低成本小体积红外热像仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于红外热成像、红外测温技术领域，涉及一种红外成像产品实现机理。
【背景技术】
[0002]目前市场上热像仪产品按照视频输出类型可划分为两种:一种是模拟视频输出端口，比如CVBS(Composite Video Broadcast Signal)端口 ；另一种是数字输出端口，比如以太网RJ45端口或者无线WiFi端口。对于采用数字输出端口的热像仪，业界通常采用FPGA芯片和DSP芯片配合实现。FPGA芯片主要用于热成像图像算法处理，DSP通常采用带有ARM的双核或多核芯片，实现图像的编解码功能，以实现视频流数据的存储和传输。其中ARM用于整个系统控制和状态查询，以及和外部设备间的通讯。
【发明内容】
[0003]本发明针对数字端口的热像仪，通过采用带有CPU内核的单个FPGA芯片来实现图像处理、编码、报文处理功能，可省去专用的编解码模块，减小了产品体积，并降低了整个产品的成本和功耗，大大提升了产品竞争力。
[0004]为了达到上述目的，设计一款低成本小体积红外热像仪，其特征是包括红外镜头模块用于待测物体所发出的红外线进行成像；探测器模块实现光电转换功能，把红外线的强度转换为对应大小的数字信号；FPGA模块实现图像处理、编码、报文处理及整个产品的控制功能；视频DAC模块实现数模转换功能，把RGB或YUV标准数字信号转换为CVBS或VGA模拟信号输出；PHY模块完成以太网MAC接口转换为lOO/lOOObase-T网口或者无线WiFi端口，从而实现视频信号数字传输及整机产品通讯控制功能；电源模块为整个产品各模块供电。
[0005]其中所述的FPGA模块中，采用可编程逻辑语言来实现图像和视频数据业务处理。其业务处理流程包括成帧单元接收来自探测器输出的像素数据，并根据分辨率、位宽等参数拼接成完整的一幅图像的数据；图像处理单元对红外图像数据进行算法处理；视频接口转换单元针对所选择的视频DAC芯片的数字端口进行匹配，转换为对应格式;MJPEG编码单元对视频流编码为MJPEG格式；报文处理单元对于编码后的视频流打包成标准的以太网数据格式的数据流.’CPU单元用于整机系统控制和状态查询。
[0006]本发明所得到的低成本小体积热像仪具有以下特点:
1.业务处理采用单片带有CPU内核的中大规模FPGA芯片来实现，不需要额外的CPU电路模块及编解码电路；
2.一种采用硬件描述语言处理视频流数据的流程，该流程主要有5个单元构成:成帧单元1、图像处理单元2、视频接口转换单元3、MJPEG编码单元4和报文处理单元5 ；
3.对于该流程的编码单元4，采用MJPEG编码格式，其压缩比率在0.05左右，兼顾了所需的FPGA资源和输出带宽要求，保证产品商业化实现的可行性；
4.对于该流程的报文处理单元5，对MJPEG编码后的视频流数据封装成标准的以太网报文，对于产品的配置和状态查询也采用以太网报文形式，包括但不限于TCP/IP、RTP、UDP等报文格式。
[0007]本发明业务处理部分采用单颗中大规模FPGA芯片来实现，省去了业界常用的
H.264编解码专用芯片及其DDR、FLASH等外围电路，电路印制板面积可减少30%以上，功耗和成本也有明显改善。尤其对于要求热像仪体积小巧的场景，以及对于电力检测、视频监控等需使用较多热像仪的领域，本发明方案具有很大的竞争力。
【附图说明】
[0008]图1是本发明实施例硬件方案框图。
[0009]图2是本发明实施例FPGA内部业务处理流程图。
[0010]图3是本发明设计方案示意图。
【具体实施方式】
[0011]下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
[0012]实施例1。
[0013]如图1、图2所示，本实施例描述的分辨率为640*480的非制冷型网络热像仪为例阐述实现方案，包括红外镜头模块10用于待测物体所发出的红外线进行成像；探测器模块20实现光电转换功能，把红外线的强度转换为对应大小的数字信号；FPGA模块30实现图像处理、编码、报文处理及整个产品的控制功能；视频DAC模块40实现数模转换功能，把RGB或YUV标准数字信号转换为CVBS或VGA模拟信号输出；PHY模块50完成以太网MAC接口转换为100/1000base-T网口或者无线WiFi端口，从而实现视频信号数字传输及整机产品通讯控制功能；电源模块60为整个产品各模块供电；
其中所述的FPGA模块30包括成帧单元I接收来自探测器输出的像素数据，并根据分辨率、位宽等参数拼接成完整的一幅图像的数据；图像处理单元2对红外图像数据进行算法处理；视频接口转换单元3针对所选择的视频DAC芯片的数字端口进行匹配，转换为对应格式；MJPEG编码单元4对视频流编码为MJPEG格式；报文处理单元5对于编码后的视频流打包成标准的以太网数据格式的数据流.’CPU单元6用于整机系统控制和状态查询。
