CN102413283A - 红外热图数字信号处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种红外热图数字信号处理系统及方法，该系统包括设置在红外热像仪上的FPGA芯片，用以对由红外热像仪拍摄的多帧红外热图的数字信号进行处理，该芯片包括：图像处理模块，在帧逆程中，对表示当前帧图像的原始直方图曲线分布的原始直方图数据进行差别权重累加处理，以滤除过亮或过暗的像素，并将经该图像处理模块在上一个帧逆程中处理后的上一帧图像的灰度值数据输送至该图像输出模块；以及图像输出模块，与该图像处理模块连通，在帧正程中，对所接收的上一帧图像的灰度值数据进行多段折线式灰度偏移处理，以针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，并输出处理后的灰度值数据。本发明能提供具有较佳场景适应性的红外热图。

Description

红外热图数字信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种红外热成像技术领域，特别是涉及一种红外热图的数字信号处理(FPGA实现)等技术。

背景技术

目前大多数的红外热成像系统，红外探测器输出的模拟信号，经过前端A/D转换得到14bit的数字信号，进入数字信号处理模块，转换成8bit的灰度信号，再由视频解码模块产生标准电视信号输出到监视器。

为了将高比特大动态范围的输入信号变成符合人眼观察习惯的256级灰度信号，数字信号处理模块需要实时、快速地进行数字信号的压缩/拉伸、溢出/截止处理、亮度偏移、增益调整等操作，才能将高比特大动态范围的输入信号变成符合人眼观察习惯的图像信号。

现有的技术之一，是基于通常情况下上当前帧图像之间存在连续性的这一特点，以上一帧图像各个点AD值(数字化能量值)的累计平均值来作为当前帧图像亮度偏移的参考。

现有的技术之二，是基于直方图统计的图像均衡化技术，通过统计上一帧图像各个灰度级的像素个数，得到分布曲线，输出时将没有像素数的灰度级或者像素数很少的灰度级压缩、像素数多的灰度级拉伸，实现图像增强。

然而，这两种现有技术存在以下缺点：

针对现有技术一，当场景中出现小面积比平均值高很多的亮目标时，AD值的累计和会大幅增加，而使当前帧图像的亮度下降较多，甚至将其他大面积的目标完全压黑，而影响目标的观察。

针对现有技术二，在图像增强的同时，也提升了背景和噪声，甚至使一些像素数少的“关键目标”被淹没，目标的边缘像素点也会被合并，从而使图像细节丢失。

发明内容

本发明用以解决当场景发生较大变化时，红外热图像适应性不佳而影响目标观察的问题。

具体而言，针对现有技术一和二的上述不足，本发明提供一种能够结合两者优点并具有较佳场景适应性的红外热图数字信号处理系统及方法，其针对上一帧图像的不同等级的AD值作差别权重累加，保证图像的整体亮度不受局部过亮、过暗目标的影响，同时结合直方图统计技术，将超出线性范围的亮、暗目标进行灰度值偏移，压缩至线性范围内，保留亮、暗目标的细节。

为实现上述目的，本发明提供一种红外热图数字信号处理系统，其包括设置在红外热像仪上的FPGA芯片，用以对由红外热像仪拍摄的多帧红外热图的数字信号进行处理，该FPGA芯片包括：图像处理模块，在帧逆程中，对表示当前帧图像的原始直方图曲线分布的原始直方图数据进行差别权重累加处理，以滤除过亮或过暗的像素，并将经该图像处理模块在上一个帧逆程中处理后的上一帧图像的灰度值数据输送至该图像输出模块；以及图像输出模块，与该图像处理模块连通，在帧正程中，对所接收的上一帧图像的灰度值数据进行多段折线式灰度偏移处理，以针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，并输出经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据。

根据本发明的实施例，该图像处理模块对该原始直方图数据进行的差别权重累加处理包括：找出像素个数占总像素个数2％的具有最大灰度值的像素中的最小灰度值作为总像素的最大灰度值，即在该直方图中从最大灰度值的像素点开始往下累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最大灰度值Xmax找出像素个数占总像素个数2％的具有最小灰度值的像素中的最大灰度值作为总像素的最小灰度值，即在该直方图中从最小灰度值像素点开始往上累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最小灰度值Xmin；以及将大于Xmax的所有像素的灰度值压缩为255，以及将小于Xmin的所有像素的灰度值压缩为0。

