一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种非均匀性校正及细节增强级联处理方法，尤其设及一种基于FPGA 的红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，属于红外成像技术领域。 技术背景
[0002] 红外热成像系统广泛应用于军事、工业、农业、医疗等各领域。红外福射经光学系 统进入红外焦平面探测器，探测器输出模拟信号经A\D转换为数字信号进入红外数字图像 处理系统处理，生成视频输出成像。目前红外数字图像处理系统中普遍有盲元补偿、非均 匀性校正和高动态范围压缩=种处理技术，用非均匀性校正技术去除图像中的固定图案噪 声，分为基于场景的自适应校正和基于参考源的定标校正两种，基于场景的自适应校正技 术由于不需要在视场中插入参考源，成为非均匀性校正技术的研究重点，使用高动态压缩 技术将14bit的红外数据压缩至8bit由显示器输出，分为线性压缩、直方图均衡化等，基于 双边滤波的细节增强技术在压缩图像数位的同时保留住场景的细节成为高动态压缩技术 的研究重点。常用现场可编辑口阵列FPGA+数字信号处理器DSP的系统架构形式实现上述 功能，目前常用FPGA实现基于参考源的非均匀性校正技术和线性压缩技术，DSP实现直方 图变化技术，该些级联处理技术难W应对探测器的非均匀性漂移导致的噪声和红外图像本 身细节不清晰的问题，同时算法的处理延迟往往不可控，在FPGA处理平台上实现基于场景 的自适应校正技术和基于双边滤波的细节增强技术的级联处理是未来改进的目标。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决红外图像因非均匀性漂移导致的噪声和红外图像本身 细节不清晰的问题，同时实现硬件处理延迟小于20行。本发明公开的一种红外自适应非均 匀性校正及细节增强级联处理方法，基于FPGA硬件实现处理延迟小于20行，资源消耗少， 并可减小或消除非均匀性漂移导致的噪声，提高红外图像清晰度和成像质量。
[0004] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005] 本发明公开的一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，在FPGA 处理平台上实现自适应非均匀性校正及细节增强级联处理，所述的自适应非均匀性校正通 过基于灰度相关的时域高通非均匀性校正算法实现，用于减小非均匀性漂移导致的噪声。 所述的细节增强通过基于双平台直方图的双边滤波细节增强算法实现，用于提高红外图像 细节清晰度。由于FPGA处理延迟可控，且所述的自适应非均匀性校正及细节增强级联处理 方法减少FPGA硬件资源消耗，在实现处理延迟小于20行条件下可提高红外图像质量。
[0006] 本发明公开的一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，包括如下 步骤：
[0007] 步骤一：在FPGA处理平台实现基于灰度相关的时域高通非均匀性校正模块和实 现基于双平台直方图的双边滤波细节增强模块。
[000引步骤二：通过基于灰度相关的时域高通非均匀性校正模块减小非均匀性漂移导致 的噪声，具体实现方法包括步骤2. 1、2. 2、2. 3 ;
[0009] 步骤2. 1 ;红外焦平面探测器单元的入射福射经A\D转换为数字信号进入FPGA数 字处理模块中，从SRAM中读取预校正偏置值，根据时域阔值条件对输入数字信号预校正， 满足时域阔值条件时，用SRAM输出的偏置矩阵进行非均匀性预校正，不满足时域阔值条件 时，预校正偏置为0。
[0010] 所述的预校正方法为：
[0011]
【主权项】
1. 一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，其特征在于：在FPGA处理 平台上实现自适应非均匀性校正及细节增强级联处理，所述的自适应非均匀性校正通过基 于灰度相关的时域高通非均匀性校正算法实现，用于减小非均匀性漂移导致的噪声；所述 的细节增强通过基于双平台直方图的双边滤波细节增强算法实现，用于提高红外图像细节 清晰度。
2. 如权利要求1所述的一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，其特 征在于：具体实现包括如下步骤， 步骤一：在FPGA处理平台实现基于灰度相关的时域高通非均匀性校正模块和实现基 于双平台直方图的双边滤波细节增强模块； 步骤二：通过基于灰度相关的时域高通非均匀性校正模块减小非均匀性漂移导致的噪 声； 步骤三：非均匀性校正后，通过基于双平台直方图的双边滤波细节增强模块提高红外 图像清晰度； 重复上述步骤一至三，处理每个探测元，直到完成整个红外图像的处理。
3. 如权利要求2所述的一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，其特 征在于： 所述的步骤二具体实现方法包括步骤2. 1、2. 2、2. 3 : 步骤2. 1 :红外焦平面探测器单元的入射辐射经A\D转换为数字信号进入FPGA数字处 理模块中，从SRAM中读取预校正偏置值，根据时域阈值条件对输入数字信号预校正，满足 时域阈值条件时，用SRAM输出的偏置矩阵进行非均匀性预校正，不满足时域阈值条件时， 预校正偏置为〇 ; 所述的预校正方法为：
