CN104361555A - 一种基于fpga的红外图像缩放方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的红外图像缩放方法，属于图像重构技术领域。本发明首先通过图像空间变换将目标像素点反向变换映射回原始图像，并将其关系转化为mif文件建立图像坐标变换查找表和距离关系查找表，然后利用插值点在原始图像中周围四个点的像素值以及与这四个相邻像素点的距离关系对图像信号进行二维线性插值变换，在插值变换过程中，利用所建立的查找表读出所需的图像数据和系数数据以供插值运算。本发明通过FPGA建立的查找表快速实现了图像的非整数倍放大，保证红外图像处理实时性的同时，使图像系统具有良好的可视化效果并有助于细节观察。

Description

一种基于FPGA的红外图像缩放方法
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的红外图像缩放方法，属于图像重构技术领域。
背景技术
由于红外图像系统后端显示需求不同，需要进行非整数倍的缩放，而目前的缩放方法大都采用各种算法进行运算实现，而这种方式导致整个缩放过程缓慢，效率低，无法保证对红外图像处理的实时性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的红外图像缩放方法，以解决现有缩放方法大都采用算法运算实现导致过程缓慢以及效率低的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种基于FPGA的红外图像缩放方法，该图像缩放方法包括以下步骤：
1)将目标像素点反向变换映射回源图像，利用上述映射关系将源图像像素与目标图像像素之间转为X、Y方向上的一维坐标对应关系，即得到坐标变换后的位置关系；
2)根据转换后X、Y方向上的一维对应关系在FPGA上建立图像坐标变换查找表ROM_X和ROM_Y及距离关系查找表ROM_U和ROM_V，分别用来存储源图像X方向位置、源图像Y方向位置、目标像素X方向距离系数和目标像素Y方向距离系数；
3)在FPGA中建立双口RAM来存储源图像相邻两行的像素数据，根据前X方向位置查找表ROM_X的值来确定读取哪两行；
4)读取当前X方向位置存储表ROM_X的值确定与目标像素相关的四个源图像像素；
5)读取当前X方向距离关系查找表ROM_U和当前Y方向距离关系查找表ROM_V中对应的距离系数，将读取的四个相关像素和对应距离系数进行插值运算，得到插值数值，该插值数值就是所求的源图像缩放后的目标像素点。
所述目标像素点与源图像变换关系为：
f(i+u，j+v)＝(1-u)(1-v)f(i，j)+(1-u)v f(i，j+1)+u(1-v)f(i+1，j)+uv f(i+1，j+1)
其中f(i+u，j+v)为目标像素点像素值，f(i，j)、f(i，j+1)、f(i+1，j)和f(i+1，j+1)为四个相邻像素点的像素值，u，v为[0,1]之间的浮点数。
所述插值运算是通过调用乘加IP核进行多级流水运算实现的。
所述步骤3)FPGA建立的双口RAM为两块，一块写入从帧存中读出的两行原始图像数据，另一块以目标图像像素时钟的四倍频同时读出四个数据以供插值计算。
所述X方向查找表的深度为P，Y方向查找表的深度为Q，存储的数据范围则分别为[0,M-1],[0,N-1]，M×N为原始图像的像素；P×Q为目标图像的像素。
所述在FPGA逻辑实现中，查找表的数据采用有一定精度的数来代表相对大小。
所述浮点计算是通过左移位实现。
本发明的有益效果是:本发明首先通过图像空间变换将目标像素点反向变换映射回原始图像，并将其关系转化为mif文件建立图像坐标变换查找表和距离关系，然后利用插值点在原始图像中周围四个点的像素值以及与这四个相邻像素点的距离关系对图像信号进行二维线性插值变换，在插值变换过程中，利用所建立的查找表读出所需的图像数据和系数数据以供插值运算。本发明通过FPGA建立的查找表快速实现了图像的非整数倍放大，保证红外图像处理实时性的同时，使图像系统具有良好的可视化效果并有助于细节观察。
附图说明
图1是本发明基于FPGA的红外图像缩放方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
下面以一帧具有640×512个像素的图像非整数倍变换至1024×768像素大小的新图像进行显示为例来说明该缩放方法的具体实施步骤。该方法主要包括图像的空间变换过程和图像灰度插值过程，如图1所示，包括用于时间图像空间变换的模块1和用于实现图像灰度插值的模块2，这两个模块都是由FPGA实现，其中模块1包括ROM_X、ROM_Y、ROM_U和ROM_V，分别用来存储源图像X方向位置、源图像Y方向位置、目标像素X方向距离系数和目标像素Y方向距离系数。模块2包括双口RAM 1和双口RAM2，双口RAM 1写入从帧存中读出的两行原始图像数据，双口RAM2以目标图像像素时钟的四倍频同时读出四个数据以供插值计算。该方法具体包括以下步骤：
1.确定源图像像素与目标图像像素之间的二维矩阵对应关系，根据上述关系将源图像像素与目标图像像素之间转为X、Y方向上的一维对应关系，该过程可通过MATLAB计算实现。
目标像素点与原始图像变换关系为：
f(i+u，j+v)＝(1-u)(1-v)f(i，j)+(1-u)v f(i，j+1)+u(1-v)f(i+1，j)+uv f(i+1，j+1)
