一種自適應紅外圖像增強處理的FPGA實現

　　摘要：本文介紹了一種自適應平臺直方圖算法對紅外圖像增強處理及該算法在FPGA器件上的實現。該方法是根據圖像的直方圖，自適應地選擇平臺閾值，實現自適應平臺直方圖均衡化，增強了目標的對比度。在FPGA上實現了該算法，對紅外圖像進行了增強處理，使紅外圖像的清晰度得到極大的提高，目標灰度級得到擴展，抑制噪聲，并且利于將目標與背景區(qū)別開來。

　　引言

　　紅外成像技術是當今科技發(fā)展的熱點，具有廣泛的應用。但是由于受紅外探測器件的影響，紅外成像儀的成像效果還不夠理想，主要表現為圖像中的目標與背景區(qū)分不明顯、對比度低、噪聲大、信噪比低等缺點，因而紅外圖像處理首要解決的問題是圖像增強。要實現圖像的增強處理，主要有兩個途徑：一是改善探測器性能，一是在紅外圖像系統(tǒng)電子部分加入實時圖像處理功能。在目前條件下，加入實時圖像處理功能是快速而經濟的做法。本文根據上述特點設計了基于FPGA的紅外圖像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自適應直方圖均衡化圖像增強處理后，紅外圖像視覺效果明顯改善，對比度增強，成像效果理想。

　　自適應平臺直方圖算法研究

　　紅外圖像是場景熱輻射分布所成的圖像，由于場景中的目標和背景的溫差相對較小，所以紅外圖像具有高背景、低反差的特點，其信噪比也比可見光圖像低。為了從紅外圖像中正確地識別目標，必須對紅外圖像進行增強處理。本文提出了一種基于直方圖的自適應平臺值選擇方法，它根據圖像的直方圖，自適應地選擇平臺閾值，實現自適應平臺直方圖均衡化，增強目標。

　　平臺直方圖均衡化是對直方圖均衡化算法的一種修正。它是通過選擇一個合適的平臺閾值T，對統(tǒng)計直方圖進行如下修正：如果某灰度級的直方圖值小于平臺閾值T，就保持不變;如果大于平臺閾值T，則將其置為T，即
       
　　其中，k表示圖像的灰度級，對于8bit的灰度圖像，是圖像的平臺直方圖。 

　　為了更好地突出目標，平臺值必須大于等于直方圖對應與目標的峰值。據此，本文采用了一種平臺自適應算法，此算法的具體步驟如下。

　　(1)統(tǒng)計原圖像的直方圖，，取出統(tǒng)計直方圖中的非零單元，構成集合，中非零單元的個數。

　　(2)找出局部最大值和整體最大值：對中值濾波后的非零單元進行一階差分運算，，找出滿足下列條件的：，同時，則點即為局部最大點，，N是局部最大值個數，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，即為估計的平臺閾值。用該平臺閾值對圖像進行平臺直方圖均衡化處理。

　　自適應算法的FPGA實現

　　FPGA硬件設計

　　為了實現自適應算法來進行紅外圖像的處理，本文采用在FPGA芯片上編程的方法。首先，通過SOPC Builder從IP庫中選取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，然后經過內部編程進行自適應平臺增強處理后再由FPGA傳輸到LED上將圖像顯現出來。其中，自適應平臺直方圖均衡化的硬件實現系統(tǒng)主要由圖像直方圖的統(tǒng)計單元、平臺值的計算單元、平臺直方圖的均衡化單元、控制單元以及兩個雙口RAM等組成。