[0014]具体工作时，如附图3所示。
[0015]探测器输出为差分数据信号，逐一输出每个像素的数据。
[0016]FPGA中的成帧单元转换为整帧为单位的RAW数据，并送入到图像处理单元。
[0017]图像处理单元完成图像算法处理后，输出至视频接口转换单元。
[0018]视频接口转换单元可根据视频DAC芯片接口类型进行匹配。例如视频DAC芯片选用CH7024，支持RGB端口，则视频接口转换单元转换为RGB888总线格式并输出至CH7024，进而CH7024转换为CVBS模拟信号输出，直接接到监视器或者显示器进行显示。
[0019]视频端口转换单元所输出的视频流速率计算公式为“像素总数*像素位宽*帧率”，所选探测器像素位宽12bit，帧率30fps，则计算结果如下:
RAff 数据速率=640*480*12*30=110，592，000bps
MJPEG编码压缩比率约0.05，则经过MJPEG编码后的数据速率约5Mbps。编码后的数据送出到报文转换单元，打包成标准的以太网数据后送出至以太网PHY芯片。本实例中PHY芯片型号为RTL8211，可配置为标准的100/10base-TX模式。
[0020]在FPGA内部，使用QUARTUS II和N1S II软件工具实现CPU功能，从而实现对整个产品的控制，并可通过网口实现对产品的配置和状态查询。RJ45网口可接到NVR (网络视频录像机)或者服务器上，对MJPEG视频流进行编解码、存储等操作，并可通过NVR或者服务器来配置或查询热像仪工作状态。
[0021]在FPGA内部各功能单元中，MJPEG编码单元需占用约9K逻辑单元，CPU软核单元需占用4K逻辑资源，图像算法单元需占用20K逻辑资源，共计约40K逻辑资源，故选用ALTERA公司型号为5CEFA5F23C7的FPGA，其逻辑单元共计77K。
[0022]FPGA下挂两片DDR3内存芯片，一片是图像处理单元用作缓存，另外一片由N1S软核使用。FPGA下挂一片FLASH，用于存储CPU程序，以及图像算法所需的配置数据。
[0023]上述所举实例为为一款分辨率为640*480的非制冷网络型热像仪硬件方案，其性能规格不低于业界通用产品。本发明重点阐述一种硬件方案架构以及FPGA内部业务处理流程机制，可适用于分辨率最高可达1280*720的各种制冷、非制冷热像仪产品。本文所列举的实际芯片型号仅作为例证给出，包括但不限于同一系列芯片或者不同厂商同类芯片。
【主权项】
1.一种低成本小体积红外热像仪，其特征是包括红外镜头模块用于待测物体所发出的红外线进行成像；探测器模块实现光电转换功能，把红外线的强度转换为对应大小的数字信号；FPGA模块实现图像处理、编码、报文处理及整个产品的控制功能；视频DAC模块实现数模转换功能，把RGB或YUV标准数字信号转换为CVBS或VGA模拟信号输出；PHY模块完成以太网MAC接口转换为100/1000base-T网口或者无线WiFi端口，从而实现视频信号数字传输及整机产品通讯控制功能；电源模块为整个产品各模块供电； 其中所述的FPGA模块中，采用可编程逻辑实现图像及视频数据业务处理，包括成帧单元接收来自探测器输出的像素数据，并根据分辨率、位宽等参数拼接成完整的一幅图像的数据；图像处理单元对红外图像数据进行算法处理；视频接口转换单元针对所选择的视频DAC芯片的数字端口进行匹配，转换为对应格式；MJPEG编码单元对视频流编码为MJPEG格式；报文处理单元对于编码后的视频流封装成标准的以太网数据格式的数据流;ARM单元用于整机系统控制和状态查询。
【专利摘要】一款低成本小体积红外热像仪，包括红外镜头模块用于待测物体所发出的红外线进行成像；探测器模块实现光电转换功能，把红外线的强度转换为对应大小的数字信号；FPGA模块实现图像处理、编码、报文处理及整个产品的控制功能；视频DAC模块实现数模转换功能，把RGB或YUV标准数字信号转换为CVBS或VGA模拟信号输出；PHY模块完成以太网MAC接口转换为100/1000base-T网口或者无线WiFi端口，从而实现视频信号数字传输及整机产品通讯控制功能；电源模块为整个产品各模块供电。本发明业务处理部分采用单颗中大规模FPGA芯片来实现，省去了业界常用的H.264编解码专用芯片及其DDR、FLASH等外围电路，电路印制板面积可减少30%以上，功耗和成本也有明显改善。
【IPC分类】H04N5/33, H04N7/18
【公开号】CN104883518
【申请号】CN201510235506
【发明人】李毅, 陈平山, 闫树军
【申请人】杭州奕霖传感科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月11日