根据本发明的实施例，在帧逆程中，该图像处理模块通过计算加权函数y(X)来对经差别权重累加处理后的直方图数据进行直方图加权处理，以平滑掉该原始直方图的主峰而获得更为均匀的目标直方图分布曲线，其中计算该加权函数y包括：确定该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的主峰的最高点h(X0)，即h(X0)＝MAX[h(Xn)]；确定该主峰的平滑处理带宽为当h(Xn)的幅度从该主峰下降到该主峰值的

时的灰度值Xbw1-Xbw2；根据期望的平滑效果，获得该目标直方图的目标直方图分布曲线的函数h(Xk)，其中在该带宽Xbw1-Xbw2中的h(Xk)具有类似于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的曲线波形，而位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的h(Xk)近似等于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)；以及该加权函数y(X)与该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)和该目标直方图分布曲线的函数h(Xk)之间具有如下的关系式：h(Xk)＝h(Xn)*y(X)，其中Xn表示原始图像中一个像素的灰度值，h(Xn)是对应于该灰度值的像素个数；Xk表示目标直方图中一个像素的灰度值，h(Xk)是对应于该灰度值的像素个数；X表示加权函数y(X)的与Xk对应的定义域，且y(X)表示该加权函数的值域。

根据本发明的实施例，该图像输出模块进行的多段折线式灰度偏移处理包括：将该上一帧图像的像素灰度值的灰度空间分为多段，每一段对应于分别表示不同的灰度偏移系数的多个斜率之一，每一段中的每个像素的灰度值分别乘以该段所对应的斜率，以作为该像素的经多段折线式灰度偏移处理后的灰度值。

根据本发明的实施例，该FPGA芯片还包括：同步/控制模块，用以控制该图像输出模块和该图像处理模块，以使其分别在信号处理时序中的不同时机进行所述帧正程中的处理和帧逆程中的处理。

根据本发明的实施例，该FPGA芯片还包括：双口RAM，与该图像处理模块连通，用以接收来自红外热像仪的所述多帧红外热图的数字信号，并统计该当前帧图像中每个灰度级的像素个数。

根据本发明的实施例，在帧逆程中，该图像处理模块在对该当前帧图像的原始直方图数据完成上述处理之后，还对处理后的直方图数据进行灰度变换处理，以获得均衡化的直方图。

根据本发明的实施例，在帧逆程中，该图像处理模块在完成灰度变换处理之后，再对均衡化后的直方图数据作中值滤波处理，以滤除所述均衡化带来的背景噪声。

根据本发明的实施例，该图像输出模块将经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据输出至设置在该红外热像仪上的视频解码模块来进行视频数据解码，解码后的视频数据继而被输送至同样设置在该红外热像仪上的图像显示模块以供显示。

为实现上述目的，本发明还提供一种红外热图数字信号处理方法，其包括以下步骤：

在帧逆程中，对表示当前帧图像的原始直方图曲线分布的原始直方图数据进行差别权重累加处理，以滤除过亮或过暗的像素，并将在上一个帧逆程中处理后的上一帧图像的灰度值数据输送至该图像输出模块；以及

在帧正程中，对所接收的上一帧图像的灰度值数据进行多段折线式灰度偏移处理，以针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，并输出经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据。

根据本发明的实施例，对该原始直方图数据进行的差别权重累加处理包括以下步骤：找出像素个数占总像素个数2％的具有最大灰度值的像素中的最小灰度值作为总像素的最大灰度值，即在该直方图中从最大灰度值的像素点开始往下累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最大灰度值Xnax找出像素个数占总像素个数2％的具有最小灰度值的像素中的最大灰度值作为总像素的最小灰度值，即在该直方图中从最小灰度值像素点开始往上累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最小灰度值Xmin；以及将大于Xmax的所有像素的灰度值压缩为255，以及将小于Xmin的所有像素的灰度值压缩为0。

