本發(fā)明屬于圖像采集與目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于fpga的紅外小目標(biāo)檢測(cè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

紅外小目標(biāo)檢測(cè)是紅外告警系統(tǒng)、紅外目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、大視場(chǎng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感、災(zāi)害預(yù)警、消防救災(zāi)等系統(tǒng)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。

由于紅外傳感器受到大氣、海面輻射、作用距離以及探測(cè)器噪聲等因素影響，使得遠(yuǎn)距離的目標(biāo)在紅外圖像上尺寸較小，甚至呈現(xiàn)點(diǎn)狀；此外，紅外圖像的信噪比較低，加上背景通常比較復(fù)雜，目標(biāo)很容易被噪聲和背景雜波所淹沒(méi)，使得紅外小目標(biāo)的檢測(cè)變得更加困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于fpga的紅外小目標(biāo)檢測(cè)方法及系統(tǒng)，通過(guò)將fpga硬件平臺(tái)上采集到的紅外圖像利用算法的硬件移植來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于fpga的紅外小目標(biāo)檢測(cè)方法，使用full模式下的cameralink相機(jī)采集紅外圖像并將采集到的紅外圖像視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給cameralink視頻接收系統(tǒng)；cameralink視頻接收系統(tǒng)將接收到的紅外圖像視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送入fpga主芯片；在fpga主芯片中，對(duì)紅外圖像視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理，然后使用robinson濾波器對(duì)小目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，最后使用腐蝕膨脹方法對(duì)檢測(cè)出的小目標(biāo)進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理。

本發(fā)明還提出一種基于fpga的紅外小目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，包括cameralink視頻接收系統(tǒng)、fpga主芯片、千兆網(wǎng)傳輸模塊、外部配置電路以及顯示器；cameralink視頻接收系統(tǒng)由兩個(gè)mdr連接器、三片解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片組成，第一mdr連接器分別與第一解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片連接，第二mdr連接器分別與第二解差分芯片、第三解差分芯片連接；三片解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片均與fpga主芯片連接，解差分芯片產(chǎn)生的ttl信號(hào)進(jìn)入fpga主芯片，fpga主芯片用于實(shí)現(xiàn)圖像檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外小目標(biāo)的檢測(cè)，然后將檢測(cè)出的紅外小目標(biāo)通過(guò)千兆網(wǎng)傳輸模塊傳送給pc端顯示器進(jìn)行顯示，完成紅外目標(biāo)的檢測(cè)。

進(jìn)一步，cameralink視頻接收系統(tǒng)由一路base模式和兩路channellink基本單元組成，具體由兩個(gè)mdr連接器、三片解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片組成，第一mdr連接器分別與第一解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片連接，第二mdr連接器分別與第二解差分芯片、第三解差分芯片連接；三片解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片均與fpga主芯片連接，解差分芯片產(chǎn)生的ttl信號(hào)進(jìn)入fpga主芯片，fpga主芯片用于實(shí)現(xiàn)圖像檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外小目標(biāo)的檢測(cè)，然后將檢測(cè)出的紅外小目標(biāo)通過(guò)千兆網(wǎng)傳輸模塊傳送給pc端顯示器進(jìn)行顯示，完成紅外目標(biāo)的檢測(cè)。

進(jìn)一步，cameralinklink信號(hào)包括三部分：

其一，視頻接收端用轉(zhuǎn)換芯片將lvds信號(hào)轉(zhuǎn)換為ttl信號(hào)，接收四對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和一對(duì)差分時(shí)鐘信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)信號(hào)和一路時(shí)鐘信號(hào)；

其二，相機(jī)控制模塊包括四對(duì)差分信號(hào)，選用差分芯片驅(qū)動(dòng)；

其三，串行通信芯片包括二對(duì)差分信號(hào)，通過(guò)串行通信對(duì)cameralink相機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

