基于FPGA的红外图像预处理系统的研究与设计

摘要

随着红外探测技术和超大规模专用集成电路的发展，实时红外成像系统得到了越来越广泛的应用。如何针对红外图像的特性对红外图像进行实时处理，得到能真实反映探测场景、适合观察分析的红外图像是目前红外成像技术的研究热点。针对红外图像在被采集后立即进行预处理，简化后级数字信号处理单元的繁重任务，在红外成像技术中具有重要意义。本论文主要工作如下： (1)对红外成像的原理、红外图像的形成过程、红外图像的特征以及红外图像与可见光图像的区别进行了阐述。 (2)简要介绍了频域中图像的增强算法，以及图像的灰度变换原理。 (3)通过对时域中各种算法的分析对比，以及时域处理与频域处理的对比，选择数种适合红外图像预处理的算法进行硬件实现，然后再根据硬件实现的难易程度和算法对硬件资源的占用率，以及最终对图像的处理效果，选择一种最佳的平滑和锐化方法。 (4)针对FPGA的特点，采用了模块化结构设计，方便构成并行运算，充分体现了实时处理的要求。 (5)分析了红外图像灰度变换的硬件构成，实现了对红外图像的直方图统计。 (6)阐述了I2C总线标准，使用I2C总线对SAA7115视频图像处理芯片的控制，对模拟的红外图像采集、量化成数字图像信号；由于采用SDRAM进行数据的存储，所以针对数据的存储及读取方式设计了SDRAM存储器的控制器，将量化后的数据存储到SDRAM存储器。 (7)详细阐述了图像频域处理的硬件实现方法，并特别说明了DFT的FPGA硬件构成方法及这种方法与DSP处理器构成方法的区别。然后针对整个系统的时序构成及时序要求，采用了PLL核构成了系统的时序部分，并对系统进行了优化，以提高运行速度及减少资源占用率。

目录

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第1章绪论

1.1红外成像的发展和分类

1.2红外成像的原理及图像特性

1.3红外成像系统的应用与研究现状

1.4论文主要工作

第2章红外图像的预处理及硬件构成

2.1可编程逻辑器件及其设计语言

2.2图像的平滑处理

2.2.1平滑处理方法的分类

2.2.2平滑算法对比分析

2.3图像平滑的硬件构成

2.3.1模板卷积

2.3.2改进型中值滤波

2.3.3仿真结果分析

2.4图像的锐化处理

2.4.1锐化处理方法的分类

2.4.2锐化算法对比分析

2.5图像锐化的硬件构成

2.5.1Laplacian增强算子

2.5.2受限型Laplacian算子(高通滤波器)

2.5.3仿真结果分析

2.6并行运算

2.6.1数据转换

2.6.2图像平滑

2.6.3图像锐化

2.6.4并行运算分析

2.7图像的灰度变换

2.7.1线性变换

2.7.2非线性变换

2.7.3灰度直方图变换

2.7.4图像的灰度变换的硬件实现

第3章红外图像的频域处理

3.1频域平滑和锐化

3.2红外图像的频域预处理硬件实现

3.2.1离散傅立叶变换

3.2.2Butterworth滤波器

第4章系统构成

4.1图像的采集及存储

4.1.1图像的采集

4.1.2图像的存储

4.2系统构成

4.2.1系统时序

4.2.2系统优化

第5章结论

参考文献

致谢

在攻读硕士学位期间发表的论文