CN104217399A - 实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路，其中包括直方图统计模块、映射函数累加模块、直方图均衡化处理模块、存储器选择模块。本发明还涉及一种基于该电路实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法。采用该种实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法，不需外接帧缓存（片外SDRAM），仅需FPGA内部存储器资源即可，而且可根据实际图像灵活配置输入，将输入图像调节至相对最佳，避免基本的直方图均衡目标背景对比度过大的问题，使得能够有效解决输出红外图像对比度过大及均衡算法实时处理的问题，节约了系统资源，图像处理效果好，结构简单实用，处理过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

Description

实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，特别涉及图像增强和均衡处理以及概率统计技术领域，具体是指一种实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法。

背景技术

在红外图像增强领域，传统的直方图均衡算法（HE）由于其简单有效性使其成为较为普遍的算法，基本的算法思路：根据输入图像的灰度概率分布函数确定输出图像的灰度值，使其各灰度级分布相对均匀，提高对比度。

算法主要步骤：

（1）统计原图像各灰度级直方图分布（可降灰度阶统计）；

（2）计算各灰度的累积概率分布函数；

（3）根据映射关系（查找表）将原灰度值映射到输出图像的灰度值（包含除法运算）。假设均衡的灰度范围为[G₁,G₂]，则变换函数的非归一化形式

$S_k=\frac{G_2-G_1}{n}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j,k=\mathrm{0,1},...,2^m-1.$

由于红外图像背景和噪声占用了绝大多数的灰度级，而目标的灰度级较少，经直方图均衡（HE）处理后，提高了背景和噪声的对比度，缺陷如下：

（1）易出现目标过亮（对比度过大）的问题；

（2）处理过程会出现相邻灰度级合并的现象，部分细节丢失，处理后的图像直方图呈非均匀分布；

（3）直方图均衡未区分目标信号和噪声，处理后的图像视觉效果生硬。

直方图均衡作为一种基础的图像处理方法大多是通过DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）或者MCU（Microprogrammed Control Unit，微控制器）编程实现，其优点是灵活性比较高，调试方便，最大的缺点是很难做到实时或者准实时处理。硬件实现直方图均衡处理算法的传统方法需要将整幅图像写入帧缓存（片外SDRAM（Synchronous DynamicRandom Access Memory，同步动态随机存储器）），然后再进行统计处理。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效解决输出红外图像对比度过大及均衡算法实时处理的问题、节约系统资源、图像处理效果好、结构简单实用、处理过程快捷方便、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法。

为了实现上述的目的，本发明的实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法如下：

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路，其主要特点是，所述的电路包括：

直方图统计模块，对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，并得到相应的直方图信息；

映射函数累加模块，与所述的直方图统计模块相连接，对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，并输出原图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值；

直方图均衡化处理模块，与所述的映射函数累加模块相连接，根据所述的直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作；

存储器选择模块，分别与所述的直方图统计模块和直方图均衡化处理模块相连接，根据场同步信号进行存储器的选择及切换操作。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路中的直方图统计模块中包括存储器、加法器、地址寄存器和控制器，所述的存储器、加法器和地址寄存器分别与所述的控制器相连接，所述的存储器与所述的存储器选择模块相连接。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路中的直方图均衡化处理模块中包括除法器和信号延时单元，所述的映射函数累加模块通过所述的除法器与所述的信号延时单元相连接。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路中的存储器为双端口随机存储器。

该基于上述的电路实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其主要特点是，包括以下步骤：

（1）所述的直方图统计模块对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，并得到相应的直方图信息；

（2）所述的映射函数累加模块对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，并输出该红外图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值；

（3）所述的直方图均衡化处理模块根据所述的直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作，并得到处理后的红外图像。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，包括以下步骤：

（11）获取红外图像中的像素的灰度数据；

（12）根据存储器的资源状况进行降阶归类；

（13）读取存储器中对应于该灰度数据的地址中存储的计数值；

（14）如果该计数值小于系统预设的平台阈值，则将该计数值增加1，并将该计数值进行更新存储；

（15）如果该计数值等于系统预设的平台阈值，则不进行任何操作；

（16）重复上述步骤（11）～（15），直到红外图像中所有的像素均统计完毕。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的灰度数据为16位灰度数据。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的映射函数累加模块中包括第一存储器、第二存储器、第三存储器和第四存储器，所述的映射函数累加模块对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，包括以下步骤：

（21）使用第一存储器和第三存储器进行直方图信息的统计操作；

（22）使用第二存储器和第四存储器进行直方图信息的累加操作；

（23）将第一存储器和第三存储器中的所有地址进行写零操作。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的使用第一存储器和第三存储器进行直方图信息的统计操作，包括以下步骤：

