一種自適應(yīng)紅外圖像增強(qiáng)處理的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　摘要：本文介紹了一種自適應(yīng)平臺(tái)直方圖算法對(duì)紅外圖像增強(qiáng)處理及該算法在FPGA器件上的實(shí)現(xiàn)。該方法是根據(jù)圖像的直方圖，自適應(yīng)地選擇平臺(tái)閾值，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)平臺(tái)直方圖均衡化，增強(qiáng)了目標(biāo)的對(duì)比度。在FPGA上實(shí)現(xiàn)了該算法，對(duì)紅外圖像進(jìn)行了增強(qiáng)處理，使紅外圖像的清晰度得到極大的提高，目標(biāo)灰度級(jí)得到擴(kuò)展，抑制噪聲，并且利于將目標(biāo)與背景區(qū)別開來(lái)。

　　引言

　　紅外成像技術(shù)是當(dāng)今科技發(fā)展的熱點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用。但是由于受紅外探測(cè)器件的影響，紅外成像儀的成像效果還不夠理想，主要表現(xiàn)為圖像中的目標(biāo)與背景區(qū)分不明顯、對(duì)比度低、噪聲大、信噪比低等缺點(diǎn)，因而紅外圖像處理首要解決的問(wèn)題是圖像增強(qiáng)。要實(shí)現(xiàn)圖像的增強(qiáng)處理，主要有兩個(gè)途徑：一是改善探測(cè)器性能，一是在紅外圖像系統(tǒng)電子部分加入實(shí)時(shí)圖像處理功能。在目前條件下，加入實(shí)時(shí)圖像處理功能是快速而經(jīng)濟(jì)的做法。本文根據(jù)上述特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于FPGA的紅外圖像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自適應(yīng)直方圖均衡化圖像增強(qiáng)處理后，紅外圖像視覺(jué)效果明顯改善，對(duì)比度增強(qiáng)，成像效果理想。

　　自適應(yīng)平臺(tái)直方圖算法研究

　　紅外圖像是場(chǎng)景熱輻射分布所成的圖像，由于場(chǎng)景中的目標(biāo)和背景的溫差相對(duì)較小，所以紅外圖像具有高背景、低反差的特點(diǎn)，其信噪比也比可見(jiàn)光圖像低。為了從紅外圖像中正確地識(shí)別目標(biāo)，必須對(duì)紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。本文提出了一種基于直方圖的自適應(yīng)平臺(tái)值選擇方法，它根據(jù)圖像的直方圖，自適應(yīng)地選擇平臺(tái)閾值，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)平臺(tái)直方圖均衡化，增強(qiáng)目標(biāo)。

　　平臺(tái)直方圖均衡化是對(duì)直方圖均衡化算法的一種修正。它是通過(guò)選擇一個(gè)合適的平臺(tái)閾值T，對(duì)統(tǒng)計(jì)直方圖進(jìn)行如下修正：如果某灰度級(jí)的直方圖值小于平臺(tái)閾值T，就保持不變;如果大于平臺(tái)閾值T，則將其置為T，即
       
　　其中，k表示圖像的灰度級(jí)，對(duì)于8bit的灰度圖像，是圖像的平臺(tái)直方圖。 

　　為了更好地突出目標(biāo)，平臺(tái)值必須大于等于直方圖對(duì)應(yīng)與目標(biāo)的峰值。據(jù)此，本文采用了一種平臺(tái)自適應(yīng)算法，此算法的具體步驟如下。

　　(1)統(tǒng)計(jì)原圖像的直方圖，，取出統(tǒng)計(jì)直方圖中的非零單元，構(gòu)成集合，中非零單元的個(gè)數(shù)。

　　(2)找出局部最大值和整體最大值：對(duì)中值濾波后的非零單元進(jìn)行一階差分運(yùn)算，，找出滿足下列條件的：，同時(shí)，則點(diǎn)即為局部最大點(diǎn)，，N是局部最大值個(gè)數(shù)，集合的中最大值為整體最大值。

　　(3)求出子集(除去整體最大值)的平均值，即為估計(jì)的平臺(tái)閾值。用該平臺(tái)閾值對(duì)圖像進(jìn)行平臺(tái)直方圖均衡化處理。

　　自適應(yīng)算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　FPGA硬件設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法來(lái)進(jìn)行紅外圖像的處理，本文采用在FPGA芯片上編程的方法。首先，通過(guò)SOPC Builder從IP庫(kù)中選取Nios II處理器、SDRAM、Flash、JTAG_UART以及LCD控制器等。FPGA首先從外部SRAM中讀出需要處理的紅外圖像的信息，然后經(jīng)過(guò)內(nèi)部編程進(jìn)行自適應(yīng)平臺(tái)增強(qiáng)處理后再由FPGA傳輸?shù)絃ED上將圖像顯現(xiàn)出來(lái)。其中，自適應(yīng)平臺(tái)直方圖均衡化的硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要由圖像直方圖的統(tǒng)計(jì)單元、平臺(tái)值的計(jì)算單元、平臺(tái)直方圖的均衡化單元、控制單元以及兩個(gè)雙口RAM等組成。