根据本发明的实施例，在帧逆程中，在完成差别权重累加处理之后，通过计算加权函数y(X)来对经差别权重累加处理后的直方图数据进行直方图加权处理，以平滑掉该原始直方图的主峰而获得更为均匀的目标直方图分布曲线，其中计算该加权函数y包括以下步骤：确定该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的主峰的最高点h(X0)，即h(X0)＝MAX[h(Xn)]；确定该主峰的平滑处理带宽为当h(Xn)的幅度从该主峰下降到该主峰值的

时的灰度值Xbw1-Xbw2；根据期望的平滑效果，获得该目标直方图的目标直方图分布曲线的函数h(Xk)，其中在该带宽Xbw1-Xbw2中的h(Xk)具有类似于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的曲线波形，而位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的h(Xk)近似等于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)；以及该加权函数y(X)与该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)和该目标直方图分布曲线的函数h(Xk)之间具有如下的关系式：h(Xk)＝h(Xn)*y(X)，其中Xn表示原始图像中一个像素的灰度值，h(Xn)是对应于该灰度值的像素个数；Xk表示目标直方图中一个像素的灰度值，h(Xk)是对应于该灰度值的像素个数；X表示加权函数y(X)的与Xk对应的定义域，且y(X)表示该加权函数的值域。

根据本发明的实施例，所述多段折线式灰度偏移处理包括：将该上一帧图像的像素灰度值的灰度空间分为多段，每一段对应于分别表示不同的灰度偏移系数的多个斜率之一，每一段中的每个像素的灰度值分别乘以该段所对应的斜率，以作为该像素的经多段折线式灰度偏移处理后的灰度值。

根据本发明的实施例，分别在信号处理时序中的不同时机进行所述帧正程中的处理和帧逆程中的处理。

根据本发明的实施例，该方法还包括以下步骤：在帧逆程中，在进行所述差别权重累加处理之前，接收来自红外热像仪的所述多帧红外热图的数字信号，统计该当前帧图像中每个灰度级的像素个数，并根据所统计的数值获得当前帧图像的原始直方图分布曲线。

根据本发明的实施例，在帧逆程中，在完成上述处理之后，再对处理后的直方图数据进行灰度变换处理，以获得均衡化的直方图。

根据本发明的实施例，在帧逆程中，在完成对加权后的所述直方图的灰度变换处理之后，再对均衡化后的直方图数据作中值滤波处理，以滤掉所述均衡化带来的背景噪声。

根据本发明的实施例，该方法还包括以下步骤：对所输出的经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据进行视频数据解码，以供显示。

本发明在增强图像对比度的同时，有效地提高了信噪比，使目标图像的细节更清晰，并提高了对不同场景的适应性。

具体而言，本发明具有以下优点：

1、对于对比度较低的红外图像，其直方图分布集中，主峰所对应的灰度级往往是图像中的背景，尤其是目标较小时，这种分布更加明显。加权处理可以把这个主峰平滑掉，给后端的直方图均衡化处理留下了空间；

2、中值滤波可以有效地滤除直方图均衡化后带来的背景噪声；

3、图像的整体亮度可以保持在一个合适稳定的水平，场景适应性强；

4、对过亮目标的灰度值进行多段折线式的偏移，避免了图像局部饱和。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的红外热图数字信号处理系统的原理方框图；

图2为根据该实施例的红外热图数字信号处理方法的工作流程图；

图3为图像输出模块针对上一帧图像进行的三段折线式灰度偏移方式的示意图；

图4a为当前帧图像的原始直方图；

图4b为根据本发明的红外热图数字信号处理方法计算出的加权函数示意图；

图4c为图4a中的原始直方图采用图5b所示加权函数进行直方图加权处理后的直方图；

图5a示意性示出所显示的当前帧红外热图的原始图像；

图5b示意性示出图5a中的原始图像经传统直方图均衡化后的图像；

图5c示意性示出图5a中的原始图像经本发明的红外热图数字信号处理方法处理后的图像。

具体实施方式

为了使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明的实施例做进一步详细地说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