（211）使用所述的第一存储器统计红外图像的奇数场的直方图信息；

（212）使用所述的第三存储器统计红外图像的偶数场的直方图信息。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的使用第二存储器和第四存储器进行直方图信息的累加操作，包括以下步骤：

（221）使用所述的第二存储器在红外图像的奇数场对于所述的第一存储器内的直方图信息进行累加；

（222）使用所述的第四存储器在红外图像的偶数场对于所述的第三存储器内的直方图信息进行累加。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的输出红外图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值，包括以下步骤：

（24）根据统计出的直方图分布信息是否为零寻找到有效灰度的边界；

（25）将该有效灰度的边界的地址分别作为上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的根据直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作，包括以下步骤：

（31）查找所述的映射函数累加模块中的进行累加操作的第二存储器和第四存储器中相应的累加数据；

（32）将根据以下公式计算输出灰度值：

输出灰度值＝累加数据÷红外图像的总像素点数。

该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的步骤（32）之后，还包括以下步骤：

（33）对输出灰度值进行增益调节和偏移量设置，作为最终的输出灰度值。

采用了该发明的实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法，由于其中基于FPGA的红外图像增强上，将直方图均衡算法中的原图像奇偶场拆分为并行执行的流水线方式，且将平台阈值输入设定为可配，将其加入直方图统计模块作为统计的上限，从而不需外接帧缓存（片外SDRAM），仅需FPGA内部存储器资源即可，而且可根据实际图像灵活配置输入，将输入图像调节至相对最佳，避免基本的直方图均衡目标背景对比度过大的问题，使得能够有效解决输出红外图像对比度过大及均衡算法实时处理的问题，节约了系统资源，图像处理效果好，结构简单实用，处理过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

附图说明

图1为本发明的实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路的结构示意图。

图2为本发明的实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的方法的流程图。

图3为本发明的实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的方法中的存储器的操作模式。

图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h为本发明的实验仿真结果与现有技术的对比示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路，其中所述的电路包括：

（1）直方图统计模块，对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，并得到相应的直方图信息；

（2）映射函数累加模块，与所述的直方图统计模块相连接，对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，并输出原图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值；

（3）直方图均衡化处理模块，与所述的映射函数累加模块相连接，根据所述的直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作；

（4）存储器选择模块，分别与所述的直方图统计模块和直方图均衡化处理模块相连接，根据场同步信号进行存储器的选择及切换操作。

其中，所述的直方图统计模块中包括存储器、加法器、地址寄存器和控制器，所述的存储器、加法器和地址寄存器分别与所述的控制器相连接，所述的存储器与所述的存储器选择模块相连接；所述的直方图均衡化处理模块中包括除法器和信号延时单元，所述的映射函数累加模块通过所述的除法器与所述的信号延时单元相连接；所述的存储器为双端口随机存储器。

再请参阅图2所示，该基于上述的电路实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其中，包括以下步骤：

（1）所述的直方图统计模块对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，并得到相应的直方图信息，包括以下步骤：

（a）获取红外图像中的像素的灰度数据，该灰度数据为16位灰度数据；

（b）根据存储器的资源状况进行降阶归类；

（c）读取存储器中对应于该灰度数据的地址中存储的计数值；

（d）如果该计数值小于系统预设的平台阈值，则将该计数值增加1，并将该计数值进行更新存储；

（e）如果该计数值等于系统预设的平台阈值，则不进行任何操作；

（f）重复上述步骤（a）～（e），直到红外图像中所有的像素均统计完毕；

（2）所述的映射函数累加模块对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，并输出该红外图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值；该映射函数累加模块中包括第一存储器、第二存储器、第三存储器和第四存储器，所述的映射函数累加模块对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，包括以下步骤：

（a）使用第一存储器和第三存储器进行直方图信息的统计操作；该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的使用第一存储器和第三存储器进行直方图信息的统计操作，包括以下步骤：

（i）使用所述的第一存储器统计红外图像的奇数场的直方图信息；

（ii）使用所述的第三存储器统计红外图像的偶数场的直方图信息；

（b）使用第二存储器和第四存储器进行直方图信息的累加操作；该实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法中的使用第二存储器和第四存储器进行直方图信息的累加操作，包括以下步骤：

