基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像放大模塊

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)

　　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m

　　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。

　　1.4 本文采用的算法

　　上述3種圖像插值算法中最近鄰插值放大實(shí)現最為簡(jiǎn)單，處理速度快，但它只是把原始像素簡(jiǎn)單的復制到其鄰域內，放大圖像就會(huì )出現明顯的方塊或鋸齒，不能很好地保留原始圖像的邊緣信息。雙三次插值算法的視覺(jué)效果最好，但計算復雜開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，占用的硬件資源較大，不符合本系統的資源要求。使用雙線(xiàn)性插值能夠較好地消除鋸齒，保留原始圖像的邊緣信息，放大后的圖像較平滑，且有較好的視覺(jué)效果。本文選取改進(jìn)型的線(xiàn)性插值(2×1鄰域和1×2鄰域)作為最終實(shí)現方案。如圖1所示，實(shí)心表示原始像素，空心表示放大后的圖像。本文采用的算法數學(xué)表達式為：

　　2 算法基于FPGA的設計與實(shí)現

　　2.1 系統結構

　　系統總體結構如圖2所示，行插值和數據控制模塊控制數據存入雙口RAM中，并在存入的過(guò)程中實(shí)現行的放大，因為采用2×2領(lǐng)域放大，每個(gè)目標像素放大所需的原始圖像相鄰2行的2個(gè)像素，所以可以將相鄰2行寫(xiě)入雙口RAM。列插值和數據控制模塊實(shí)現列放大和把插值后的數據送入到下一個(gè)模塊。數據流向是圖像放大模塊的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何實(shí)現實(shí)時(shí)性，良好的數據控制很重要。在數據從上一個(gè)模塊讀入的同時(shí)，行插值模塊就完成了行放大。在一幀圖像的幀頭，行插值模塊對2行數據進(jìn)行操作，在第2行到倒數第2行，行插值只對單行數據進(jìn)行處理，處理完畢后并通知列插值模塊進(jìn)行下一步運算。列插值模塊在收到行插值模塊給的信號后，從雙口RAM中讀取已經(jīng)存入的兩行數據，并完成中間行的插值，在運算的過(guò)程中并把RAM中的第一行的數據逐個(gè)讀出并送到下一個(gè)模塊。當完成列插值運算后，立即通知行插值模塊開(kāi)始讀入新的一行，并在讀入的同時(shí)，把新產(chǎn)生的行讀出。行插值模塊完成新的一行讀入后，通知列插值模塊與RAM中上一次存入的第二行(第一次列插值的第3行)進(jìn)行列插值操作，并重復上述操作，直至完成當前幀。具體流程如圖3所示。

　　2.2 算法實(shí)現

　　圖像處理模塊的具體實(shí)現結構如圖4所示。該模塊由3個(gè)部分構成：ram_control模塊實(shí)現RAM控制和行放大;calculate模塊實(shí)現列放大和數據輸出;dpram為雙口RAM用于數據存儲。

　　(1)ram_control模塊。D_SYP為2倍的像素時(shí)鐘輸入，SYP為像素時(shí)鐘，SYL為行同步信號，G_reset為全局復位信號，data_in為數據輸入端口，cal_done為列運算完成信號指示，done為行放大完成信號，其余信號為dpram控制信號。

　　(2)calculate模塊。caleulate模塊與ram_control模塊功類(lèi)似，再運算完成后可以控制數據輸出到下一個(gè)功能模塊。

　　(3)dpram。dpram可以實(shí)現不同速率的輸入和輸出，還可以根據需求改變同一個(gè)RAM口的不同速率的輸入和輸出，本文采用了兩路不同的時(shí)鐘分別控制ram_a口和ram_b口，同一個(gè)口用同樣的時(shí)鐘讀入讀出數據。

　　3 系統仿真與實(shí)現

　　圖5為quartus功能仿真結果，時(shí)鐘速率和數據輸入均為模擬產(chǎn)生，根據仿真結果可以看出，地址發(fā)生器和數據輸出均按照設計要求輸出，理論上可以實(shí)現放大功能。

　　圖6為紅外機芯組件GW160×120所采集到的原始圖像，圖7為采用本文放大算法后采集到的圖像。對比發(fā)現圖像質(zhì)量較好，沒(méi)有馬賽克現象，可以滿(mǎn)足觀(guān)察需要，達到了設計要求。

　　4 結語(yǔ)

　　在以后的應用中如果硬件資源滿(mǎn)足需求，可以把雙三次插值應用于紅外機芯系統。由于系統采用了FPGA進(jìn)行設計，因此具有很強的擴展性，可以在不改變硬件系統的基礎上進(jìn)行算法改進(jìn)，增加了系統的靈活性和適應性。