以上一帧图像各个点AD值的累计平均值，作为当前帧图像亮度偏移的参考和直方图均衡化是图像处理的常用手法，尤其是直方图均衡化，到目前为止还是图像增强最重要的手段之一。对于可见光图像，均衡化的效果尤为明显，但是因为红外图像本身的特点(背景所占的灰度级较大，目标灰度级较小)，不作预处理就均衡化就很容易把背景噪声也一起放大，甚至均衡化后拉伸的是图像的背景，而目标被抑制掉。本发明的核心就是在作均衡化之前先作直方图加权处理，抑制了背景噪声，而中值滤波更进一步提高了信噪比。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，本发明的红外热图数字信号处理系统可包括设置在红外热像仪上的FPGA芯片，用以对由红外热像仪拍摄的多帧红外热图的数字信号进行处理，该FPGA芯片包括：图像处理模块，在帧逆程中，对表示当前帧图像的原始直方图曲线分布的原始直方图数据进行差别权重累加处理，以滤除过亮或过暗的像素，并将经该图像处理模块在上一个帧逆程中处理后的上一帧图像的灰度值数据输送至该图像输出模块；以及图像输出模块，与该图像处理模块连通，在帧正程中，对所接收的上一帧图像的灰度值数据进行多段折线式灰度偏移处理，以针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，并输出经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据；同步/控制模块，用以控制该图像处理模块和该图像输出模块，以使其分别在信号处理时序中的不同时机进行所述差别权重累加处理和多段折线式灰度偏移处理；双口RAM，与该图像处理模块连通，用以接收来自红外热像仪的所述多帧红外热图的数字信号，并统计该当前帧图像中每个灰度级的像素个数。

图像输出模块将经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据输出至设置在该红外热像仪上的视频解码模块来进行视频数据解码，解码后的视频数据继而被输送至设置在该红外热像仪上的图像显示模块以供显示。

图2为根据该实施例的红外热图数字信号处理方法的工作流程图。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，本发明的红外热图数字信号处理方法主要包括帧正程和帧逆程这两个处理过程。

在帧逆程中，对表示当前帧图像的原始直方图曲线分布的原始直方图数据进行差别权重累加处理，以滤除过亮或过暗的像素，并将在上一个帧逆程中处理后的上一帧图像的灰度值数据输送至该图像输出模块；以及

在帧正程中，对所接收的上一帧图像的灰度值数据进行多段折线式灰度偏移处理，以针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，并输出经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据。

具体而言，帧正程处理和帧逆程处理一般包括以下内容：

1、在帧正程处理期间，系统同时做两件事情：输出并显示上一帧图像的灰度值数据和统计当前帧图像的灰度值数据。其中：

1)输出上一帧图像的数据：以当前帧图像的原始AD值为基地址，在找查表中找查上一帧图像的统计好和处理后的数据(灰度映射值，即上一帧图像在经过帧正程和帧逆程处理之后，最后存储在找查表中的经中值滤波处理后的直方图数据)并将之输送给FPGA内部的图像输出模块，由该模块进行多段折线式灰度偏移，以防止图像过暗和过亮。

多段折线式灰度偏移处理包括：将该上一帧图像的像素灰度值的灰度空间分为多段，每一段对应于分别表示不同的灰度偏移系数的多个斜率之一，每一段中的每个像素的灰度值分别乘以该段所对应的斜率，以作为该像素的经多段折线式灰度偏移处理后的灰度值。

例如，作为本发明的一个实施例，图3示出了由图像输出模块针对上一帧图像进行三段折线式灰度偏移的方式，其中x轴表示上一帧图像的所有像素的灰度值的灰度空间，y轴表示进行灰度偏移后的灰度值)。在进行灰度偏移时，可把上一帧图像的灰度空间分为三段，每一段分别乘以相应的斜率(该斜率表示灰度偏移系数，低灰度级段对应的灰度偏移系数一般大于1，而中间段一般不作偏移，即其对应的灰度偏移系数是1，而高灰度段对应的灰度偏移系数一般小于1)即可，最后将偏移后的灰度值数据送给FPGA芯片外部的视频解码模块输出显示。

本发明所进行的多段折线式灰度偏移处理不应局限于上述实施例，针对上一帧图像的灰度空间的分段段数和与每段对应的折线斜率的大小可根据原始图像和目标图像(即处理后图像)的显示质量做适当调整。

2)统计当前帧图像的数据：FPGA通过自带的双口RAM接收来自红外热像仪的所述多帧红外热图的数字信号，统计当前帧图像中每个灰度级的像素个数，并根据所统计的数值得出当前帧图像的原始图像的直方图分布(之后称为原始直方图)，然后对该原始图像直方图中不同等级的AD值作差别权重累加处理，所述差别权重累加处理的实现分三步：

