红外图像处理算法研究及其FPGA实现

做FPGA方面很好的论文

武汉理工大学

硕士学位论文

红外图像处理算法研究及其FPGA实现

姓名：刘恒辉

申请学位级别：硕士

专业：通信与信息系统

指导教师：尹勇

20081101

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武汉理工大学硕士学位论文

摘要

随着焦平面阵列的发展和图像处理技术的不断成熟，红外热成像系统的应

用越来越广泛，针对目前红外图像中噪声较大，对比度较低，视觉效果不好，分辨图像细节能力比较差等缺点，以提高红外图像的质量和增强系统处理的实时性为出发点，结合已有的红外图像实时处理算法，本文设计和完成了基于ＦＰＧＡ的红外热图像实时处理系统，通过处理消除了红外图像的非均匀性，对红外图像进行了增强，取得了良好的效果。主要工作如下：

本文首先阐述了红外图像的产生机理，分析了红外图像的特点，介绍了红

外图像与可见光图像的区别，讨论了红外图像中需要处理和增强的几个方面；由于红外探测器本身的缺陷，图像的产生过程中存在着非均匀性，本文采用了非线性的校正方法，实现了对红外图像的非均匀性校正；接着对红外图像中存在的噪声进行了分析，采用中值滤波的方式去除了红外图像的低频噪声，对图像进行了平滑处理，并对中值滤波的算法进行了相应的优化，减少了计算的复杂度；由于红外探测的数据的灰度值比较集中，而且Ａ／Ｄ采样得到的红外数据是１２位的灰度图像，本文采用直方图均衡的方式对红外图像的灰度进行了变换，增强了红外图像的对比度；红外图像表征的是物体的辐射强度，为了直观的从图像上分辨物体的温度，采用伪彩色变化的方式对灰度图像进行了增强，提高了人眼的分辨力；在完成了软件分析及优化的基础上，分析了ＦＰＧＡ进行图像处理的优势，针对ＦＰＧＡ的特点，采用了模块化结构设计，实现了红外图像的非均匀性校正和图像增强，充分体现了实时处理的要求；最后分析了系统的硬件需求，讨论了核心芯片的选型，系统介绍了各个模块电路的原理，结构，设计要求等，完成了ＦＰＧＡ实时图像处理的硬件系统的设计，并从布局布线方面对高速电路的设计进行了相应的研究。关键词：红外图像；ＦＰＧＡ；图像处理；算法改进

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

ｍａｔｕｒｉｔｙｏｆｔｈｅｏｆｕｎｃｏｏｌｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙ（ＵＦＰＡ）ａｎｄｇｒａｄｕａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｓｙｓｔｅｍｂｅｃｏｍｅｓｗｉｄｅｒ

ｌｏｗ－ｃｏｎｔｒａｓｔ，ｂｌｕｒ，ｂａｄｖｉｓｉｏｎｅｆｆｅｃｔａｎｄｗｉｄｅｒ．Ａｉｍｉｎｇａｔｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｈｉｇｈ—ｎｏｉｓｅ，ａｎｄｐｏｏｒｒｅｓｏｌｖｉｎｇｐｏｗｅｒｉｎｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅａｔ

ａｎｄｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓａｎｄｆｉｎｉｓｈｅｓｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｉｍａｇｅｂａｓｅｄ

ｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｏｎＦＰＧＡｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｉｍａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｔｉｃｓ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ丽ｍ

ｗｉｌｌｅｘｉｓｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ．Ｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｉｓｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｈａｓｂｅｅｎｅｎｈａｎｃｅｄ

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｉｔａｎｄｇｅｔｓｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｅｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｆｏｌｌｏｗｓ：ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｉｍａｇｅａｎｄ

ｔｏｂｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｓｏｍｅａｓｐｅｃｔｓｔｈａｔｎｅｅｄ

ｇｉｖｉｎｇｉｎｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅ，ａｆｔｅｒｏｕｔｔｈｅｃａｕｓｅａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅ．ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｎｏｉｓｅｉｎｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ

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ｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅ

ｏｒｄｅｒｔｏｂｅｅｎａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒｉｎＧｒａｙ—ｓｃａｌｅ

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ｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｓｅｄｏｎｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｇｒａｙＲｅｓｏｌｖｉｎｇｐｏｗｅｒｏｆｈｕｍａｎｅｙｅｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆＦＰＧＡｔｈｅｉｍａｇｅ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｈａｒｄｗａｒｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｈｅａｒｔｏｆＣＭＯＳｔｙｐｅ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍｏｄｕｌａｒｃｉｒｃｕｉｔｓｈａｖｅ

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