（i）使用所述的第二存储器在红外图像的奇数场对于所述的第一存储器内的直方图信息进行累加；

（ii）使用所述的第四存储器在红外图像的偶数场对于所述的第三存储器内的直方图信息进行累加。

（c）将第一存储器和第三存储器中的所有地址进行写零操作；

该输出红外图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值，包括以下步骤：

（d）根据统计出的直方图分布信息是否为零寻找到有效灰度的边界；

（e）将该有效灰度的边界的地址分别作为上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值；

（3）所述的直方图均衡化处理模块根据所述的直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作，并得到处理后的红外图像，包括以下步骤：

（a）查找所述的映射函数累加模块中的进行累加操作的第二存储器和第四存储器中相应的累加数据；

（b）将根据以下公式计算输出灰度值：

输出灰度值＝累加数据÷红外图像的总像素点数。

（c）对输出灰度值进行增益调节和偏移量设置，作为最终的输出灰度值。

在实际使用当中，本发明在基于FPGA的红外图像增强上，将直方图均衡算法中的原图像奇偶场拆分为并行执行的流水线方式，且将平台阈值输入设定为可配，将其加入直方图统计模块作为统计的上限，本发明不需外接帧缓存（片外SDRAM），仅需FPGA内部存储器资源即可。

解决方案主要包含直方图统计模块、映射函数累加模块、直方图均衡模块、存储器选择模块。

（1）直方图统计是一种基于像素点的处理方法，硬件电路由DPRAM（Dual Port RAM，双端口随机存储器）、加法器、地址寄存器和控制器等组成。直方图的统计结果存储在DPRAM（8192×17）内，每个灰度级对应一个地址0～8191（考虑到存储器资源做灰度降阶处理），每个地址存储该灰度级的像素总数，若某个灰度级上计数达到平台值则不再计数，直接写入DPRAM的相应地址。

（2）映射函数累加模块主要包含两个主要功能，一是对直方图统计模块统计到的直方图信息进行累加操作，累加操作需要8192个时钟周期，统计RAM的某个地址累加完毕即可在下个时钟周期对其写零（需8192个时钟周期）。二是输出原图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值。

（3）直方图均衡模块根据累加模块计算得到的直方图分布（查找表）进行直方图均衡操作，包含一个除法器和信号的延时操作。

（4）存储器选择模块主要根据场同步信号用于DPRAM的选择及切换。

由于平台阈值设计为可配置输入，可根据实际图像灵活配置输入，将输入图像调节至相对最佳，基本的直方图均衡目标背景对比度过大，实验仿真结果请参阅图4a至4h所示，其中图4a、4c、4e、4g为平台直方图均衡（PE）效果图，图4b、4d、4f、4h为直方图均衡（HE）效果图。

为保证硬件实现直方图均衡算法的实时性，本发明的电路利用红外图像前后帧的相似性，即当前帧的直方图分布情况参考上一帧，均衡处理参考上上帧的累加函数，以达到实时处理的目的，步骤如下：

（1）直方图统计：源图像为384×288红外图像，当一个像素的灰度数据（16位）输入后，针对系统的存储器资源，进行降阶归类（0～8191），对应该灰度值的地址的内容被读出，若小于输入的平台值，则在原有数据的基础上加1，若累加到和平台值相等，则不再进行加法运算。并存储在一个17位的寄存器3中，两个16位的寄存器用于存储两个相邻像素的灰度值，判决器用于判断这两个灰度值是否相等，若相等累加1，若不等，则将寄存器3中的数据写入DPRAM，并从新地址读取新的内容。一帧红外图像的统计完成以后，DPRAM中的数据即为红外图像的直方图统计结果。FPGA接收到读完直方图统计值的信号后，将DPRAM存储单元清零，等待下一场数据的到来。

（2）直方图累加及四个DPRAM的切换操作：考虑硬件资源分配，本设计采用4块DPRAM（8192×17）流水方式，M1和M3用于统计直方图信息，M1只统计奇数场的直方图信息，M3只统计偶数场的直方图信息，M2和M4用于对M1和M3存储的直方图信息进行累加操作，M2只在偶数场累加M1内的数据，M4只在偶数场累加M3内的数据，累加完必须对M1和M3的所有地址写零操作（即在下一场到来之前对统计DPRAM进行清零操作）。

有效灰度上下限的界定主要在累加模块完成，根据统计完一场图像的DPRAM的数据（即直方图）是否为零（或寄存器输入）查找出有效灰度边界，相应的地址即为有效灰度上下限。

（3）直方图均衡：根据地址查找表到累加DPRAM里查找相应地址的数据，用以作为除法器的分子，整幅画面的总像素点作为分母，除法器的商输出即为输出灰度（适当调节增益和偏移量）。

