一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，尤其設(shè)及一種基于FPGA 的紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，屬于紅外成像技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 紅外熱成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各領(lǐng)域。紅外福射經(jīng)光學(xué)系 統(tǒng)進(jìn)入紅外焦平面探測(cè)器，探測(cè)器輸出模擬信號(hào)經(jīng)A\D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入紅外數(shù)字圖像 處理系統(tǒng)處理，生成視頻輸出成像。目前紅外數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中普遍有盲元補(bǔ)償、非均 勻性校正和高動(dòng)態(tài)范圍壓縮=種處理技術(shù)，用非均勻性校正技術(shù)去除圖像中的固定圖案噪 聲，分為基于場(chǎng)景的自適應(yīng)校正和基于參考源的定標(biāo)校正兩種，基于場(chǎng)景的自適應(yīng)校正技 術(shù)由于不需要在視場(chǎng)中插入?yún)⒖荚?，成為非均勻性校正技術(shù)的研究重點(diǎn)，使用高動(dòng)態(tài)壓縮 技術(shù)將14bit的紅外數(shù)據(jù)壓縮至8bit由顯示器輸出，分為線性壓縮、直方圖均衡化等，基于 雙邊濾波的細(xì)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)在壓縮圖像數(shù)位的同時(shí)保留住場(chǎng)景的細(xì)節(jié)成為高動(dòng)態(tài)壓縮技術(shù) 的研究重點(diǎn)。常用現(xiàn)場(chǎng)可編輯口陣列FPGA+數(shù)字信號(hào)處理器DSP的系統(tǒng)架構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)上述 功能，目前常用FPGA實(shí)現(xiàn)基于參考源的非均勻性校正技術(shù)和線性壓縮技術(shù)，DSP實(shí)現(xiàn)直方 圖變化技術(shù)，該些級(jí)聯(lián)處理技術(shù)難W應(yīng)對(duì)探測(cè)器的非均勻性漂移導(dǎo)致的噪聲和紅外圖像本 身細(xì)節(jié)不清晰的問(wèn)題，同時(shí)算法的處理延遲往往不可控，在FPGA處理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于場(chǎng)景 的自適應(yīng)校正技術(shù)和基于雙邊濾波的細(xì)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)的級(jí)聯(lián)處理是未來(lái)改進(jìn)的目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決紅外圖像因非均勻性漂移導(dǎo)致的噪聲和紅外圖像本身 細(xì)節(jié)不清晰的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)硬件處理延遲小于20行。本發(fā)明公開(kāi)的一種紅外自適應(yīng)非均 勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，基于FPGA硬件實(shí)現(xiàn)處理延遲小于20行，資源消耗少， 并可減小或消除非均勻性漂移導(dǎo)致的噪聲，提高紅外圖像清晰度和成像質(zhì)量。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0005] 本發(fā)明公開(kāi)的一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，在FPGA 處理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理，所述的自適應(yīng)非均勻性校正通 過(guò)基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正算法實(shí)現(xiàn)，用于減小非均勻性漂移導(dǎo)致的噪聲。 所述的細(xì)節(jié)增強(qiáng)通過(guò)基于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法實(shí)現(xiàn)，用于提高紅外圖像 細(xì)節(jié)清晰度。由于FPGA處理延遲可控，且所述的自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理 方法減少FPGA硬件資源消耗，在實(shí)現(xiàn)處理延遲小于20行條件下可提高紅外圖像質(zhì)量。
[0006] 本發(fā)明公開(kāi)的一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，包括如下 步驟：
[0007] 步驟一：在FPGA處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正模塊和實(shí) 現(xiàn)基于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)模塊。
[000引步驟二：通過(guò)基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正模塊減小非均勻性漂移導(dǎo)致 的噪聲，具體實(shí)現(xiàn)方法包括步驟2. 1、2. 2、2. 3 ;