其中f(i+u，j+v)为目标像素点像素值，f(i，j)、f(i，j+1)、f(i+1，j)和f(i+1，j+1)为四个相邻像素点的像素值，u，v为[0,1]之间的浮点数。
2.将得到原始图像像素与目标图像像素在X、Y方向上的一维对应关系分别转化为深度为1024和768的mif文件，两文件存储的数据范围分别为[0,639]和[0,511]。
3.在FPGA上产生深度分别为1024和768的只读存储器ROM_X和ROM_Y，ROM_X和ROM_Y分别用来存储行像素的地址和列像素的地址，至此完成图像坐标变换的查找表建立，同理产生距离关系查找表ROM_U和ROM_V。图像坐标变换查找表ROM_X和ROM_Y分别用来存储源图像X方向位置和源图像Y方向位置，距离关系查找表ROM_U和ROM_V分别用来存储目标像素X方向距离系数和目标像素Y方向距离系数。
4.建立一个深度为1280的双口RAM来存储相邻两行的像素以供插值运算，根据读取当前X方向位置存储表ROM_X的值来确定读取哪两行，同时获取相关的四个像素值(分别在相邻两行)及其对应的相关系数。
5.建立两块RAM进行乒乓操作保证数据的无缝衔接，一块写入从帧存中读出两行原始图像数据，另一块以目标图像像素时钟的四倍频同时读出四个数据以供插值计算，产生读取四个相关像素的地址由当前X方向位置存储表ROM_X的值来确定。
6.数据流水读出后，同时读取相应的距离系数，调用乘加IP核进行多级流水运算。由于距离系数是[0,1]之间的浮点数，在FPGA逻辑实现中，查找表的数据采用一定精度的数来代表相对大小，最后再通过左移位实现浮点计算即得出插值数值。
目标像素点，通过坐标反向变换将其映射到原始图像中，其对应浮点坐标为(i+u，j+v)，其中i，j均为非负整数，u，v为[0,1]之间的浮点数，则目标像素的像素值可由原图像中坐标分别为(i，j),(i+1，j),(i，j+1),(i+1，j+1)四个相邻像素值决定，即：
f(i+u，j+v)＝(1-u)(1-v)f(i，j)+(1-u)v f(i，j+1)+u(1-v)f(i+1，j)+uv f(i+1，j+1)
通过上述过程，本发明能够快速的将具有640×512个像素的图像非整数倍变换至1024×768像素大小的新图像进行显示，通过FPGA建立的查找表快速实现了图像的非整数倍放大，保证红外图像处理实时性的同时，使图像系统具有良好的可视化效果并有助于细节观察。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的红外图像缩放方法，其特征在于，该图像缩放方法包括以下步骤：
1)将目标像素点反向变换映射回源图像，利用上述映射关系将源图像像素与目标图像像素之间转为X、Y方向上的一维坐标对应关系，即得到坐标变换后的位置关系；
2)根据转换后X、Y方向上的一维对应关系在FPGA上建立图像坐标变换查找表ROM_X和ROM_Y及距离关系查找表ROM_U和ROM_V，分别用来存储源图像X方向位置、源图像Y方向位置、目标像素X方向距离系数和目标像素Y方向距离系数；
3)在FPGA中建立双口RAM来存储源图像相邻两行的像素数据，根据前X方向位置查找表ROM_X的值来确定读取哪两行；
4)读取当前X方向位置存储表ROM_X的值确定与目标像素相关的四个源图像像素；
5)读取当前X方向距离关系查找表ROM_U和当前Y方向距离关系查找表ROM_V中对应的距离系数，将读取的四个相关像素和对应距离系数进行插值运算，得到插值数值，该插值数值就是所求的源图像缩放后的目标像素点。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的红外图像缩放方法，其特征在于，所述目标像素点与源图像变换关系为：
f(i+u，j+v)＝(1-u)(1-v)f(i，j)+(1-u)v f(i，j+1)+u(1-v)f(i+1，j)+uv f(i+1，j+1)
其中f(i+u，j+v)为目标像素点像素值，f(i，j)、f(i，j+1)、f(i+1，j)和f(i+1，j+1)为四个相邻像素点的像素值，u，v为[0,1]之间的浮点数。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的红外图像缩放方法，其特征在于，所述插值运算是通过调用乘加IP核进行多级流水运算实现的。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的红外图像缩放方法，其特征在于，所述步骤3)FPGA建立的双口RAM为两块，一块写入从帧存中读出的两行原始图像数据，另一块以目标图像像素时钟的四倍频同时读出四个数据以供插值计算。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA的红外图像缩放方法，其特征在于，所述X方向查找表的深度为P，Y方向查找表的深度为Q，存储的数据范围则分别为[0,M-1],[0,N-1]，M×N为原始图像的像素；P×Q为目标图像的像素。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的红外图像缩放方法，其特征在于，所述在FPGA逻辑实现中，查找表的数据采用有一定精度的数来代表相对大小。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的红外图像缩放方法，其特征在于，所述浮点计算是通过左移位实现。
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