其中，zk(i, j, t)为温度t时第k帧探测元（i, j)入射福射值，Iv1 (i, j, t)为温度t时 第k-Ι帧得到探测元（i，j)的加性非均匀，yk(i，j，t)为温度t时第k帧探测元（i，j)预校 正结果，所述的时域阈值条件T th为：
其中，Zmax和Zmin探测器整幅图像灰度值的最大值和最小值，（12是空域阈值稀释系数， 其数值范围为0.5~5 ; 步骤2. 2 :根据预校正结果，由FPGA内部控制单元在行有效期间计算单帧的偏置估计 值；用FPGA实现自适应选择滤波器，计算入射辐射的空域估计值；由FPGA内2X S级FIFO 首尾级联形成的（2XS+1) X (2XS+1)空域均值滤波器的滤波窗口，由FPGA内部控制单元， 在场消隐期间得到空域阈值，不满足空域阈值条件的像素不作为空域均值滤波的样本； 所述的偏置估计方法为：
其中，毛(/，_/，〇为温度t时第k帧探测元（i, j)入射福射值估计值，（m, η)是窗口内 像素距离中心像素（i，j)的距离，& ?/,/_)为温度t时第k帧探测元（i，j)偏置估计值， 选择因子S为：
其中，Cl1是空域阈值稀释系数，其在0.5至3间变化，α和β的数值与非均匀性的形 式有关，如果非均匀性形状为"横向"条纹，α = 0, β = 1 ;如果非均匀性形状为"纵向"条 纹，α = 1，β = 〇 ;如果非均匀性形状为"网格"或者"水纹"，α = 〇. 5, β = 0. 5 ; 步骤2. 3 :根据单帧的偏置值和时域阈值条件，由FPGA内部控制单元在行有效期间计 算非均匀性偏置，存入SRAM中，根据该偏置完成基于灰度相关的时域高通非均匀性校正； 满足时域阈值条件时，非均匀性偏置值为单帧的偏置估计值的时域平均，不满足时域阈值 条件时，非均匀性偏置值为〇 ;步骤2. 1和2. 3中采用乒乓结构将一块SRAM按地址分为存储 上一帧和当前帧的非均匀性偏置值的两块区域，由FPGA内部控制单元生成SRAM控制器； 斫试白话心韭构勺W坊TF卞沣为.
其中，xk(i，j，t)为温度t时第k帧探测元（i，j)自适应非均匀性校正后的输出， /?(/, /,〇为非均匀性校正的偏置值； 所述的步骤三具体实现方法包括步骤3. 1、3. 2 : 步骤3. 1 :根据非均匀性校正后的图像，从SRAM中读取双平台直方图映射表，压缩该图 像；由FPGA内部控制单元在行有效期间，统计直方图信息，在场消隐期间，计算更新直方图 映射表；采用乒乓结构按地址将一块SRAM划分为存储当前帧直方图、上一帧和当前帧的直 方图映射表的三块区域，由FPGA内部控制单元生成SRAM控制器； 步骤3. 2 :由FPGA内部控制单元在行有效期间进行双边滤波分离出细节图像，自适应 线性映射放大细节图像，与步骤3. 1中的压缩图像形成合并形成输出图像，完成基于双平 台直方图的双边滤波细节增强；由FPGA内FIFO首尾级联形成的双边滤波器的滤波窗口； 所述的细节图像分离方法为：
其中，Φ为双边滤波器，w(i, j)为双边滤波权重，Bk(i, j)为第k帧探测元（i, j)的双 边滤波器输出，Dk(i，j)为分离出的第k帧探测元（i，j)细节图像。
4. 如权利要求3所述的一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，其特 征在于：所述的步骤2. 2中由FPGA内2XS级FIFO首尾级联形成的（2XS+1) X (2XS+1) 空域均值滤波器的滤波窗口，优选由FPGA内6级FIFO首尾级联形成的7 X 7空域均值滤波 器的滤波窗口。
5. 如权利要求3或4所述的一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法， 其特征在于：具体实现装置包括基于FPGA实现的基于灰度相关的时域高通非均匀性校正 模块、基于双平台直方图的双边滤波细节增强模块和外部存储器SRAM ;基于FPGA实现的基 于灰度相关的时域高通非均匀性校正模块和基于双平台直方图的双边滤波细节增强模块 用于实现非均匀性校正和双边滤波细节增强级联处理；外部存储器SRAM用来存储直方图 映射表和偏置校正矩阵。
【专利摘要】本发明公开的一种红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，涉及一种基于FPGA的红外自适应非均匀性校正及细节增强级联处理方法，属于红外成像技术领域。本发明在FPGA处理平台上实现自适应非均匀性校正及细节增强级联处理，所述的自适应非均匀性校正通过基于灰度相关的时域高通非均匀性校正算法实现，用于减小非均匀性漂移导致的噪声。所述的细节增强通过基于双平台直方图的双边滤波细节增强算法实现，用于提高红外图像细节清晰度。本发明基于FPGA硬件实现处理延迟小于20行，资源消耗少，并可减小或消除非均匀性漂移导致的噪声，提高红外图像清晰度和成像质量。本发明可应用于带有FPGA处理平台的红外成像系统中。
【IPC分类】G06T5-40
【公开号】CN104867122
【申请号】CN201510289628
【发明人】金伟其, 金明磊, 李力, 李亦阳, 李硕
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月29日