(1)找出例如2％(该百分比可根据显示的图像质量适当加减)最大灰度值中的最小值作为总像素的最大灰度值，即在直方图中最大灰度值的像素点开始往下累加，直到累加的像素个数占总像素的2％为止，此时的灰度值即是要找查的最大灰度值Xmax；

(2)找出例如2％(该百分比可根据显示的图像质量适当加减)最小灰度值中的最大值作为最小灰度值，即在直方图中的最小灰度值像素点开始往上累加，直到累加的像素个数占总像素的2％为止，此时的灰度值即是要找查的最小灰度值Xmin；以及具体的场景目标和输出的图像质量

(3)将大于Xmax的所有像素的灰度值一律压缩为255，以及将小于Xmin的所有像素的灰度值压缩为0(假设图像灰度的量化级为8bit)。

2、在帧逆程处理期间，系统进行以下处理：

1)在帧逆程的第一阶段，根据经差别权重累加处理后的直方图分布曲线，计算出加权函数。

在完成差别权重累加处理之后，通过计算加权函数y(X)来对经差别权重累加处理后的直方图数据进行直方图加权处理，以平滑掉该原始直方图的主峰而获得更为均匀的目标直方图分布曲线。请参阅图4a至图4c。其中，图4a为当前帧图像的原始直方图；图4b为根据本发明的红外热图数字信号处理方法计算出的加权函数示意图；图4c为图4a中的原始直方图采用图5b所示加权函数进行直方图加权处理后的直方图。

其中计算该加权函数y包括以下步骤：

确定该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的主峰的最高点h(X0)，即h(X0)＝MAX[h(Xn)]；

确定该主峰的平滑处理带宽为当h(Xn)的幅度从该主峰下降到该主峰值的

时的灰度值Xbw1-Xbw2；

根据期望的平滑效果，获得该目标直方图的目标直方图分布曲线的函数h(Xk)，其中在该带宽Xbw1-Xbw2中的h(Xk)具有类似于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的曲线波形，而位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的h(Xk)近似等于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)；以及

该加权函数y(X)与该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)和该目标直方图分布曲线的函数h(Xk)之间具有如下的关系式：

h(Xk)＝h(Xn)*y(X)

其中，如图4a所示，Xn是原始图像中包含的灰度值，h(Xn)是具有相同灰度值的像素点的个数；如图4b所示，其中X是与原始图像中的灰度值对应的灰度值，y是具有相同灰度值的像素点的加权函数值，换句话，X表示加权函数的与Xk和Xn对应的定义域，且y(X)表示该加权函数的值域；如图4c所示，Xk是加权处理后图像中包含的灰度值，从图中可以看出Xk与Xn基本对应，y是具有相同灰度值的像素点的个数。

实验表明，在该带宽Xbw1-Xbw2中，红外图像的原始直方图主峰一般呈指数形式分布，所以这一带宽中的加权函数y(X)也必须是指数形式，而在该带宽Xbw1-Xbw2之外，因为h(Xk)近似等于h(Xn)，所以y(X)近似等于1，如图4b所示。

2)在帧逆程的第二阶段，利用加权函数对原始直方图数据进行直方图加权处理(须注意，这里的直方图加权处理与前述差别权重累加处理是两回事。针对某一帧图像，根据其具体的场景目标和输出的图像质量的优劣，由用户确定是单作差别权重累加处理还是要进一步作直方图加权处理，并通过在终端发出控制指令来选择性地进行直方图加权处理。

如图4c所示，经加权后的直方图变得更加平滑和均匀。

因此，直方图加权处理的主要作用就是把原始直方图的主峰平滑掉，使加权后获得的直方图分布更加均匀。

3)在帧逆程的第三阶段，对直方图加权处理后的直方图数据作灰度变换处理以实现直方图均衡化。应了解，在进行本发明前述直方图加权处理之后再作直方图均衡化，会比传统的未进行加权处理而直接进行直方图均衡化所带来的背景噪声的严重程度有所改善。