[0009] 步驟2. 1 ;紅外焦平面探測(cè)器單元的入射福射經(jīng)A\D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA數(shù) 字處理模塊中，從SRAM中讀取預(yù)校正偏置值，根據(jù)時(shí)域闊值條件對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)預(yù)校正， 滿足時(shí)域闊值條件時(shí)，用SRAM輸出的偏置矩陣進(jìn)行非均勻性預(yù)校正，不滿足時(shí)域闊值條件 時(shí)，預(yù)校正偏置為0。
[0010] 所述的預(yù)校正方法為：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，其特征在于：在FPGA處理 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理，所述的自適應(yīng)非均勻性校正通過(guò)基 于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正算法實(shí)現(xiàn)，用于減小非均勻性漂移導(dǎo)致的噪聲；所述 的細(xì)節(jié)增強(qiáng)通過(guò)基于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法實(shí)現(xiàn)，用于提高紅外圖像細(xì)節(jié) 清晰度。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，其特 征在于：具體實(shí)現(xiàn)包括如下步驟， 步驟一：在FPGA處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正模塊和實(shí)現(xiàn)基 于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)模塊； 步驟二：通過(guò)基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正模塊減小非均勻性漂移導(dǎo)致的噪 聲； 步驟三：非均勻性校正后，通過(guò)基于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)模塊提高紅外 圖像清晰度； 重復(fù)上述步驟一至三，處理每個(gè)探測(cè)元，直到完成整個(gè)紅外圖像的處理。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，其特 征在于： 所述的步驟二具體實(shí)現(xiàn)方法包括步驟2. 1、2. 2、2. 3 : 步驟2. 1 :紅外焦平面探測(cè)器單元的入射輻射經(jīng)A\D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA數(shù)字處 理模塊中，從SRAM中讀取預(yù)校正偏置值，根據(jù)時(shí)域閾值條件對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)預(yù)校正，滿足 時(shí)域閾值條件時(shí)，用SRAM輸出的偏置矩陣進(jìn)行非均勻性預(yù)校正，不滿足時(shí)域閾值條件時(shí)， 預(yù)校正偏置為〇 ; 所述的預(yù)校正方法為：
其中，zk(i, j, t)為溫度t時(shí)第k幀探測(cè)元（i, j)入射福射值，Iv1 (i, j, t)為溫度t時(shí) 第k-Ι幀得到探測(cè)元（i，j)的加性非均勻，yk(i，j，t)為溫度t時(shí)第k幀探測(cè)元（i，j)預(yù)校 正結(jié)果，所述的時(shí)域閾值條件T th為：
其中，Zmax和Zmin探測(cè)器整幅圖像灰度值的最大值和最小值，（12是空域閾值稀釋系數(shù)， 其數(shù)值范圍為0.5~5 ; 步驟2. 2 :根據(jù)預(yù)校正結(jié)果，由FPGA內(nèi)部控制單元在行有效期間計(jì)算單幀的偏置估計(jì) 值；用FPGA實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)選擇濾波器，計(jì)算入射輻射的空域估計(jì)值；由FPGA內(nèi)2X S級(jí)FIFO 首尾級(jí)聯(lián)形成的（2XS+1) X (2XS+1)空域均值濾波器的濾波窗口，由FPGA內(nèi)部控制單元， 在場(chǎng)消隱期間得到空域閾值，不滿足空域閾值條件的像素不作為空域均值濾波的樣本； 所述的偏置估計(jì)方法為：
其中，毛(/，_/，〇為溫度t時(shí)第k幀探測(cè)元（i, j)入射福射值估計(jì)值，（m, η)是窗口內(nèi) 像素距離中心像素（i，j)的距離，& ?/,/_)為溫度t時(shí)第k幀探測(cè)元（i，j)偏置估計(jì)值， 選擇因子S為：
其中，Cl1是空域閾值稀釋系數(shù)，其在0.5至3間變化，α和β的數(shù)值與非均勻性的形 式有關(guān)，如果非均勻性形狀為"橫向"條紋，α = 0, β = 1 ;如果非均勻性形狀為"縱向"條 紋，α = 1，β = 〇 ;如果非均勻性形狀為"網(wǎng)格"或者"水紋"，α = 〇. 5, β = 0. 5 ; 步驟2. 3 :根據(jù)單幀的偏置值和時(shí)域閾值條件，由FPGA內(nèi)部控制單元在行有效期間計(jì) 算非均勻性偏置，存入SRAM中，根據(jù)該偏置完成基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正； 滿足時(shí)域閾值條件時(shí)，非均勻性偏置值為單幀的偏置估計(jì)值的時(shí)域平均，不滿足時(shí)域閾值 條件時(shí)，非均勻性偏置值為〇 ;步驟2. 1和2. 3中采用乒乓結(jié)構(gòu)將一塊SRAM按地址分為存儲(chǔ) 上一幀和當(dāng)前幀的非均勻性偏置值的兩塊區(qū)域，由FPGA內(nèi)部控制單元生成SRAM控制器； 斫試白話心韭構(gòu)勺W坊TF卞灃為.
