基于LabVIEW的高速图像实时采集显示系统设计

刘明，张保贵，张原野，袁远

（1.北京空间机电研究所，北京100094；2.中国空间技术研究院天基空间目标监视技术核心专业实验室，北京100094）

可见光探测是航天和国防研究的热点领域，目前可见光相机通常选用CCD 或CMOS 传感器，输出的图像朝着更高分辨率、更高帧频的方向发展[1-2]，这对图像采集系统提出了更高的要求[3-5]。传统的图像采集系统只能对固定的接口进行单通道数据采集，且采集速率较低；当相机接口改变后，需要完全重新设计图像采集系统，增加研发的周期和成本。LabVIEW 是NI 公司推出的一种虚拟仪器开发平台，将计算机资源与仪器硬件、DSP 技术相结合，采用可视化的图形编程语言编程，并集成了包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和PID 控制等众多模块[6-8]。选择NI 公司的PXIe-7962R 作为系统的图像采集卡，设计接口电路，并将数据采集卡和接口电路板整合在通用工控机上，设计驱动程序和系统应用程序，形成新一代图像采集系统。当采集不同数据接口的CMOS 相机的图像时，只需重新设计接口电路。与传统图像采集系统相比，该系统具有研发周期短、集成度高、通用性好等特点，可广泛运用于CMOS 相机图像采集和光学性能测试。

1 系统组成及工作原理

1.1 图像采集卡简介

PXIe-7962R 图像采集卡采用PXI 总线设计。PXI 是一种坚固且基于PC 的平台，适用于测量和自动化系统。PXI 结合了PCIe 的电气总线[9-10]特性与CompactPCI 的模块化及Eurocard 机械封装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性。PXI 的高性能、低成本部署平台可用于多种领域，例如制造测试、军事和航空、机器监控、汽车和工业测试[11]。

PXIe-7962R 采集板由两大模块组成：用于PXI和PXI Express 的NI Flex-RIOFPGA 模块和提供高性能模拟和数字I/O 的NI FlexRIO 适配器模块，它们共同构成一款可重新配置的仪器。用户可通过NI FlexRIO适配器模块开发套件(MDK)，创建自定义I/O，精确满足应用的需求。该图像采集卡支持高性能点对点数据流技术，点对点数据流是NI 开发的一项新技术，能够实现多个FPGA 模块之间的直接数据读写，或是指定PXI Express 模块化仪器和FPGA 模块之间的直接数据读写，且无需将数据传回主机处理器[12-13]。PXIe-7962R 具有的特性：针对DSP 的Virtex-5SX50T FPGA, 通过NI LabVIEW FPGA 模块对其编程512 MB 板载DDR2 DRAM；可访问132 条单端I/O 线且可配置为66 组差分线对；通过NI FlexRIO 适配器模块开发套件(MDK)可进行自定义的I/O；16 路DMA 通道,实现速率超过800 MB/s 的高速数据读写；可互换并可定制I/O；面向LabVIEW FPGA；兼容面向PXI 的NI FlexRIO FPGA 模块；通过NI FlexRIO 适配器模块开发套件(MDK)，可定制前端；可使用第三方适配器模块和设计。

1.2 图像采集系统的组成和功能

系统主要由工控机、PXIe-7962R 图像采集卡和接口电路组成，外设包括显示器和鼠标键盘。系统的组成如图1所示。

图1 图像采集系统组成

CMOS 相机输出多路并行LVDS 信号给接口电路；接口电路将接收的差分信号转换成单端信号输入给图像采集卡，通过NI LabVIEW FPGA 模块对板载FPGA 进行编程，采集CMOS 相机的图像；PXIe-7962R 数据采集卡和工控机内存通过PXIe 总线交互数据，工控机接收数据后，对数据进行显示和存储。图像采集系统的总体指标：实现四通道图像实时采集和显示；使用同步并行图像数据接口：一个帧同步信号（可忽略，上升、下降沿有效可设置）、一个门控信号（高、低电平有效可设置）、一个时钟信号（上升、下降沿采样可设置）和并行数据信号（1、4、8 可设置），数据传输时钟最高频率为120 MHz；能够通过上位机软件独立设置4 个接口的协议和图像格式；能够对采集到的四路图像数据进行解析，并同时显示在屏幕上；能够对采集到的四路图像数据进行统计、计算等处理；能够实时计算图像的MTF 和SNR等；能够选择四路图像数据进行存储及回放；具有降低噪声功能，并能实时显示降低噪声后的图像；具有测试设备自检能力。

