CN103049879A - 一种基于fpga的红外图像预处理方法 - Google Patents

一种基于fpga的红外图像预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的红外图像预处理方法，本发明采用了内嵌有可编程片上系统SOPC的单片可编程逻辑芯片FPGA和少量外围电路来实现红外图像的预处理，红外图像的非均匀校正系数的计算、直方图的统计、红外图像的非均匀校正、红外图像盲元的替换、灰度变换等全部都由FPGA来完成，不需要数字信号处理器DSP参与计算，系统结构小型化，解决了现有红外图像处理电路结构复杂、功耗大和图像处理效率低的问题。

Description

一种基于FPGA的红外图像预处理方法
技术领域
本发明涉及图像处理领域，具体涉及一种基于FPGA的红外图像预处理方法。
背景技术
近年来红外成像系统已经广泛应用于导弹制导、红外前视、红外搜索跟踪等多个领域。在红外图像处理系统中，红外图像必须经过数据采集、模拟信号数字化、非均匀性校正和灰度变换等处理，其中非均匀校正、直方图统计、线性变换等红外图像的预处理工作是红外成像系统的主要工作。目前普遍使用是现场可编程门阵列FPGA+数字信号处理器DSP的系统构架形式实现上述功能，其中FPGA完成数据采集控制、红外图像非均匀校正、数据搬运等工作，DSP依靠其强大的计算能力完成红外图像的非均匀校正系数计算、直方图统计、线性变换等负责计算功能。这种方式电路结构庞大、系统控制和时序逻辑复杂、功耗增加、电磁兼容性问题突出，而且在对图像的实时性、电路尺寸及电磁兼容有严格限制的使用环境下，上述问题尤为突出，必须进行改进和控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的红外图像预处理方法，用以解决现有红外图像处理电路结构复杂、功耗大和图像处理效率低的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：一种基于FPGA的红外图像预处理方法，包括以下步骤：
（1）当新一帧图像开始时，若上位机发送非均匀校正系数计算命令，则由FPGA内部SOPC软核进行红外图像非均匀校正系数的计算，并将计算结果存储到系数存储器中继续等待下一帧图像的到来；
（2）若上位机发送非均匀校正命令，则由FPGA内部的非均匀校正模块根据所述系数存储器中存储的非均匀校正系数，对红外信号进行非均匀校正；
（3）由FPGA内部SOPC软核确定盲元位置，并替换盲元；
（4）红外图像直方图统计模块实时接收经过非均匀校正和盲元替换后的红外图像数据，并实时统计每帧红外图像的直方图；
（5）根据每帧红外图像直方图统计结果，由FPGA内的控制单元实时计算出灰度变换的高低门限，并由FPGA内的SOPC软核根据高低门限进行红外信号灰度变换的计算，变换结果存放在FPGA内部的SRAM模块中；
（6）重复上述步骤（1）~步骤（5），直到完成整个红外图像的预处理。
所述红外图像非均匀校正系数的计算采用的是图像冻结的方式静态采集单帧红外图像的响应或者多帧红外图像响应的平均值来完成的。
红外图像非均匀校正采用流水线的方式将红外焦平面的每个像元的响应依次与其对应位置的非均匀校正系数进行计算。
步骤（4）是采用双口RAM、单口RAM、控制单元相结合的方式以数据量的形式实时统计每帧红外图像的直方图。
步骤（3）中对盲元的替换采用的是中值滤波的方式。
本发明达到的有益效果：本发明采用了内嵌有可编程片上系统（SOPC）的单片可编程逻辑芯片(FPGA)和少量外围电路来实现红外图像的预处理，红外图像的非均匀校正系数的计算、直方图的统计、红外图像的非均匀校正、红外图像盲元的替换、灰度变换等全部都由FPGA来完成，不需要数字信号处理器DSP参与计算，系统结构小型化，电路面积减少了40％，功耗降低了30％，元器件数量减少了35％。同时通过减少各处理芯片之间的交互，使得图像处理的效率更高，速度更快。
附图说明
图1是本发明红外图像预处理方法流程图；
图2是基于FPGA的红外图像预处理结构原理图；