4)在帧逆程的最后阶段，对均衡化后的直方图作中值滤波处理。虽然直方图加权可以很好地平滑掉原始直方图的主峰，但再次均衡化后依然可能会把背景噪声放大，须知直方图均衡化的一大负作用就是放大背景噪声，一般不可避免，只能尽量减少，在均衡化之前先作加权处理就是为了尽量减轻背景噪声，但不可避免依然存在背景噪声的放大，故此需再作中值滤波处理。中值滤波就是滤除均衡化后可能带来的背景噪声。

根据实际效果，中值滤波例如可选取四个点或者九个点作中值处理，这样不但可以较好地滤除噪声，还可以使输出版面更加均匀，场景适应性更好。

将中值滤波后的直方图数据存入找查表，同时清空双口RAM。

此后，查询是否还有下一帧图像存在，如果有，将经过上述处理后的当前帧图像作为上一帧图像，并将下一帧图像作为当前帧图像，对相关的数据重复进行上述从帧正程到帧逆程的处理。

其中，在FPGA芯片上的同步/控制模块的控制下，由同在FPGA芯片上的图像输出模块和图像处理模块分别在信号处理时序中的不同时机进行所述帧正程处理和帧逆程处理。进而，本发明实际上是利用原有的信号处理时序上的一些空隙，分别进行帧正程和帧逆程处理中的数据统计、计算和变换，因而无须消耗更多的时序资源和FPGA芯片内部的RAM资源。

每帧图像在完成上述帧正程处理和帧逆程处理之后，由设置在红外热像仪上的视频解码模块对从图像输出模块输出的经多段折线式灰度偏移处理后的该帧(此时作为相对于当前帧的上一帧)图像的灰度值数据进行视频数据解码，以供红外热像仪上的图像显示模块显示。

图5a-图5c分别实例性示出红外热图的当前帧的原始图像、该原始图像经传统直方图均衡化后的图像及该原始图像经本发明的数字信号处理方法处理后的图像的显示效果。

如图5a所示，原始图像在未经任何处理时，其显示出当场景中出现高亮目标时，背景被压黑的情形。

如图5b所示，当对原始图像进行传统的直方图均衡化后，其显示出的图像具有噪声较大、高亮目标易饱和的缺陷。

如图5c所示，当根据本发明的红外热图数字信号处理方法对原始图像进行处理后，其显示出的图像在增强对比度的同时也抑制了噪声，因而场景适应性得以改善，图像清晰度也相应得到了明显提高。

本发明相比现有技术在整体流程上具有如下的效果和优点：

本发明与现有技术，在信号处理的整体流程上是相近的。但在处理时，结合了两种旧方式的优点，利用原有的信号处理时序上的空隙增加了一些统计、计算和变换，不需消耗更多的时序资源和FPGA芯片内部的RAM资源，因此硬件系统无需升级，却可以使红外热图像的场景适应性得到较大的提高。结合直方图加权处理的图像增强方式，可以较好地抑制图像的背景，突出目标。

本发明的技术关键点在于：

a、对不同等级的AD值作差别权重累加，以滤除过亮或过暗的像素，保持图像的整体亮度稳定，提高场景适应性；

b、多段折线式的灰度偏移针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，使图像的整体亮度更为均匀，场景适应性更佳；

c、结合直方图加权处理及中值滤波等直方图增强方式，可实现有效的图像增强并抑制背景和噪声，突出目标。

本算法克服了一般直方图均衡化算法的缺点，对于不同的场景能够自适应地对原始图像增强，较好地抑制图像的背景，突出目标。

尽管前面结合附图而对本发明的多个示例性实施例进行了具体描述，但可以理解的是，在本公开内容的原理的精神和范围之内，本领域技术人员完全可以推导出许多其它变化和实施例。尤其是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件的设置组合进行多种变化和改进。除组件和/或附件的变化和改进之外，其他可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。

Claims (18)

1.一种红外热图数字信号处理系统，其包括设置在红外热像仪上的FPGA芯片，用以对由红外热像仪拍摄的多帧红外热图的数字信号进行处理，该FPGA芯片包括：

图像处理模块，在帧逆程中，对表示当前帧图像的原始直方图曲线分布的原始直方图数据进行差别权重累加处理，以滤除过亮或过暗的像素，并将经该图像处理模块在上一个帧逆程中处理后的上一帧图像的灰度值数据输送至该图像输出模块；以及

