基于fpga的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于紅外成像技術領域,更具體地,涉及一種基于FPGA實現的利用中值紅 外均衡算法進行紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統和方法。
【背景技術】
[0002] 現今使用的紅外成像系統多是基于紅外焦平面陣列(IRFPA)器件,但由于制造工 藝水平與材料的問題,紅外焦平面陣列器件存在信噪比低的問題,這一方面是由于探測單 元響應不一致所引起的固定圖案噪聲,另一方面是由于讀出電路的非均勻性與偏置電壓噪 聲所引起的條帶狀非均勻性,這種非均勻性嚴重影響了紅外圖像的質量,限制了紅外焦平 面陣列器件的應用。
[0003] 傳統的非均勻性校正的方法雖然在去除紅外圖像非均勻性上有優異的表現,但是 條帶狀非均勻性既有結構性,又有隨機性。現有的基于定標的方法(例如:單點定標、兩點 定標)利用對黑體的觀測進行圖像校正,只適用于參數時域固定的情況。而傳統基于場景 的方法(例如:恒定統計法、神經網絡法、時域高通濾波法、Kalman濾波法)一般需要對時 域上連續的若干幀進行運算,其收斂速度較慢,無法適應參數時域上的變化。因此需要研宄 專門針對條帶狀非均勻性進行校正的算法。目前此類算法主要停留在軟件實現層面,處理 時間長,無法滿足圖像實時性處理要求。已有的采用硬件實現的實時紅外焦平面條帶狀非 均勻性校正系統采用的算法過于簡單,處理效果較差。因此需要設計一種處理效果好的實 時性紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統。
[0004] 中值紅外均衡(MIRE)算法由Y. Tendero等人在2010年提出,對條帶狀非 均勻性有較好的校正效果,并且沒有迭代運算,復雜度較低。其基本過程如下:第 一,計算每一列圖像&的直方圖Iy第二,計算每一列圖像的累計直方圖Hy第三, 計算每一列圖像累計直方圖的逆直方圖//y;第四,計算其中值累計直方圖&,使
【主權項】
1. 一種基于FPGA的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統,其特征在于,包括圖像 緩存模塊、參數計算模塊、非均勻性校正模塊以及數據輸出模塊,其中: 所述圖像緩存模塊,用于緩存外部輸入的紅外圖像,當緩存完一幀圖像之后將所述圖 像按列向所述非均勻性校正模塊輸出數據; 所述參數計算模塊,用于接收并解析輸入的外部指令得到校正參數,并根據所述校正 參數換算得到加權系數后傳遞給所述非均勻性校正模塊; 所述非均勻性校正模塊,包括: 輸入控制與數據分發模塊,用于控制所述圖像緩存模塊每次輸出一列圖像到直方圖統 計模塊,同時計數已經輸出的列數,當計算某一列圖像規范化像素所需要的全部數據都已 獲得后,控制所述圖像緩存模塊輸出二次緩存后的該列圖像數據到累計直方圖處理模塊; 所述直方圖統計模塊,用于對所述輸入控制與數據分發模塊輸出的圖像列數據進行直 方圖統計,同時將上一列圖像的直方圖信息傳遞給所述累計直方圖處理模塊; 所述累計直方圖處理模塊,用于根據每一列圖像的直方圖信息計算該列圖像的累計直 方圖并進行緩存,同時產生計算累計直方圖的逆直方圖所需使用的標記值并傳遞給標記值 轉發模塊,并且根據所述輸入控制與數據分發模塊傳遞的圖像數據索引對應列的索引值傳 遞給索引值轉發模塊; 所述標記值轉發模塊,用于將所述標記值進行緩存并轉發給逆直方圖計算模塊組; 所述索引值轉發模塊,用于將所述索引值轉發給所述逆直方圖計算模塊組; 所述逆直方圖計算模塊組,包含多個逆直方圖計算模塊,用于通過所述標記值完成逆 直方圖的計算并更新模塊內部DPRAM,然后根據所述索引值對所述模塊內部DPRAM進行索 弓丨,并將對應數據轉發給規范化計算模塊; 并行控制模塊,用于控制所述逆直方圖計算模塊組中的每個逆直方圖計算模塊完成所 述逆直方圖的計算、更新和對應數據轉發;以及 所述規范化計算模塊,用于通過所述參數計算模塊更新加權系數,并將所述逆直方圖 計算模塊組的輸出結果與對應加權系數相乘,所乘結果相加后得到圖像校正結果,并將所 述圖像校正結果傳遞給所述數據輸出模塊;以及 所述數據輸出模塊,用于緩存并輸出校正后的圖像。
2. 如權利要求1所述的基于FPGA的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統,其特征 在于,所述圖像緩存模塊利用外部圖像緩存DPRAM緩存所述外部輸入的紅外圖像,并將所 述外部DPRAM的存儲區域劃分為兩個部分,采用乒乓方式進行操作。
3. 如權利要求1或2所述的基于FPGA的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統,其 特征在于,所述加權系數事先計算并存入片上ROM中,所述參數計算模塊根據所述校正參 數換算得到對應地址,并根據所述對應地址從所述片上ROM中得到對應的加權系數傳遞給 所述規范化計算模塊。