其中，xk(i，j，t)為溫度t時(shí)第k幀探測(cè)元（i，j)自適應(yīng)非均勻性校正后的輸出， /?(/, /,〇為非均勻性校正的偏置值； 所述的步驟三具體實(shí)現(xiàn)方法包括步驟3. 1、3. 2 : 步驟3. 1 :根據(jù)非均勻性校正后的圖像，從SRAM中讀取雙平臺(tái)直方圖映射表，壓縮該圖 像；由FPGA內(nèi)部控制單元在行有效期間，統(tǒng)計(jì)直方圖信息，在場(chǎng)消隱期間，計(jì)算更新直方圖 映射表；采用乒乓結(jié)構(gòu)按地址將一塊SRAM劃分為存儲(chǔ)當(dāng)前幀直方圖、上一幀和當(dāng)前幀的直 方圖映射表的三塊區(qū)域，由FPGA內(nèi)部控制單元生成SRAM控制器； 步驟3. 2 :由FPGA內(nèi)部控制單元在行有效期間進(jìn)行雙邊濾波分離出細(xì)節(jié)圖像，自適應(yīng) 線性映射放大細(xì)節(jié)圖像，與步驟3. 1中的壓縮圖像形成合并形成輸出圖像，完成基于雙平 臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)；由FPGA內(nèi)FIFO首尾級(jí)聯(lián)形成的雙邊濾波器的濾波窗口； 所述的細(xì)節(jié)圖像分離方法為：
其中，Φ為雙邊濾波器，w(i, j)為雙邊濾波權(quán)重，Bk(i, j)為第k幀探測(cè)元（i, j)的雙 邊濾波器輸出，Dk(i，j)為分離出的第k幀探測(cè)元（i，j)細(xì)節(jié)圖像。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，其特 征在于：所述的步驟2. 2中由FPGA內(nèi)2XS級(jí)FIFO首尾級(jí)聯(lián)形成的（2XS+1) X (2XS+1) 空域均值濾波器的濾波窗口，優(yōu)選由FPGA內(nèi)6級(jí)FIFO首尾級(jí)聯(lián)形成的7 X 7空域均值濾波 器的濾波窗口。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法， 其特征在于：具體實(shí)現(xiàn)裝置包括基于FPGA實(shí)現(xiàn)的基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正 模塊、基于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)模塊和外部存儲(chǔ)器SRAM ;基于FPGA實(shí)現(xiàn)的基 于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正模塊和基于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)模塊 用于實(shí)現(xiàn)非均勻性校正和雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理；外部存儲(chǔ)器SRAM用來(lái)存儲(chǔ)直方圖 映射表和偏置校正矩陣。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)的一種紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，涉及一種基于FPGA的紅外自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理方法，屬于紅外成像技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在FPGA處理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)非均勻性校正及細(xì)節(jié)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)處理，所述的自適應(yīng)非均勻性校正通過(guò)基于灰度相關(guān)的時(shí)域高通非均勻性校正算法實(shí)現(xiàn)，用于減小非均勻性漂移導(dǎo)致的噪聲。所述的細(xì)節(jié)增強(qiáng)通過(guò)基于雙平臺(tái)直方圖的雙邊濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法實(shí)現(xiàn)，用于提高紅外圖像細(xì)節(jié)清晰度。本發(fā)明基于FPGA硬件實(shí)現(xiàn)處理延遲小于20行，資源消耗少，并可減小或消除非均勻性漂移導(dǎo)致的噪聲，提高紅外圖像清晰度和成像質(zhì)量。本發(fā)明可應(yīng)用于帶有FPGA處理平臺(tái)的紅外成像系統(tǒng)中。
【IPC分類】G06T5-40
【公開(kāi)號(hào)】CN104867122
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510289628
【發(fā)明人】金偉其, 金明磊, 李力, 李亦陽(yáng), 李碩
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月29日