图像输出模块，与该图像处理模块连通，在帧正程中，对所接收的上一帧图像的灰度值数据进行多段折线式灰度偏移处理，以针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，并输出经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据。

2.根据权利要求1所述的红外热图数字信号处理系统，其中，该图像处理模块对该原始直方图数据进行的差别权重累加处理包括：

找出像素个数占总像素个数2％的具有最大灰度值的像素中的最小灰度值作为总像素的最大灰度值，即在该直方图中从最大灰度值的像素点开始往下累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最大灰度值Xmax；

找出像素个数占总像素个数2％的具有最小灰度值的像素中的最大灰度值作为总像素的最小灰度值，即在该直方图中从最小灰度值像素点开始往上累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最小灰度值Xmin；以及

将大于Xmax的所有像素的灰度值压缩为255，以及将小于Xmin的所有像素的灰度值压缩为0。

3.根据权利要求2所述的红外热图数字信号处理系统，其中，在帧逆程中，该图像处理模块通过计算加权函数y(X)来对经差别权重累加处理后的直方图数据进行直方图加权处理，以平滑掉该原始直方图的主峰而获得更为均匀的目标直方图分布曲线，其中计算该加权函数y包括：

确定该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的主峰的最高点h(X0)，即h(X0)＝MAX[h(Xn)]；

确定该主峰的平滑处理带宽为当h(Xn)的幅度从该主峰下降到该主峰值的

时的灰度值Xbw1-Xbw2；

根据期望的平滑效果，获得该目标直方图的目标直方图分布曲线的函数h(Xk)，其中在该带宽Xbw1-Xbw2中的h(Xk)具有类似于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的曲线波形，而位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的h(Xk)近似等于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)；以及

该加权函数y(X)与该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)和该目标直方图分布曲线的函数h(Xk)之间具有如下的关系式：

h(Xk)＝h(Xn)*y(X)，其中

Xn表示原始图像中一个像素的灰度值，h(Xn)是对应于该灰度值的像素个数；Xk表示目标直方图中一个像素的灰度值，h(Xk)是对应于该灰度值的像素个数；X表示加权函数y(X)的与Xk对应的定义域，且y(X)表示该加权函数的值域。

4.根据权利要求1所述的红外热图数字信号处理系统，其中，该图像输出模块进行的多段折线式灰度偏移处理包括：将该上一帧图像的像素灰度值的灰度空间分为多段，每一段对应于分别表示不同的灰度偏移系数的多个斜率之一，每一段中的每个像素的灰度值分别乘以该段所对应的斜率，以作为该像素的经多段折线式灰度偏移处理后的灰度值。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的红外热图数字信号处理系统，其中，该FPGA芯片还包括：

同步/控制模块，用以控制该图像输出模块和该图像处理模块，以使其分别在信号处理时序中的不同时机进行所述帧正程中的处理和帧逆程中的处理。

6.根据权利要求5所述的红外热图数字信号处理系统，其中，该FPGA芯片还包括：

双口RAM，与该图像处理模块连通，用以接收来自红外热像仪的所述多帧红外热图的数字信号，并统计该当前帧图像中每个灰度级的像素个数。

7.根据权利要求1至4的任意一项所述的红外热图数字信号处理系统，其中，在帧逆程中，该图像处理模块在对该当前帧图像的原始直方图数据完成上述处理之后，还对处理后的直方图数据进行灰度变换处理，以获得均衡化的直方图。

8.根据权利要求7所述的红外热图数字信号处理系统，其中，在帧逆程中，该图像处理模块在完成灰度变换处理之后，再对均衡化后的直方图数据作中值滤波处理，以滤除所述均衡化带来的背景噪声。

9.根据权利要求1至4的任意一项所述的红外热图数字信号处理系统，其中，该图像输出模块将经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据输出至设置在该红外热像仪上的视频解码模块来进行视频数据解码，解码后的视频数据继而被输送至设置在该红外热像仪上的图像显示模块以供显示。

10.一种红外热图数字信号处理方法，其包括以下步骤：

在帧逆程中，对表示当前帧图像的原始直方图曲线分布的原始直方图数据进行差别权重累加处理，以滤除过亮或过暗的像素，并将在上一个帧逆程中处理后的上一帧图像的灰度值数据输送至该图像输出模块；以及