4. 如權利要求1所述的基于FPGA的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統,其特征 在于,所述逆直方圖計算模塊組內每一逆直方圖計算模塊均有刷新與輸出兩種狀態,由所 述并行控制模塊控制進行切換,處于所述刷新狀態時,先讀出一個標記值將其中的灰度值 填入存儲器中其高度值對應地址中,再將兩個地址之間空白部分用所述灰度值進行填充; 處于所述輸出狀態時,根據所述索引值對所述模塊內部DPRAM進行索引,將對應數據轉發 給所述規范化計算模塊。
5. 如權利要求4所述的基于FPGA的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統,其特征 在于,所述并行控制模塊向所述逆直方圖計算模塊組發出刷新起始信號,控制所述逆直方 圖計算模塊組中的各個逆直方圖計算模塊在需要刷新時切換到所述刷新狀態,并在刷新結 束時切換到所述輸出狀態。
6. -種基于FPGA的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正方法,其特征在于,包括: 步驟1計算加權系數
0表示標準 差;k表示加權系數的序號,取值為1,2,…,2N+1,2N+1為計算窗口大小; 步驟2緩存原始輸入的紅外圖像; 步驟3對所述原始輸入的紅外圖像邊緣進行鏡像拓展,調整輸出列與輸出圖像地址的 映射關系,設所述原始輸入的紅外圖像緩存空間起始地址為0,圖像列數為L,計算窗口大 小為2x+l,則輸出第n列圖像時的首地址m為:
每輸出當前列的下一個像素時,地址偏移一列像素的地址空間; 步驟4對當前列圖像&進行直方圖統計,得到直方圖Ij; 步驟5計算當前圖像列&的累計直方圖Hj; 步驟6計算當前圖像列&累計直方圖的逆直方圖f// ; 步驟7當某一列圖像校正計算窗口中所有列的逆直方圖都已計算完畢后,將二次緩存 的該列圖像像素Xu輸入,在緩存的累計直方圖對應列區域中以此像素灰度值為地址查找 累計直方圖得到索引值&(^ ; 步驟8以所述索引值&(Xu)作為地址索引得到目標列圖像像素Xu分別規范化到對 應列的直方圖后的像素值
步驟9將每一列圖像規范化到相鄰列直方圖后的像素值足乘以對應的加權系數 步。(k),所乘結果相加后得到圖像校正結果
步驟10重復所述步驟4至9,直到完成所述原始輸入的紅外圖像全部列的處理; 步驟11將校正后的圖像數據緩存并輸出。
7. 如權利要求6所述的方法,其特征在于,在所述步驟1中,依照成像器的幅面與特性 確定最大計算窗口大小2P+1與最小計算窗口大小2Q+1,對于大小為2N+1的每一個窗口, 其中,QSN彡P,定義不均勻性系數
,取A分別為0. 5、0.4、 0? 3、0. 2與0? 1時的00作為加權系數,其中kG[1,2N+1]。
8. 如權利要求6所述的方法,其特征在于,在所述步驟5中,需要在計算當前圖像列C」 的累計直方圖的同時生成用于計算逆直方圖的信息,包括以下子步驟: (5-1)讀取直方圖對應灰度值的高度值,初始狀態時灰度值為0 ; (5-2)對于每一個灰度值得到的高度值,將該高度值與累計高度值相加得到新的累計 高度值,并將新的累計高度值寫入當前灰度值對應的地址更新累計直方圖; (5-3)如果該高度值為0,則執行步驟(5-5),否則將新的累計高度值與當前灰度值作 為標記值; (5-4)如果當前高度值為1,則標記值的填充標志位填0,否則填1 ; (5-5)如果達到最大灰度值,則結束,否則灰度值加1,然后執行所述步驟到(5-1)。
9. 如權利要求8所述的方法,其特征在于,所述步驟6包括以下子步驟: (6-1)當有新的標記值時,讀出所述新的標記值,并將灰度值部分數據內容填入累計高 度值對應的地址中; (6-2)如果填充標志位為0,則執行步驟(6-3),否則將當前累計高度值與前一次收到 的累計高度值之間對應的地址區域全部填入當前灰度值; (6-3)如果已到達最大高度值則結束,否則繼續執行步驟(6-1)。
10. 如權利要求6-9中任一項所述的方法,其特征在于,在所述步驟9中,在窗口大小為 2XN+1的情況下,一共有2XN+4個逆直方圖統計數據輸出,其中同一時刻只有2XN+1個輸 入為有效輸入,其余3個無效輸入對應的加權系數為零,采用加權系數寄存器循環賦值的 方式實現計算窗口的滑動。
【專利摘要】本發明公開了一種基于FPGA的紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性校正系統和方法,屬于紅外成像技術領域。本發明以中值紅外均衡算法(MIRE)為核心,針對算法以及FPGA的特性進行了優化,包括圖像緩存模塊、參數計算模塊、非均勻性校正模塊與數據輸出模塊。參數計算模塊根據上位機指令得到加權系數,原始圖像經過緩存后,按列方向順序輸入非均勻性校正模塊得到每一列圖像的直方圖、累計直方圖與逆直方圖,然后通過對累計直方圖和逆直方圖進行索引將每一列原始圖像分別規范化到相鄰列的直方圖上,最后將各個規范化后的像素值進行加權得到最終的校正結果并輸出。本發明可有效校正紅外焦平面陣列條帶狀非均勻性,且由于全部使用FPGA實現,速度快,可以實時完成校正。
【IPC分類】G01J5-00, G06T5-40
【公開號】CN104776919
【申請號】CN201510181531
【發明人】王岳環, 張磊, 宋瓊, 張天序
【申請人】華中科技大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月17日