采用了上述的实现红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路及方法，由于其中基于FPGA的红外图像增强上，将直方图均衡算法中的原图像奇偶场拆分为并行执行的流水线方式，且将平台阈值输入设定为可配，将其加入直方图统计模块作为统计的上限，从而不需外接帧缓存（片外SDRAM），仅需FPGA内部存储器资源即可，而且可根据实际图像灵活配置输入，将输入图像调节至相对最佳，避免基本的直方图均衡目标背景对比度过大的问题，使得能够有效解决输出红外图像对比度过大及均衡算法实时处理的问题，节约了系统资源，图像处理效果好，结构简单实用，处理过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (13)

1.一种实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路，其特征在于，所述的电路包括：

直方图统计模块，对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，并得到相应的直方图信息；

映射函数累加模块，与所述的直方图统计模块相连接，对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，并输出原图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值；

直方图均衡化处理模块，与所述的映射函数累加模块相连接，根据所述的直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作；

存储器选择模块，分别与所述的直方图统计模块和直方图均衡化处理模块相连接，根据场同步信号进行存储器的选择及切换操作。

2.根据权利要求1所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路，其特征在于，所述的直方图统计模块中包括存储器、加法器、地址寄存器和控制器，所述的存储器、加法器和地址寄存器分别与所述的控制器相连接，所述的存储器与所述的存储器选择模块相连接。

3.根据权利要求1所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路，其特征在于，所述的直方图均衡化处理模块中包括除法器和信号延时单元，所述的映射函数累加模块通过所述的除法器与所述的信号延时单元相连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理功能的电路，其特征在于，所述的存储器为双端口随机存储器。

5.一种基于权利要求1所述的电路实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）所述的直方图统计模块对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，并得到相应的直方图信息；

（2）所述的映射函数累加模块对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，并输出该红外图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值；

（3）所述的直方图均衡化处理模块根据所述的直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作，并得到处理后的红外图像。

6.根据权利要求5所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的对需要进行处理的红外图像中处于各个灰度级的像素点的数量进行统计，包括以下步骤：

（11）获取红外图像中的像素的灰度数据；

（12）根据存储器的资源状况进行降阶归类；

（13）读取存储器中对应于该灰度数据的地址中存储的计数值；

（14）如果该计数值小于系统预设的平台阈值，则将该计数值增加1，并将该计数值进行更新存储；

（15）如果该计数值等于系统预设的平台阈值，则不进行任何操作；

（16）重复上述步骤（11）～（15），直到红外图像中所有的像素均统计完毕。

7.根据权利要求6所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的灰度数据为16位灰度数据。

8.根据权利要求5所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的映射函数累加模块中包括第一存储器、第二存储器、第三存储器和第四存储器，所述的映射函数累加模块对所述的直方图信息进行累加操作得到直方图分布信息，包括以下步骤：

（21）使用第一存储器和第三存储器进行直方图信息的统计操作；

（22）使用第二存储器和第四存储器进行直方图信息的累加操作；

（23）将第一存储器和第三存储器中的所有地址进行写零操作。

9.根据权利要求8所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的使用第一存储器和第三存储器进行直方图信息的统计操作，包括以下步骤：

（211）使用所述的第一存储器统计红外图像的奇数场的直方图信息；

（212）使用所述的第三存储器统计红外图像的偶数场的直方图信息。

10.根据权利要求9所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的使用第二存储器和第四存储器进行直方图信息的累加操作，包括以下步骤：

（221）使用所述的第二存储器在红外图像的奇数场对于所述的第一存储器内的直方图信息进行累加；

（222）使用所述的第四存储器在红外图像的偶数场对于所述的第三存储器内的直方图信息进行累加。

11.根据权利要求5所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的输出红外图像的上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值，包括以下步骤：

（24）根据统计出的直方图分布信息是否为零寻找到有效灰度的边界；

（25）将该有效灰度的边界的地址分别作为上限有效灰度阈值和下限有效灰度阈值。

12.根据权利要求8所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的根据直方图分布信息进行直方图均衡化处理操作，包括以下步骤：

（31）查找所述的映射函数累加模块中的进行累加操作的第二存储器和第四存储器中相应的累加数据；

（32）将根据以下公式计算输出灰度值：

输出灰度值＝累加数据÷红外图像的总像素点数。

13.根据权利要求12所述的实现对红外图像进行平台直方图均衡处理的方法，其特征在于，所述的步骤（32）之后，还包括以下步骤：

（33）对输出灰度值进行增益调节和偏移量设置，作为最终的输出灰度值。