一种基于FPGA的非制冷型红外图像增强系统及方法

本发明属于红外图像增强方法，尤其涉及一种基于fpga的非制冷型红外图像增强系统及方法。

背景技术：

1、非制冷型红外探测器已被广泛应用于航空航天、医学、安防以及工业生产等技术领域。随着应用范围的不断增大，人们对于红外图像的要求也越来越高。然而，红外探测器在其工作的过程中，会受到环境温度、电路噪声以及探测器件工作温度波动等因素的影响，使得红外图像对比度较低、细节模糊。为了能够获得更高质量的红外图像，人们开始尝试构建图像处理系统，利用图像处理算法对原始的红外图像进行优化，增强红外图像的对比度，凸显图像细节。

2、当前，在构建的图像处理系统中常用的图像增强算法有直方图均衡化、中值滤波、拉普拉斯算子以及高斯滤波等方法。在这些方法中，直方图均衡化、中值滤波、拉普拉斯算子在算法上较为简单，易于实现，但此类方法在图像增强的同时，无法较好地保存图像中的细节。相较于前三种算法，高斯滤波增强效果更好，但计算量较大，使得整个红外图像处理系统运行速度无法满足应用需求，同时也需要较大的存储资源来缓存处理过程中所产生的数据。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于fpga的非制冷型红外图像增强系统，以实现增强图像的同时清晰地保留图像细节，达到保边增强的目的，同时减小计算量，提升运算效率。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于fpga的非制冷型红外图像增强系统及方法，包括图像采集控制模块、非制冷型红外探测机芯、主控制模块、芯片sram-a、芯片sram-b、双边滤波处理模块、伽马校正处理模块、图像输出模块、数模转换芯片和vga输出接口；

4、所述非制冷型红外探测机芯，与图像采集控制模块之间相交互连接，用于完成图像数据的采集；

5、所述图像采集控制模块，与主控制模块之间相交互连接，用于根据需求配置非制冷型红外探测机芯的工作模式；接收和发送非制冷型红外探测机芯采集到的图像数据；

6、所述主控制模块，其具有与图像采集控制模块相交互连接的第一端、与芯片sram-a相交互连接的第二端、与双边滤波处理模块相交互连接的第三端、与芯片sram-b相交互连接的第四端、与伽马校正处理模块相交互连接的第五端以及与图像输出模块相连接的第六端；主控制模块用于控制双边滤波处理模块和伽马校正处理模块的运行，以及控制图像数据在芯片sram-a和芯片sram-b中的读写；

7、所述芯片sram-a，用于缓存非制冷型红外探测机芯开始采集图像数据；所述芯片sram-b，用于缓存双边滤波处理后的图像数据；

8、所述双边滤波处理模块，用于获取图像采集控制提供的图像数据，并进行双边滤波处理；

9、所述伽马校正处理模块，用于对双边滤波处理后的图像数据进行伽马校正处理；

10、所述图像输出模块经数模转换芯片与vga输出接口相连，用于接收经过伽马校正后的图像数据，控制该图像数据的输出时序，使其与输出模式的时序要求相适应；图像输出模块输出的图像数据经模转换芯片进行数模转换处理后，通过vga接口输出。

11、进一步的，所述双边滤波处理模块，内设有4个fifo缓存单元和一个随机存取存储器ram，4个fifo缓存单元用于缓存通过主控制模块获取芯片sram-a中的图像数据，随机存取存储器ram内预存的以亮度差值为地址构建的亮度邻近度权值查找表、以像素点灰度值为地址构建伽马函数查找表，亮度邻近度权值查找表包含地址和亮度邻近度权值，伽马函数查找表包含像素点灰度值和伽马函数值。

12、一种基于fpga的非制冷型红外图像增强系统，其进行图像增强的方法包括以下步骤：

13、s1、图像采集控制模块根据需求配置非制冷型红外探测机芯的工作模式，配置的工作模式中包括图像采集模式、像素点精度等信息；

14、s2、待配置完毕，非制冷型红外探测机芯开始采集图像数据，并将采集的图像数据经图像采集控制模块发送至主控制模块，由主控制模块控制其写入芯片sram-a中进行缓存；