在帧正程中，对所接收的上一帧图像的灰度值数据进行多段折线式灰度偏移处理，以针对亮度偏亮或偏暗的灰度值数据进行不同程度的灰度偏移，并输出经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据。

11.根据权利要求10所述的红外热图数字信号处理方法，其中，对该原始直方图数据进行的差别权重累加处理包括以下步骤：

找出像素个数占总像素个数2％的具有最大灰度值的像素中的最小灰度值作为总像素的最大灰度值，即在该直方图中从最大灰度值的像素点开始往下累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最大灰度值Xmax；

找出像素个数占总像素个数2％的具有最小灰度值的像素中的最大灰度值作为总像素的最小灰度值，即在该直方图中从最小灰度值像素点开始往上累加像素个数，直到累加的像素个数占总像素个数的2％为止，此时对应的灰度值为总像素的最小灰度值Xmin；以及

将大于Xmax的所有像素的灰度值压缩为255，以及将小于Xmin的所有像素的灰度值压缩为0。

12.根据权利要求11所述的红外热图数字信号处理方法，其中，在帧逆程中，在完成差别权重累加处理之后，通过计算加权函数y(X)来对经差别权重累加处理后的直方图数据进行直方图加权处理，以平滑掉该原始直方图的主峰而获得更为均匀的目标直方图分布曲线，其中计算该加权函数y包括以下步骤：

确定该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的主峰的最高点h(X0)，即h(X0)＝MAX[h(Xn)]；

确定该主峰的平滑处理带宽为当h(Xn)的幅度从该主峰下降到该主峰值的

时的灰度值Xbw1-Xbw2；

根据期望的平滑效果，获得该目标直方图的目标直方图分布曲线的函数h(Xk)，其中在该带宽Xbw1-Xbw2中的h(Xk)具有类似于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)的曲线波形，而位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的h(Xk)近似等于位于该带宽Xbw1-Xbw2之外的该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)；以及

该加权函数y(X)与该原始直方图分布曲线的函数h(Xn)和该目标直方图分布曲线的函数h(Xk)之间具有如下的关系式：

h(Xk)＝h(Xn)*y(X)，其中

Xn表示原始图像中一个像素的灰度值，h(Xn)是对应于该灰度值的像素个数；Xk表示目标直方图中一个像素的灰度值，h(Xk)是对应于该灰度值的像素个数；X表示加权函数y(X)的与Xk对应的定义域，且y(X)表示该加权函数的值域。

13.根据权利要求10所述的红外热图数字信号处理方法，其中，所述多段折线式灰度偏移处理包括：将该上一帧图像的像素灰度值的灰度空间分为多段，每一段对应于分别表示不同的灰度偏移系数的多个斜率之一，每一段中的每个像素的灰度值分别乘以该段所对应的斜率，以作为该像素的经多段折线式灰度偏移处理后的灰度值。

14.根据权利要求10至13的任意一项所述的红外热图数字信号处理方法，其中，分别在信号处理时序中的不同时机进行所述帧正程中的处理和帧逆程中的处理。

15.根据权利要求14所述的红外热图数字信号处理方法，其中，该方法还包括以下步骤：

在帧逆程中，在进行所述差别权重累加处理之前，接收来自红外热像仪的所述多帧红外热图的数字信号，统计该当前帧图像中每个灰度级的像素个数，并根据所统计的数值获得当前帧图像的原始直方图分布曲线。

16.根据权利要求10至13的任意一项所述的红外热图数字信号处理方法，其中，在帧逆程中，在完成上述处理之后，再对处理后的直方图数据进行灰度变换处理，以获得均衡化的直方图。

17.根据权利要求16所述的红外热图数字信号处理系统，其中，在帧逆程中，在完成对加权后的所述直方图的灰度变换处理之后，再对均衡化后的直方图数据作中值滤波处理，以滤掉所述均衡化带来的背景噪声。

18.根据权利要求10至13的任意一项所述的红外热图数字信号处理方法，其中，该方法还包括以下步骤：

对所输出的经多段折线式灰度偏移处理后的上一帧图像的灰度值数据进行视频数据解码，以供显示。

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