图3是本发明方法采用的红外图像预处理装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1和图2所示，红外图像预处理分为非均匀校正系数的计算和实时处理，为保证系统工作的实时性，红外图像预处理以每帧信号的开始为起点进行工作。每帧信号开始后，若通信模块收到上位机发送的非均匀校正系数计算命令，则由采用SOPC软核的非均匀校正系数计算装置进行非均匀校正系数的计算，并将计算结果写入系数存储器中。本实施例非均匀校正系数的计算是采用图像冻结的方式静态采集单帧红外图像的响应或者多帧红外图像响应的平均值来完成的。当通信模块收到模式切换命令时，非均匀校正系数计算装置立刻通过图像冻结装置禁止帧存储器的写入，然后根据帧存储器内的数据进行非均匀校正系数的计算。
若通信模块收到上位机发送的非均匀校正命令，则进行实时处理，首先非均匀校正装置根据系数存储器中的非均匀校正系数对红外信号进行非均匀校正，然后进行盲元替换，本实施例是使用SOPC软核采用3×3窗口中值滤波的方法确定盲元位置，并用窗口内9个像素的平均值替换盲元。红外图像直方图统计模块实时接收经过非均匀校正和盲元替换后的红外图像数据，并以数据量的形式实时统计每帧图像的直方图，本实施例对直方图的统计采用双口RAM、单口RAM、控制单元相结合的方式，以数据量的形式实时统计每帧红外图像的直方图，然后由灰度变换模块根据每帧图像的直方图统计结果实时计算出灰度变换的高低门限，最后根据高低门限进行灰度变换并将变换结果写入灰度变换存储器，本实施例灰度变换采用的是线性变换。关于中值滤波法和灰度变换的线性变换为本领域人员公知常识，在此不再详细介绍。
如图3，采用本发明红外图像预处理方法的装置由内嵌可编程片上系统SOPC的现场可编程芯片FPGA和其外围电路组成，图中虚线框中所示为现场可编程芯片FPGA。
本实施例现场可编程器件采用ALTERA公司的EP1S10F484I6芯片，包括时钟管理模块、NIOSII软核处理器、非均匀校正模块、双口存储器控制器、同步信号控制器、片内灰度变换存储器。其外围电路包括有源晶体振荡器、电源变换模块、配置控制器EPM7128、程序存储器AM29LV065D、数据存储器WEDPS512K32、双口存储器IDT70T631和串行通信模块XR16L2550
NIOSII软核处理器包括CPU内核、程序存储器控制器、数据存储器控制器、三态总线、64KB片内存储器、盲元替换装置、非均匀校正系数计算模块、片内灰度变换存储器接口和串行通信模块。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的红外图像预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）当新一帧图像开始时，若上位机发送非均匀校正系数计算命令，则由FPGA内部SOPC软核进行红外图像非均匀校正系数的计算，并将计算结果存储到系数存储器中继续等待下一帧图像的到来；
（2）若上位机发送非均匀校正命令，则由FPGA内部的非均匀校正模块根据所述系数存储器中存储的非均匀校正系数，对红外信号进行非均匀校正；
（3）由FPGA内部SOPC软核确定盲元位置，并替换盲元；
（4）红外图像直方图统计模块实时接收经过非均匀校正和盲元替换后的红外图像数据，并实时统计每帧红外图像的直方图；
（5）根据每帧红外图像直方图统计结果，由FPGA内的控制单元实时计算出灰度变换的高低门限，并由FPGA内的SOPC软核根据高低门限进行红外信号灰度变换的计算，变换结果存放在FPGA内部的SRAM模块中；
（6）重复上述步骤（1）~步骤（5），直到完成整个红外图像的预处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的红外图像预处理方法，其特征在于，所述红外图像非均匀校正系数的计算采用的是图像冻结的方式静态采集单帧红外图像的响应或者多帧红外图像响应的平均值来完成的。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的红外图像预处理方法，其特征在于，红外图像非均匀校正采用流水线的方式将红外焦平面的每个像元的响应依次与其对应位置的非均匀校正系数进行计算。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的红外图像预处理方法，其特征在于，步骤（4）是采用双口RAM、单口RAM、控制单元相结合的方式以数据量的形式实时统计每帧红外图像的直方图。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的红外图像预处理方法，其特征在于，步骤（3）中对盲元的替换采用的是中值滤波的方式。
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