15、s3、待图像数据写入完毕，主控制模块向双边滤波处理模块发送开始信号；双边滤波处理模块在接收到开始信号后，通过主控制模块获取芯片sram-a中的图像数据，然后采用双边滤波算法对其进行处理；

16、s4、待双边滤波处理完毕，双边滤波处理模块向主控制模块传输双边滤波处理后的图像数据，并发送完成信号；主控制模块接收完成信号后控制双边滤波处理后的图像数据缓存至芯片sram-b中，同时向伽马校正处理模块发送开始信号；伽马校正处理模块在接收到开始信号后，通过主控制模块从芯片sram-b中读取经双边滤波处理后的图像数据进行处理，待伽马校正处理完毕，将其传输至主控制模块；

17、s5、主控制模块在收到校正后的图像数据后向图像输出模块发送完成信号，图像输出模块读取处理完成的图像数据通过数模转换芯片数模转换后进行输出。

18、进一步的，在数据处理的过程中对芯片sram-a和芯片sram-b进行复用，使得不同处理模块的数据输入输出缓存为一体，即上一模块的数据输出区为下一模块的数据输入区，有效地节约了存储资源。

19、进一步的，所述s3中采用双边滤波算法模块进行滤波处理的过程为；

20、s3.1、双边滤波算法模块通过主控制模块获取芯片sram-a中的图像数据，将获取的图像数据缓存到内置的4个fifo单元中；

21、s3.2、使用时，直接从4个fifo单元中读取图像数据当前列，构成大小为5×5的滤波窗口；

22、s3.3、计算图像数据当前滤波窗口中邻域像素点与中心像素点之间的亮度差值；

23、s3.4、以亮度差值为地址，输入s3.3得到的亮度差值，在1个时钟周期内，从预存的亮度邻近度权值查找表中查找得到对应亮度邻近度权值wr；

24、s3.5、计算当前滤波窗口中各像素点空间邻近度权值ws与s3.4得到的亮度邻近度权值wr的乘积，得到权值w；计算图像数据当前滤波窗口中各像素点灰度值与权值w的乘积p；

25、s3.6、对图像数据当前滤波窗口中灰度值与权值w的乘积p进行求和，；

26、s3.7、对图像数据当前滤波窗口中各像素点的权值w进行累加；采用除法器计算乘积p的求和结果/权值w的求和结果,得到双边滤波后的像素点灰度值并输出。

27、进一步的，所述s4中采用伽马校正处理模块进行伽马处理的过程为：

28、s4.1、伽马校正处理模块通过主控制模块，从芯片sram-b中读取经双边滤波处理得到的像素点灰度值；

29、s4.2、以像素点灰度值为地址，输入s4.1得到的像素点灰度值，在1个时钟周期内，从预存的伽马函数查找表中进行查找，得到对应伽马函数值；该值即为伽马校正处理得到的像素点灰度值。

30、本发明提供的一种基于fpga的非制冷型红外图像增强系统及方法，是以fpga为处理核心，结合双边滤波算法和伽马校正算法，对红外图像进行实时增强。双边滤波算法在处理的过程中同时考虑像素点间的距离与灰度差值两种因素，在增强图像效果的同时能够清晰地保留图像原有细节，达到保边去噪的目的。在此基础上，通过伽马校正算法，使去噪后的图像具有更强的对比度，有效提高图像质量。同时，在构架的系统框架中，对芯片sram-a和芯片sram-b进行复用，使整个系统能够利用较少的存储资源快速处理较大数据量，从而满足图像处理系统对于实时性的要求。

31、与现有技术相比，本发明结合双边滤波算法和伽马校正算法，实现增强图像的同时清晰地保留图像细节，达到保边增强的目的。各模块均采用流水线设计，以提高系统的吞吐率。在数据处理过程中，对不同存储区进行复用，使得不同处理模块的数据输入输出缓存为一体，即上一模块的数据输出区为下一模块的数据输入区，有效地节约了存储资源。