基于FPGA的红外图像采集与分层增强处理技术研究

摘要

红外技术被广泛应用于军事、消防、医学、监控等多个领域，随着嵌入式技术和非制冷焦平面探测器件的发展，研究和设计更加智能化、小型化、低功耗的红外图像采集系统是红外技术的发展趋势。由于红外图像存在高位宽、低对比度、边缘模糊等问题，原始图像不适合人眼观察和后期处理，必须研究针对红外图像数据特点的算法对其进行增强处理。
　　根据红外图像成像原理，查阅相关嵌入式红外图像采集系统和红外图像处理的相关论文资料，设计了基于 FPGA嵌入式硬件平台的红外图像采集系统。根据焦平面探测器技术指标，设计了其电压偏置电路、时序驱动、模数转换电路，将红外辐射转化为方便处理的并行数字信号。设计了FPGA驱动电路、随机存储电路和FLASH电路，对焦平面探测器输出的红外图像信号进行采集和处理。整个硬件系统体积小、功耗低，成功采集到红外图像原始数据。
　　采集系统输出的红外图像为14位宽大动态范围图像，有效信息一般集中在很窄的灰度级范围。本文结合嵌入式系统平台实时性、低功耗的要求，分析了现有算法的局限性，对于基于双边滤波器的分层算法容易出现梯度反转和计算复杂度高的问题进行改进，提出基于引导滤波器的分层处理算法。针对引导滤波器分层产生的光晕现象，提出使用LoG算子进行约束的自适应引导滤波器进行分层处理，成功消除光晕现象。使用平台直方图对基层图像进行对比度增强和动态范围压缩，并利用拉普拉斯算子的锐化特性进行图像边缘补偿。使用伽马变换对细节层图像进行增强并且抑制噪声，最后将基层图像和细节层图像线性加权融合输出。
　　本文设计实现了红外图像采集系统的硬件平台，针对红外图像对比度低，动态范围大的特点，结合工程实用性，设计了基于自适应引导滤波器的红外图像增强算法，结果表明本文算法可以有效提高红外图像对比度，增强图像细节信息，并且易于工程实现。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 嵌入式系统平台的红外图像采集技术发展动态

1.3 红外图像增强算法研究现状

1.4 本文的研究内容

第2章 红外图像采集系统设计

2.1系统功能要求及技术指标

2.2 红外探测器单元设计

2.3 FPGA控制单元设计

2.4 硬件平台调试与红外图像采集

2.5 本章小结

第3章 基于分层处理的红外图像增强算法

3.1 红外图像特点及算法选取标准

3.2 空间域图像细节增强算法

3.3 图像分层算法模型

3.4 本章小结

第4章 基于自适应引导滤波器的图像分层处理

4.1 分层滤波器对比分析与改进

4.2 基层图像的动态范围压缩与边缘补偿

4.3 细节层图像增强与基层融合

4.4 实验结果及分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