一種基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像預處理方法

摘要：由于紅外圖像預處理算法自身的復雜性，使得紅外圖像在DSP中的預處理時(shí)間較長(cháng)。針對這一問(wèn)題，提出一種基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像預處理方法。該方法采用了流水線(xiàn)技術(shù)來(lái)并行完成非均勻校正、空間濾波、直方圖統計等多個(gè)紅外圖像預處理算法，對系統結構進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試驗證，該方法合理可行，能夠實(shí)時(shí)高效地完成紅外圖像預處理任務(wù)。與DSP圖像預處理系統相比可以節約將近50％的處理時(shí)間。
關(guān)鍵詞：FPGA；紅外圖像預處理；非均勻校正；空間濾波；直方圖統計

0 引言
在紅外圖像系統設計中，多采用高速DSP+FPGA的方式對紅外圖像進(jìn)行處理。在早期的設計中，DSP承擔了大部分的圖像處理工作，FPGA只做一些邏輯譯碼和簡(jiǎn)單運算的功能。但DSP運算是相當耗時(shí)的，當在圖像較大、實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，用DSP進(jìn)行處理就有相當的難度了。隨著(zhù)工藝的發(fā)展，FPGA片內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，能夠大大降低系統對于DSP的負擔。
本文介紹一種紅外圖像預處理的方法，將圖像非均勻校正、空間濾波、直方圖統計算法移植到FPGA中實(shí)現，DSP只完成控制和簡(jiǎn)單判斷的功能，有效的提高了系統的實(shí)時(shí)性。

1 總體設計
結合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、直方圖統計等功能在FPGA中實(shí)現。
首先，紅外圖像數據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據，被送到直方圖統計模塊進(jìn)行處理，同時(shí)濾波后的圖像數據也被存儲在FPGA內部雙口RAM中；接下來(lái)，直方圖統計結果也將被存儲在FPAG內部雙口RAM中。最終，圖像預處理后的紅外圖像數據及直方圖統計結果分別存儲在FP GA內部雙口RAM的不同區域中。DSP按照預先設定的時(shí)序將預處理結果從FPGA內部雙口RAM中讀取出來(lái)，并進(jìn)行后續處理工作。
同時(shí)DSP通過(guò)控制指令對整個(gè)預處理流程進(jìn)行控制。
總體設計如圖1所示。

Gij和Oij分別是二點(diǎn)校正法的增益校正系數和偏置校正系數，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)下的響應輸出計算出Gij和Oij，從而實(shí)現非均勻性校正。
首先將預先計算好的系數Gij和Oij存入FLASH中，系統上電后先將系數搬移到外部的SRAM中，再通過(guò)FPGA讀取，完成非均勻校正的乘加功能。
FPGA算法結構如圖2所示。

為了在20MHz時(shí)鐘的一個(gè)周期內能夠處理完一個(gè)像素的非均勻校正算法，以保證能夠流暢的進(jìn)行，將數據同步時(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，以達到實(shí)時(shí)處理的目的，省去了對原始圖像的緩存。
1．2 空間濾波模塊設計
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，必須對圖像信號進(jìn)行預處理，抑制背景噪聲，增加目標強度，從而提高圖像的信噪比，為后續處理奠定基礎。在本方法中，采用均值濾波的方式，FPGA算法結構如圖3所示。