進(jìn)一步，使用robinson濾波器結(jié)合匹配增強(qiáng)濾波方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小目標(biāo)的檢測(cè)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明方法及系統(tǒng)基于full模式下的cameralink圖像處理，可以滿足高速圖像處理的要求,數(shù)據(jù)帶寬可以達(dá)到6.4gbps,對(duì)高幀頻高精度的圖像傳輸中具有顯著優(yōu)勢(shì)，比普通base傳輸速率更快；

(2)本發(fā)明方法及系統(tǒng)利用采集到的圖像信息實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，可以較快的完成運(yùn)算并且達(dá)到目標(biāo)檢測(cè)的目的；

(3)本發(fā)明方法及系統(tǒng)選用中值濾波等處理方法法，簡(jiǎn)單且處理速度快，便于硬件平臺(tái)的移植，并且圖像精度高，算法穩(wěn)定性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖；

圖2是cameralink視頻接收系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；

圖3是使用本發(fā)明采集到的紅外圖像原圖；

圖4是本發(fā)明中中值濾波后的圖像；

圖5是本發(fā)明中云區(qū)處理后的圖像；

圖6是本發(fā)明中形態(tài)學(xué)處理后的圖像。

具體實(shí)施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明基于fpga的紅外小目標(biāo)檢測(cè)方法及系統(tǒng)的多種實(shí)施方式。因此，以下具體實(shí)施方式和附圖僅是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說(shuō)明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。

結(jié)合附圖，本發(fā)明基于fpga的紅外小目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的過(guò)程為：

第一步，cameralink視頻接收系統(tǒng)，包括一路full模式下的cameralink信號(hào)解碼模塊。還包括fpga主芯片、千兆網(wǎng)傳輸模塊、外部配置電路以及顯示器。cameralink信號(hào)解碼模塊接收來(lái)自cameralink接口的差分信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為ttl數(shù)字信號(hào)。full模式下的cameralink電路包括三部分：

1、視頻接收端用轉(zhuǎn)換芯片ds90cr288a接收4對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)和一對(duì)差分時(shí)鐘，芯片可以將差分信號(hào)解碼為并行的cmos/ttl信號(hào)，完成高達(dá)28bit的數(shù)據(jù)同步傳輸，包含了24bit的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)，1bit的場(chǎng)同步信號(hào)(fval)，1bit的行同步信號(hào)

(lval)，1bit的數(shù)據(jù)有效信號(hào)(dval)和1bit的保留信號(hào)(spare)

2、相機(jī)控制模塊包括4對(duì)差分信號(hào)，選用差分芯片ds90lv047a驅(qū)動(dòng)4對(duì)差分信號(hào)；

3、串行通信部分選用芯片ds90lv019，包括2對(duì)差分信號(hào)，通過(guò)串行通信對(duì)相機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

cameralink信號(hào)解碼模塊由兩個(gè)mdr連接器、三片解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片組成，第一mdr連接器分別與第一解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片連接，第二mdr連接器分別與第二解差分芯片、第三解差分芯片連接。三片解差分芯片、串行通信芯片、差分驅(qū)動(dòng)芯片均與fpga主芯片連接，解差分芯片產(chǎn)生的ttl信號(hào)進(jìn)入fpga主芯片，fpga主芯片用于實(shí)現(xiàn)圖像檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外小目標(biāo)的檢測(cè)，然后將檢測(cè)出的紅外小目標(biāo)通過(guò)千兆網(wǎng)傳輸模塊傳送給pc端顯示器進(jìn)行顯示，完成紅外目標(biāo)的檢測(cè)，信號(hào)流向如圖2所示。