1.3 接口电路设计

该图像采集系统主要采集CMOS 相机的高速并行LVDS 信号。LVDS 是低电压差分信号，采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点。PXIe-7962R 图像采集卡可以接收LVTTL 单端信号，设计LVDS 差分信号转LVTTL单端信号接口电路，连接CMOS 相机和PXIe-7962R图像采集卡。

接口电路由隔离电路和信号转换电路两部分组成。选取ISO7240M 数字隔离器，对输入信号和PXIe-7962R 图像采集卡进行电压隔离，ISO7240M芯片的内在结构如图2所示。

图2 ISO7240M芯片内在结构

该型号隔离芯片具有的特点：4 个通道；最高数据率达到150 Mbps；250 kVrms 隔离电压；最高工作温度为105 ℃；3.3 V/5 V 的电平转换；带有输出使能的功能；低功耗工作：精确定时特性：2 ns 的最大脉冲宽度失真；2 ns 的最大通道与通道之间的不匹配；高共模瞬态抑制能力：大于25 kV/μs。

选取RH_LVDS32 芯片，进行LVDS 差分信号和LVTTL 单端信号的转换，选取100 Ω 电阻进行传输线阻抗匹配，接口电路信号转换原理如图3所示。

图3 信号转换原理图

2 软件设计

使用LabVIEW 平台编程，软件由FPGA 驱动程序和Windows 应用程序两部分组成。FPGA 驱动程序由时序控制、数据采集和数据通信三部分组成；Windows 系统应用程序由数据通信、数据处理、磁盘管理和用户界面四部分组成。软件架构如图4所示。

图4 系统软件架构图

2.1 FPGA驱动程序设计

CMOS 相机按照时钟、数据、门控三线协议输出图像，当门控为低且为时钟上升沿时，CMOS 相机输出图像，图像采集设备也在同样条件下开始采集数据。CMOS 相机输出图像时序图，如图5所示。

图5 CMOS相机输出图像时序图

当图像采集系统工作时，PXIe-7962R 和工控机以DMA 传输方式直接通过PXIe 总线交互数据。在实现DMA 传输数据前，CPU 要把总线控制权交给DMA 控制器，而在结束DMA 传输后，DMA 控制器应立即把总线控制权再交回给CPU，DMA 传输方式无需CPU 直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM 与I/O设备开辟了一条直接传送数据的通路，提高了CPU的效率[14-15]，工作步骤如下：

1）DMA 请求

当图像采集系统接收到采集数据指令后，PXIe-7962R 图像采集卡中FPGA 的相应I/O 接口提出DMA 请求，CPU 对DMA 进行初始化操作，初始化后CPU 向I/O 接口发送控制指令。

2）DMA 响应

DMA 控制器首先对DMA 请求进行优先级及屏蔽的判断，再向总线裁决逻辑单元提出请求。当CPU 执行完当前总线周期即可释放总线控制权。此时，总线裁决逻辑输出总线应答，表示DMA 已经响应，通过DMA 控制器通知I/O 接口开始DMA 传输。

3）DMA 传输

DMA 控制器获得总线控制权后，CPU 立即挂起或只执行相应指令。DMA 控制器发送读写命令，直接控制RAM 与I/O 接口进行DMA 传输，FPGA 直接将高速FIFO 中的数据传送进工控机的内存，传送过程中不需要CPU 的参与。

4）DMA 结束

完成数据传输后，DMA 控制器立即释放总线控制权，同时向I/O 接口发出结束指令。当I/O 接口收到结束指令后，立即停止I/O 设备的工作，并向CPU 提出中断请求，使CPU 从不介入的状态解脱，并执行一段检查该次DMA 传输操作正确性的代码。最后，带着该次操作结果及状态继续执行原来的程序。

