一種基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像預(yù)處理方法

摘要：由于紅外圖像預(yù)處理算法自身的復(fù)雜性，使得紅外圖像在DSP中的預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)這一問(wèn)題，提出一種基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像預(yù)處理方法。該方法采用了流水線技術(shù)來(lái)并行完成非均勻校正、空間濾波、直方圖統(tǒng)計(jì)等多個(gè)紅外圖像預(yù)處理算法，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，該方法合理可行，能夠?qū)崟r(shí)高效地完成紅外圖像預(yù)處理任務(wù)。與DSP圖像預(yù)處理系統(tǒng)相比可以節(jié)約將近50％的處理時(shí)間。
關(guān)鍵詞：FPGA；紅外圖像預(yù)處理；非均勻校正；空間濾波；直方圖統(tǒng)計(jì)

0 引言
在紅外圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多采用高速DSP+FPGA的方式對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理。在早期的設(shè)計(jì)中，DSP承擔(dān)了大部分的圖像處理工作，F(xiàn)PGA只做一些邏輯譯碼和簡(jiǎn)單運(yùn)算的功能。但DSP運(yùn)算是相當(dāng)耗時(shí)的，當(dāng)在圖像較大、實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，用DSP進(jìn)行處理就有相當(dāng)?shù)碾y度了。隨著工藝的發(fā)展，F(xiàn)PGA片內(nèi)邏輯資源和處理速度的提高，將一部分圖像處理算法移植到FPGA中，可采用流水的處理方式，只占用很少的處理時(shí)間，能夠大大降低系統(tǒng)對(duì)于DSP的負(fù)擔(dān)。
本文介紹一種紅外圖像預(yù)處理的方法，將圖像非均勻校正、空間濾波、直方圖統(tǒng)計(jì)算法移植到FPGA中實(shí)現(xiàn)，DSP只完成控制和簡(jiǎn)單判斷的功能，有效的提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1 總體設(shè)計(jì)
結(jié)合FPGA和DSP處理算法的各自特點(diǎn)，本方法中將非均勻校正、空間濾波、直方圖統(tǒng)計(jì)等功能在FPGA中實(shí)現(xiàn)。
首先，紅外圖像數(shù)據(jù)以像素為單位按照流水的方式進(jìn)入到非均勻校正模塊中進(jìn)行紅外圖像的非均勻校正；之后，校正后的圖像進(jìn)入到空間濾波模塊中進(jìn)行空間濾波處理；空間濾波后的圖像數(shù)據(jù)，被送到直方圖統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行處理，同時(shí)濾波后的圖像數(shù)據(jù)也被存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部雙口RAM中；接下來(lái)，直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果也將被存儲(chǔ)在FPAG內(nèi)部雙口RAM中。最終，圖像預(yù)處理后的紅外圖像數(shù)據(jù)及直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別存儲(chǔ)在FP GA內(nèi)部雙口RAM的不同區(qū)域中。DSP按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)序?qū)㈩A(yù)處理結(jié)果從FPGA內(nèi)部雙口RAM中讀取出來(lái)，并進(jìn)行后續(xù)處理工作。
同時(shí)DSP通過(guò)控制指令對(duì)整個(gè)預(yù)處理流程進(jìn)行控制。
總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

Gij和Oij分別是二點(diǎn)校正法的增益校正系數(shù)和偏置校正系數(shù)，yij為校正后的輸出。二點(diǎn)校正法是利用焦平面各陣列元在溫度不同的兩個(gè)均勻輻射的黑體(高溫TH和低溫TL)下的響應(yīng)輸出計(jì)算出Gij和Oij，從而實(shí)現(xiàn)非均勻性校正。
首先將預(yù)先計(jì)算好的系數(shù)Gij和Oij存入FLASH中，系統(tǒng)上電后先將系數(shù)搬移到外部的SRAM中，再通過(guò)FPGA讀取，完成非均勻校正的乘加功能。
FPGA算法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了在20MHz時(shí)鐘的一個(gè)周期內(nèi)能夠處理完一個(gè)像素的非均勻校正算法，以保證能夠流暢的進(jìn)行，將數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘clk_20M通過(guò)DCM時(shí)鐘管理器，倍頻到60 MHz，以60 MHz時(shí)鐘進(jìn)行乘加、緩存，以達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的，省去了對(duì)原始圖像的緩存。
1．2 空間濾波模塊設(shè)計(jì)
在圖像生成和采集的過(guò)程中，會(huì)疊加各種各樣的噪聲，這些噪聲會(huì)使圖像質(zhì)量變差，必須對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，抑制背景噪聲，增加目標(biāo)強(qiáng)度，從而提高圖像的信噪比，為后續(xù)處理奠定基礎(chǔ)。在本方法中，采用均值濾波的方式，F(xiàn)PGA算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。