第二步，對(duì)采集到的紅外圖像原圖，如圖3所示，去除圖像噪聲和盲元，處理后的圖像如圖4所示。

由于紅外探測(cè)器內(nèi)在的成像特點(diǎn)，會(huì)存在一定數(shù)量的盲元，并且會(huì)在成像過(guò)程中時(shí)刻變化，也存在其他因素的干擾造成的噪聲點(diǎn)。這些紅外探測(cè)器成像系統(tǒng)中的干擾點(diǎn)以椒鹽噪聲的分布形式出現(xiàn)，輸入的原始可見(jiàn)光圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理。本系統(tǒng)中采用窗口大小為3×3的濾波模板完成，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表示為a11，a12，a13，a21，a22，a23，a31，a32，a33，其中a22表示當(dāng)前位置像素值。分別對(duì)三行數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，再將比較獲得的結(jié)果進(jìn)行分析獲得對(duì)應(yīng)9個(gè)數(shù)據(jù)的中值，作為當(dāng)前像素的濾波輸出。在fpga中，通過(guò)對(duì)三列數(shù)據(jù)進(jìn)行排序后，利用三個(gè)時(shí)鐘來(lái)完成對(duì)應(yīng)的排序工作并輸出中值結(jié)果。

使用平均中值濾波算法來(lái)分別對(duì)可見(jiàn)光圖像和紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，即通過(guò)對(duì)模板內(nèi)像素先求平均再取中值，來(lái)去除圖像噪聲以及補(bǔ)償盲元處的灰度值，如下式所示：

式中，(x,y)表示像素點(diǎn)位置，m(x,y)表示中值濾波后輸出的像素信息，median[]表示取中值運(yùn)算，f(x,y)表示探測(cè)器獲得的原始紅外圖像，q(x,y)表示選用的濾波模板尺度大小。

第三步，目標(biāo)檢測(cè)模塊主要是結(jié)合robinson濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小目標(biāo)的檢測(cè)工作，考慮到紅外小目標(biāo)尺寸大小，系統(tǒng)中采用尺寸7×7進(jìn)行，fpga實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，利用模板檢測(cè)結(jié)果來(lái)提取目標(biāo)。處理后的圖像如圖5所示，該方法描述如下：

對(duì)于位于圖像中間位置的像素采用robinson濾波的方式進(jìn)行，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式可以表示為：

上式中，frobinson(x,y)表示模板濾波的結(jié)果，f(x,y)為輸入圖像，max表示取最大值，min表示取最小值，假定mean(a)表示對(duì)矩陣a取平均值，zi的定義如下：

z1＝mean(i(x-m,y-n),...,i(x-m,y),...,i(x-m,y+n))

z2＝mean(i(x+m,y-n),...,i(x+m,y),...,i(x+m,y+n))

z3＝mean(i(x-m,y-n),...,i(x,y-n),...,i(x+m,y-n))

z4＝mean(i(x-m,y+n),...,i(x,y+n),...,i(x+m,y+n))(6)

其中m,n表示領(lǐng)域，i(x,y)表示灰度信息。

第四步，云區(qū)檢測(cè)部分主要包括了濾波部分和腐蝕膨脹部分，本系統(tǒng)中選用濾波模板為5×5進(jìn)行，形態(tài)學(xué)處理部分，腐蝕模板選用8×8，膨脹模板選用17×17。形態(tài)學(xué)操作中的腐蝕膨脹操作主要是針對(duì)模板尺寸中所有像素進(jìn)行與運(yùn)算和或運(yùn)算，并將獲得的運(yùn)算結(jié)果賦值到中心像素位置。處理后圖像如下圖6。在形態(tài)學(xué)處理中，腐蝕膨脹運(yùn)算定義如下：

上式中，(x,y)表示結(jié)構(gòu)元素的位置，f(x,y)表示濾波結(jié)果對(duì)應(yīng)(x,y)位置的像素值，b(x,y)表示結(jié)構(gòu)元素，θ表示腐蝕運(yùn)算過(guò)程，表示膨脹運(yùn)算,過(guò)程通過(guò)形態(tài)學(xué)處理后的圖像更加清晰。df圖像函數(shù)f定義域,db結(jié)構(gòu)元素b的定義域。