红外图像处理算法研究及其FPGA实现(3)

非制冷红外探测器的研究居世界领先水平的国家主要有美国、法国、英国

和日本【５】。世界上第一个非制冷红外热成像系统就是由美国的ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ研制成功的，１９８３年美国Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术。１９９０＂－＂１９９４年，美国很多公司从ＨｏｎｅｙＷｅｌｌ公司得到技术转让，使以氧化钒为探测材料的非制冷探测器得到了快速、广泛的发展。英国从事非制冷红外探测器研究的公司主要是ＢＡＥ公司，发展成熟的探测器为ＰＳＴ和ＰＺＴ混合结构的热释电陶瓷探测器，ＰＳＴ与ＰＺＴ单片式结构探测器正处在研制中。日本从事非制冷红外探测器研制的公司主要有三菱公司和日本电气公司。

日本电气公司主要从事以氧化钒为材料的电阻型探测器的研究，其第一个原理型探测器的ＮＥＴＤ为１５０ｍＫ（２５６ｘ２５６，５０ｐｒｏ像素尺寸）。最新报道的３２０ｘ２４０焦平面阵列像素尺寸为３７Ｉ＿ｔｍ，热响应时间为１２ｍｓ，填充因子为７２％。装备热成像系统后的ＮＥＴＤ为１００ｍＫ（ｆ／１，６０Ｈｚ）。据国际光学学会（ＳＰＩＥ）预测，

目前红外热成像产品的世界市场规模每年合计４０亿美元，美国产品占５０％以上。

由此看出，在红外热成像技术上，美国处于世界领先地位。

我国在非制冷焦平面阵列技术上起步较晚，在红外热成像方面的研究主要

集中在部分高等院校和研究院所１６Ｊ。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究。而经营非制冷红外热像仪的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发软件的业务上，最核心的机芯部分都是从国外进口。从八十年代中期开始进行红外图像的实时处理技术的研究工作，红外图像由于其自身的特点，处理的方式与处理可见光图像的方式不完全相同，其基本的处理内容为图像畸变的校正、函数变换、直流恢复、非均匀性校正、对比度与亮度调节、查询处理以及图像平滑、图像增强（线间积累、帧间积累、中值滤波、直方图处理、像素倍增）等处理功能【７】。红外图像处理功能对处理速度要求比较高，新型高性能的处理实现比较困难。

近年来，随着微电子技术的发展以及大规模可编程器件的出现，采用ＡＳＣＩ

结构的信号处理系统显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，ＡＳＣＩ芯片具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时，可降低成本。

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１．３ＦＰＧＡ用于图像处理的优势

实时图像处理系统必须具有快速处理巨大数据量的能力，以一幅分辨率为

３２０ｘ２４０的１６位灰度图像为例，其帧蚓像包含的数据量为１５３６Ｋ个字节，ｌ矧此要想保证系统处理的实时性，系统的快速处理能力和大数据量的吞吐能力是其先决条什。其次，对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求，因为最终相当部分的热成像系统耍鹿用于≈ｊ事，较小的体积、较低的功耗和良好的稳定性是其摹本要求。

近年来，随着大规模可编程逻辑器件的发腱和嵌入式技术的不断进步，采

用ＡＳＩＣ结构的信号处理系统｛ｉ矗不出ｒ其巨人的优越性，正在迓步得到重视。与通用囊成电路芯Ｊ｝相比，ＡＳＩＣ芯片具有性能好、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个力而的优势，而日在大批量席用叫，可降低成本。现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）足存专川ＡＳＩＣ的幕础上发展出来的，它克服了ＡＳＩＣ不够灵活，开发周期长的缺点，与其他中小规模集成电路相比，其优点主要往于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护非常方便。甘前ＦＰＧＡ的容量已经跨过了百万ｆｊ级，使其成为解决系统级设讣的重要选择方案之～。

目前在图像处理方面主要采用ＤＳＰ或者ＦＰＧＡ实现，对于普通的ＤＳＰ，里

而包括一个高性能的单元可以运行到几个ＧＨｚ的速度，但是它仅仅是一个单元，当进行比较复杂的运算时可能循环几百次爿能完成，闪此它的速度并不很快【８ｌ。

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图１—１同种运算ＦＰＧＡ和ＤＳＰ对比图雾习

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图１—１所示为ＦＰＧＡ和ＤＳＰ进行同一个复杂运算时的对比。ＦＰＧＡ是并行

处理结构，可同时进行不同性质的运算，例如ＸｉｌｉｎｘＶｉｒｔｅｘ－５ＳＸＴ是５５０ＭＨｚ，但可以在一个单兀之内迅速把这个复杂的运算次完成，而ＤＳＰ虽然是基丁流水线的形式，但实际上指令的执行和存取还是串行的，尤其是在进行多种不同性质的运算的时流水线的优势几乎发挥不出来，所以ＦＰＧＡ的性能实际上是远远高于传统的ＤＳＰ。ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的性能对比如图１—２所示。

一§Ⅱ…图１－２ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的性能对比

１．４论文主要工作及内容安排

本文首先讨论了红外图像的产生机理，分析了红外图像的特点，在此基础

上研究了红外蹦像处理技术，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，设计和完成了基于ＦＰＧＡ的红外热图像实时处理系统，取得了良好的效果。围绕课题设计本论文主要做了如下的研究工作：

（１）研究红外图像的成像机理，总结红外图像的特点：

（２）研究红外图像的非均匀性校正的算法；

（３）研究红外图像滤波等去除噪声的算法；

（４）研究常用的红外图像的灰度变换算法；

（５）研究红外图像的伪彩色变换的算法；

（６）研究以上算法在ＦＰＧＡ中的实现：

（７）研究硬件平台的搭建，高速电路的布局布线。

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第２章红外图像处理算法研究及改进

２．１红外图像的产生机理及特点

所有不处于绝对零度的物体，均会发出不同波长的电磁辐射，物体的温度

越高，分子或原子的热运动越剧烈，红外辐射越强，且辐射的频谱分布和波长与物体的性质和温度有关。在大气中存在若干个弱吸收的光谱区，被称之为大气窗口。根据自然界热源辐射热量的不同，红外大气窗口一般分为三类：红外长波窗口、红外中波窗口和红外短波窗口。对于红外波段来说，由于大部分热源（包括自然界的和人造的）自身温度并不高，因此，８ｐ，ｍ＂－＂１４９ｒｎ（红外长波）与３１ｘｒｎ＂５１ａｍ（红外中波）两个波段成为红外热成像所常用的两个主要窗１３［９１。热成像仪可以利用光学器件将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测仪上，然后来自于每个探测仪组件的红外数据将被转换成标准的视频格式，在视频监视器上显示出来，即可得到红外图像。其产生过程如图２．１所示。

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