基于FPGA的实时图像处理系统设计与算法研究

论文摘要

热探测技术作为一种发现和识别目标的重要手段在军民两用技术中有着广泛的应用,焦平面阵列技术的发展极大地提高了系统的性能,研制价格低、体积小、功耗低、性能好的热成像仪有十分重要的意义。目前由于受到器件性能的限制,必须对焦平面器件固有的非均匀性进行校正,才能使实时图像的质量达到实用标准,经过非均匀校正后的图像仍然存在动态范围小,可分辨细节不明显的缺点。图像增强技术能有效的改善校正后的图像质量,在图像处理中具有广泛的应用前景。本文在讨论成像原理的基础上,搭建了成像系统所需要的软硬件平台,重点研究了图像增强算法。主要内容为:(1)以FPGA为核心,设计了一套小型化的实时热图像处理系统。该系统基于FPGA,包含焦平面的电源偏置、时序驱动、模数转换、温度稳定、非均匀性校正、视频转换等外围电路。系统采用两块SRAM进行乒乓操作协调前端采集系统和显示系统的速率,使整个系统能够高效运行。对于320×240的焦平面阵列,图像显示高达70帧/秒。(2)在图像处理模块中,研究了焦平面阵列的非均匀性以及热图像的特点,在FPGA上实现了实时热图像两点非均匀校正算法、灰度图像线性变换算法以及伪彩色处理算法。在PC上用Matlab仿真了热图像直方图均衡、线性平滑滤波器和非线性平滑滤波器,并且给出了仿真数据,结果显示直方图均衡能有效的提高灰度图像的动态范围、平滑滤波器能有效减弱图像中的高频噪声。此外,本文对传统的伪彩色算法做了改进,采用自适应非线性算法,得到的图像比传统的算法层次更明显,色彩更柔和,目标物体更容易被识别。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题背景及意义
• 1.2 国内外发展情况
• 1.3 本论文研究任务
• 1.4 本论文内容组织
• 第二章 红外热成像技术简介
• 2.1 红外热成像原理
• 2.2 红外热成像系统类型和组成
• 2.3 IRFPA 图像处理概况
• 2.4 本章小结
• 第三章 图像处理系统的设计
• 3.1 探测器介绍
• 3.2 系统组成及功能
• 3.3 核心处理电路的物理实现——XC3S400
• 3.4 系统电路图
• 3.5 数据采集
• 3.5.1 探测器输出信号
• 3.5.2 数据采集电路组成
• 3.5.3 A/D 转换器接口电路设计
• 3.5.4 A/D 控制器
• 3.6 异步FIFO
• 3.6.1 FIFO 实现方案选择
• 3.6.2 FIFO 的原理
• 3.6.3 异步FIFO 的设计
• 3.7 本章小结
• 第四章 焦平面阵列非均匀算法研究
• 4.1 焦平面阵列非均匀算法研究
• 4.1.1 非均匀性产生因素
• 4.1.2 两点非均匀性校正算法
• 4.1.3 多点非均匀校正算法
• 4.2 本章小结
• 第五章 红外图像增强算法研究
• 5.1 红外图像的特点
• 5.2 基于空域灰度变换的红外图像增强方法及其硬件实现
• 5.3 基于直方图修正的图像增强方法研究
• 5.3.1 灰度图像直方图定义以及特点
• 5.3.2 直方图均衡化方法研究
• 5.4 基于空域滤波算法的图像增强方法研究
• 5.4.1 线性平滑滤波器
• 5.4.2 非线性平滑滤波器
• 5.5 伪彩色处理以及硬件实现
• 5.5.1 传统的伪彩色处理算法
• 5.5.2 改进的自适应非线性伪彩色处理算法
• 5.6 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果