1.芯片功能及用途介绍

本文提出并设计一种面向非制冷红外成像的图像处理专用SoC芯片，芯片包括一个CPU、两个DSP处理器和一个红外图像处理专用加速器，单芯片可实现非制冷低功耗红外图像的非均匀校正、图像滤波、直方图均衡、数字图像增强、条纹消除和目标检测跟踪等实时图像处理功能；设计面向SoC芯片应用的红外图像处理算法。采用65-nmCMOS工艺研制了非制冷红外图像专用处理SoC芯片，实现了小型化和低功耗的非制冷红外成像系统，系统可 以实现清晰的非制冷红外成像、目标检测及目标跟踪等功能。

2.芯片架构及各组成模块介绍

2.1 SoC芯片架构

下图是非制冷红外图像处理SoC芯片的系统架构，它包括一个CPU、两个DSP处理器、图像处理加速器、片上SRAM及各种通用接口，各个功能模块通过总线结构相互连接。CPU作为主控设备，完成芯片的工作控制，图像处理加速器完成图像校正和增强处理，DSP0和DSP1进行高层级的图像处理，其它处理模块作为辅助运算系统，完成运算处理。

图像加速器主要包括图像预处理和图像增强两个模块。主要完成非均匀校正、条纹消除、图像细节增强、图像滤波四大功能。芯片含PAL、Camer⁃alink视频接口、32bit@1600M数据率DDR接口和各种通用数据通信接口。

2.2图像处理加速器设计

红外图像实时处理的数据量大，以1024×768规模的红外焦平面阵列为例，如果每个像元信号精度是12bit，图像60帧/秒，则传输的数据量高达67.5MB/s，对图像处理SoC芯片的运算能力提出了很高的要求。红外图像处理加速器通过硬件并行处理的方式提高处理速度，主要包括如下图像预处理和图像增强两个模块，辅助DSP实现各种不同的图像处理算法，包括对图像进行预处理、图像增强、温度探测、图像识别、目标跟踪测量等等。

图像预处理模块内部包括图像校正、滤波模块、数据控制器和存储器，主要完成非均匀校正（NUC）中的定标校正、基于场景的校正及图像滤波等实时性强的图像处理任务，通过流水线方式处理16位像素数据。针对红外成像系统因成像器件单元空间非均匀性导致的噪声问题，非均匀校正算法采用二点校正法和多项式拟合相结合的方法进行定标校正，同时结合基于场景的校正方法如神经网络法、恒定统计法及高通滤波法等实时更新校正系数，弥补时间漂移问题，形成软硬件结合的高效设计。算法流程包括盲元检测、两点/多项式校正及多种实时校正算法，全面解决红外图像畸变及模糊问题。

图像增强处理模块主要对预处理后的图像进行数字细节增强，功能包括多种滤波（低通、均值、高斯、双边滤波等）、非线性变换（傅里叶变换、指数变换、对数变换等）、图像分层（支持最多5层分层）、线性变换及求和等，其滤波模块最大支持9×9可配置掩模。由于红外图像相比可见光图像在信噪比、对比度及成像细节上较差，通过增强图像的目标特性与背景对比度，可以显著改善红外成像质量，满足城市安防、无人机搜救等领域对图像显示效果的高要求。模块采用空间域和频率变换域的算法，结合硬件实现主要算子，提升了SoC芯片在图像增强算法上的处理能力，为红外成像系统的优化提供了重要支持。