TiX1000红外热像仪，可以看到测量类红外图像系统呈现以下发展趋势：
① 高分辨率和高帧率：
a) 探测器像素可达1024×768甚至更高;
b) 紧密位移成像技术（微扫）可输出四倍有效像素；
c）为满足高速测量要求，可对探测器“开窗”实现高帧率图像输出；
② 多光谱图像融合：和高分辨率CCDCMOS等可见光图像融合；
③ 更宽测量范围和更高测温精度；
④ 激光测距辅助精准对焦；
⑤ 更丰富接口满足远程测量、分布式测量和图像存储等功能；
⑥ 配件可更换:和数码相机一样，可以根据不同的应用需求更换镜头；
⑦ 更加便携和更低功耗。

2 设计考虑的关键因素
参照Fluke的技术指标，影响设计的关键点是：
①高分辨率红外、可见光图像处理和融合；
②图像压缩、传输；
③精准测温、精准自动对焦；
④重量、体积和电池续航时间；

在传统的设计里，红外图像和可见光图像通常经过不同的模组进行预处理，然后再进行融合。这种传统方式的显著缺点是电路复杂，电路板（模组）多，功耗大。既导致了电池续航能力短，又增加了整机的重量和体积，同时可靠性也大打折扣。

那么，有没有一种解决方案可以在单片内有能力完成所有的处理（大量数据处理和高带宽要求），可以显著降低面积和功耗呢？不用怀疑，当前两大FPGA厂商Altera和Xilinx提供的的Cyclone V和ZYNQ-7000系列SoC都可以做到。

两大巨头的SoC都集成了双核Cortex-A9 ARM处理器、可编程逻辑和丰富的外设。软硬件协同处理、完美结合，正符合多光融合的非制冷红外测量系统的应用特点。

在熊猫君的这个例子里面，以Xilinx ZYNQ SoC为例，提供一种设计思路。

3 硬件设计思路
硬件设计的关键是①选用有足够计算资源的器件；②提供足够的缓存和存储带宽；③满足要求的外设接口和I/O资源；④高效率电源系统。

3.1 计算资源考虑
这里的计算资源是一个泛指，包括对可编程逻辑资源和ARM端处理资源的要求。

3.1.1 可编程逻辑资源
可编程逻辑资源消耗分布如下：
① 红外图像处理：包括非均匀性校正、盲元校正、测温模块、降噪与增强、直方图均衡、（IDE）、微扫描图像合成、（宽动态强化高温区和低温区细节）、伪彩色映射、Zoom等；
② 可见光图像处理：ISP、降噪与增强、（宽动态技术）等；
③ 图像融合：红外图像和可见光图像融合；
④ 图像压缩：红外灰度图像特点，一般采用MJPEG压缩保留较多细节和较低延时。
⑤ 显示和接口：OSD图层、Scaler、HDMI接口、LVDS或MIPI CMOS输入接口、ONFI NAND接口、DDR Mig、和PS及DDR交互的AXI DMA等；
⑥自动对焦：梯度或锐度、模糊度计算。

按照一般的思路，没有过于复杂的如神经网络之类的算法，在架构清晰、代码风格比较好的情况下，XC7Z020（85K逻辑）可满足设计要求。如果需要添加更加复杂的检测、识别、跟踪类算法，可考虑选用XC7Z030（125K逻辑），当然器件成本会成倍上升。

3.1.2 缓存带宽资源
一幅红外图像的像素个数是1024×768，一幅可见光图像的像素个数为3840×2160。根据不同情况，一个像素可能占一个或两个字节，标准帧率为30fps，在精确位移打开或宽动态打开的情况下最终输出的帧率会降低，带宽不会成四倍增加。