一種基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像放大模塊

摘要：為了提高紅外成像系統圖像放大算法的資源利用率和實(shí)時(shí)性。在此基于傳統線(xiàn)性插值算法，充分考慮紅外探測器信號的輸出方式，并根據紅外成像平臺的結構特點(diǎn)。提出了一種適用于FPGA的改進(jìn)型線(xiàn)性插值算法，該算法基于并行流水線(xiàn)方式實(shí)現，充分發(fā)揮了FPGA的高速并行處理能力。該算法已應用于工程實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗和實(shí)際應用，穩定可靠，成像質(zhì)量較好。與以往傳統的實(shí)現方法相比，圖像質(zhì)量沒(méi)有變化，實(shí)時(shí)性得到了很大的提高，資源占用少，具有很大的創(chuàng )新性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：紅外成像系統；圖像放大；插值；FPGA

紅外成像技術(shù)是目前非常有用的新型高科技，具有極強抗干擾能力，屬于被動(dòng)式觀(guān)測裝備，隱蔽性很強。長(cháng)波紅外可不受煙霧等的影響，分辨率高。另外，紅外成像不受地面和海面的多徑效應影響，具有多目標全景觀(guān)察、追蹤及識別能力，具有很廣闊的應用前景和價(jià)值。
本文采用的紅外系統為凱邁廣微160×120系列，由于原始圖像大小為160×120，在某些應用場(chǎng)合其分辨率很難滿(mǎn)足需要，必須對圖像進(jìn)行放大。
圖像放大是一種常用的數字圖像處理技術(shù)，在日常社會(huì )生活的許多領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，因此數字圖像的放大是圖像處理的基本操作之一。數字圖像放大多用軟件來(lái)實(shí)現。但隨著(zhù)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列技術(shù)的突飛猛進(jìn)，FPGA也逐漸進(jìn)入數字信號處理領(lǐng)域，尤其在實(shí)時(shí)圖像處理方面FPGA無(wú)可比擬的并行處理能力，所以國內外愈來(lái)愈多的實(shí)時(shí)處理應用都轉向了FPGA平臺。本文正是介紹了一種基于FPGA的固定倍率紅外圖像放大模塊。

1 圖像放大算法
目前圖像放大處理通常都采用軟件方法來(lái)實(shí)現，雖然其算法種類(lèi)多樣，且圖像放大后的質(zhì)量也比較高，但是，由于其運算時(shí)間往往較長(cháng)，因此在某些實(shí)時(shí)性要求較高的數字圖像處理場(chǎng)合不宜采用軟件方法而適合采用硬件方法。硬件方法實(shí)現圖像放大，其處理速度可大大提高，不過(guò)，采用硬件實(shí)現時(shí)，由于資源非常有限，許多處理算法因過(guò)于復雜而無(wú)法通過(guò)硬件實(shí)現。目前在進(jìn)行硬件圖像處理過(guò)程中，通常采用插值算法，利用圖像的像素點(diǎn)間存在著(zhù)的相關(guān)性進(jìn)行插值而實(shí)現圖像的放大。常用的差值算法包括最近鄰域插值法(Nearest Neighbor Interpolation)，雙線(xiàn)性插值法(Linear Interpolation)，雙三次插值法(Bieubie interpolation)。
1．1 最近鄰域插值法
從計算量的角度來(lái)說(shuō)，最近鄰插值是最簡(jiǎn)單的插值。在這種算法下，每個(gè)插值輸出像素的值就是在輸入圖像中與其最臨近采樣點(diǎn)的值。算法的數字表示為：
f(x)-f(xk)，1／2(xk-1+xk)x1／2(xk+xk+1)
1．2 雙線(xiàn)性插值法
雙線(xiàn)性插值法的輸出像素時(shí)它在圖像中2×2鄰域采樣點(diǎn)的平均值，它根據某個(gè)像素周?chē)?個(gè)像素(m，n)，(m+l，n)，(m，n+1)，(m+1，n+1)的灰度值在水平和垂直2個(gè)方向對其插值。
設mim+1，njn+l，a=i-m，b=j-n，i’和j’是要插值的點(diǎn)的坐標，則雙線(xiàn)性插值的公式為：

把按照上式計算出來(lái)的值賦予圖像的幾何變換對應于處的像素，即可實(shí)現雙線(xiàn)性插值。
1．3 雙三次插值法
雙三次插值的插值核為三次函數，其插值鄰域的大小為4×4。它的插值效果比較好但相應計算量也大。