2.2 Windows系统应用程序设计

多任务是一种多个任务共享处理资源（如CPU）的方法。多任务实质是指操作系统在每个计算任务间快速切换，以致于看上去不同的应用似乎在同时执行多项操作。当CPU 时钟频率稳步提高时，不仅应用程序的运行速率可以更快，而且操作系统在应用间的切换速率也更快。一台计算机可以同时发生多项操作，每项应用可以更快速地运行。将多任务的思想拓展到应用，将单个应用中的特定步骤进一步分解成一个个线程，每个线程可以并行运行。操作系统不仅在不同的应用任务间分配处理时间，而且在一项应用的每个线程间分配处理时间。图像系统应用程序采用多线程设计，一个主线程、一个文件管理线程、一个人机交互线程，每个线程并行运行，提高了CPU 的利用效率和系统的可靠性。主线程和磁盘管理线程采用轮询方式编写，主线程不断轮询DMA 通道，从下位机读取采集到的数据，经过缓冲后进行显示和保存，应用程序设计框图如图6所示。

图6 应用程序设计框图

3 MTF算法设计

调制传递函数（MTF）是描述光学遥感系统对光学信号调制度的传递特征的函数。它实际上表示了空间相机在不同空间频率下，对目标对比度的传输能力[16-17]。

CMOS 相机MTF 测试通常采用刃边法，刃边法在图像上选择具有一定反差的两块相邻均匀亮暗物的直线边界，通过测定成像系统对这一边界的模糊情况来确定系统在各种空间频率上的响应。

Nyqiust 频率处MTF 的计算方法见式（1）：

式中，Imax为相邻的一对亮暗条纹中的最大亮度；Imin为相邻的一对亮暗条纹中的最小亮度。

以五线靶标为例，如图7所示，5 根亮线的相邻处有8 处，分别计算MTF（处数可选：1～8），找出其中最大的MTF，作为该组的MTF 值，共有10 组这样的五线靶标，找出最大的MTF（组数可选：1～10），亮暗取多行平均（行数可选：1～100），10 组五线靶标，共9个间隔，软件自动求出间隔。

图7 MTF测试用五线靶标示意图

假设当前需要计算的靶标图像区域如图8所示（亮暗为明暗条纹）。

图8 五线靶标成像示意图

对当前靶标图像进行列平均，对得到的9 个DN值根据公式计算相邻明暗条纹的传函，得到8 组传函值，再对得到的8 组传函值进行平均，即可得到传函的当前平均值。同理，下一时刻又可得到8 组传函值，对于8 组传函值中的每一组，取不同时刻的最大值，对取得的8 组最大值取平均即可得到传函的平均最大值。详细计算过程如下：

1）选定测试区域；

2）对列灰度进行平均，得到DN1～DN9；

3）相邻灰度计算得到8 组MTF；

4）不同测量时刻得到不同的8 组MTF，对应列位置的MTF 取最大值。

示例如下：

T0 时刻得到：MTF1-0、MTF2-0、MTF3-0、MTF4-0、MTF5-0、MTF6-0、MTF7-0、MTF8-0；

T1 时刻得到：MTF1-1、MTF2-1、MTF3-1、MTF4-1、MTF5-1、MTF6-1、MTF7-1、MTF8-1；

…

最终结果：

MTF1=max（MTF1-0，MTF1-1…）

MTF2=max（MTF2-0，MTF2-1…）

…

MTF8=max（MTF8-0，MTF8-1…）

MTF=均值（MTF1，MTF2，MTF3，MTF4，MTF5，MTF6，MTF7，MTF8）

传函区域最大值=max（MTF1，MTF2，MTF3，MTF4，MTF5，MTF6，MTF7，MTF8）

4 试验和测试

使用图像采集设备同时采集4 台CMOS 相机输出的图像数据，系统工作时界面见图9，由图9可以看出，图像采集系统实时采集和显示四通道数据，图像细节丰富。对图像采集系统进行240 h 的老炼测试，无丢帧等异常现象，图像采集系统工作正常，满足使用要求。

图9 图像采集系统工作界面

5 结 论

基于LabVIEW 平台设计了高速实时图像采集显示系统，极大地缩短了设计周期，降低了设计成本。与传统图像采集系统相比，该系统具有集成度高、通用性好和易于维护等特点。通过连接CMOS相机进行试验表明，此系统可以实时采集和显示四通道数据，最高可以采集120 Mb/s、8 bit 并行的图像数据，并具有实时计算图像MTF 等功能。基于LabVIEW 的虚拟仪器设计已经成为现代测控设备的一种解决方案，该解决方案可以运用到更多的测控设备上。