基于FPGA的红外图像非均匀性校正系统设计

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摘 要：针对红外图像成像的非均匀性分布特性，本文以FPGA为核心器件运用中值直方图均衡算法对红外图像的非均匀性矫正。实验表明该方法对红外图像的固定模式噪声消减效果明显，且具有实现速度快、实时性高的优点，利于系统小型化的实现。

关键词：FPGA 红外图像 非均匀性校正 中值直方图均衡化

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0030-02

随着科技的发展，在进行红外图像处理时对图像处理系统的要求越来越高，因此系统处理数据的高效性、快速处理能力和大数据量的吞吐能力是系统选定时的先决条件。目前，大多红外图像非均性校正的研究都采用DSP+FPGA结合的方式[4]，先由DSP完成校正系数的计算，然后由FPGA完成非均匀性校正。研究对DSP的工作频率要求一般为几百兆赫兹，同时需要DSP与A/D转换器、DSP与显示模块之间加上存储器作为数据缓存，尤其是工作频率的增高，导致系统高频噪声增加，从而使模拟部分的噪声增大，降低了系统的温度分辨率。本文采用Altera公司的Cyclone IV系列芯片FPGA（EP4CE115F29）单独完成实验，该芯片具有6K到150K的逻辑单元和高达6.3Mb的嵌入式存储器，360个18×18乘法器，可以实现DSP处理密集型应用；高达3.125Gb的数据速率可以很好的对图像进行实时性处理。

目前非均匀性校正算法主要分为两大类：基于参考源的非均匀性校正[2]和基于场景的非均匀性校正[3]。第一类方法具有较高的校正准确度，且实时性高；但在标定过程中成像系统需要暂停工作，使系统处理速度降低；第二类类方法具有自适应性校正的特点，但绝大部分算法都需要估计真实场景值，增加了对具体场景的环境要求。本文针对红外焦平面非均匀性成列分布的特性，采用中值直方图均衡算法[1]对红外图像进行非均匀性行校正。

1 中值直方图均衡算法

1.1 算法原理

基于红外焦平面都采用行积分格式处理，而行积分处理导致图像的非均匀性表现在列与列的响应差异上，假设红外图像间像素灰度是连续的，那么单幅红外图像中相邻列之间的差别在统计意义上是很小的，这意味着两个相邻直方图几乎是相等的。根据这个假设，对红外图像列进行中值化直方图均衡，使成像的连续图像列直方图相等。

1.2 算法流程

（1）计算图像中每一列ci的累计直方图Hi。

（2）对每一列ci采用高斯权重Φ=Φσ其中σ为标准差，计算下一列的直方图Hmid（i）-1。公式如下：

Hmid（i）-1= （1）

（3）设每列ci的直方图为中值直方图Hmid（i）-1。

不同的红外焦平面的非均匀性不同，而高斯权重标准差σ的选择仅取决于探测器，与被观察目标无关，因此该方法具有广泛使用性。对单幅图像进行的非均匀校正并不受运动或场景变化的影响，这就避免了“鬼影”的产生以及由于校正参数随着时间漂移而产生的任何问题。

1.3 高斯权重标准差σ的选择

1.3.1 最优自适应参数的选择

红外图像的非均匀性的增加会导致图像的全变分（Total Variation）模的增加，因此图像的平滑性越小，非均匀性就越小。高斯权重的标准差σ自动选择公式如下：

σ*=argminσ|| Iσ ||TV*（2）

公式Iσ为采用参数σ利用中值直方图均衡化算法校正后的图像，通过对σ进行两分法搜索完成最优化参数的选择。

1.4 算法收敛条件

如果hi，i1….N为N个单帧红外图像不同列的直方图，且已求得中值化直方图：

Hmid（i）-1= （3）

由公式（3）得：

||hmid-htrue||2（4）

假设探测器成像的N列所对应的hi是独立同分布的，且以htrue为中心则：

0（5）

2 非均匀性校正的fpga实现

中值直方图均衡化算法的提出者在软件仿真上证明了算法的可行性，但是在硬件平台上算法能否满足实验要求有待考证，本文在FPG硬件平台上验证并改进算法的实用性。

图1为FPGA进行非均匀性校正原理图。视频输入信号经过模拟预处理，频率调整到A/D转换芯片工作范围，经过A/D转换之后，数据送到FPGA进行下一步处理。计算单元计算每列的灰度直方图，计算结果存于SRAM1中。同时，控制单元发出指令，提取SRAM1中存储的校正后的图像传入高斯权重系数计算模块，计算出σ值，并存储在SRAM2中。然后控制单元发出指令，提取SRAM2中存储数据，传输到最后的非均匀性校正模块，进行最后校正，校正结果存储在SRAM2中，之后根据公式（4）、（5）判定结果是否满足算法收敛条件，如果满足条件，保存计算结果，否则，返回第2步，重新计算权系数σ。

3 实验结果

本文设计的基于FPGA红外焦平面实时数据处理系统，经过试验取得了良好的效果。下图中图（a）为未进行校正的图像，可以看到明显的非均匀性噪声，图（b）为进行校正后的图像，经过对比可以发现固定模式噪声明显减少。

4 结语

本文设计了一种基于FPGA的红外图像实时处理系统，高斯权系数计算，非均匀性校正，都在一片FPGA上实现，利用中值直方图均衡化算法，有效的实现了对红外图像的非均匀性校正，而且该系统体积小，有利于实现系统的小型化应用。

参考文献

[1] 贺明，王亚弟.中值直方图的单帧红外图像非均匀校正算法[J].红外与激光工程，2012，9.

[2] Hormans R， Hepfer K C，Zurasky M. Uniformitycompensation for high quantum efficiency focal arrays[J].Proc.SPIE，1996，2 744：154-164.

[3] Scribner D A， Sarkady K A，Caulfield J T， et al.Nonuniformity correction for staring IR focal planearrays using scene-based techniques[J].Proc.SPIE1990，1 308：224-233.

[4] Delon J.Midway image equalization [J].Journal ofMathematical Imaging and Vision，2004，21（2）：119-134.