圖像自適應分段線性拉伸算法的FPGA設(shè)計
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由于紅外圖像的成像機理以及紅外成像自身的原因，紅外圖像有對比度低、圖像較模糊、噪聲大等特點。因此抑止噪聲，提高圖像信噪比，以及調(diào)整紅外圖像對比度，以利于后續(xù)圖像分析、目標識別或跟蹤，必須對紅外圖像進行增強處理。另外，在其他場合，若采用人機交互方式，則必須對原始圖像進行預處理，改善圖像視覺效果，使其更適合人機進一步的分析和處理。
圖像增強從作用域出發(fā)，分為空間域增強和頻率域增強兩種。頻率域是一種間接增強的方法，由于存在域之間的變換和反變換，計算復雜，難以滿足實時性要求。自適應分段線性拉伸算法是一種空間域圖像增強方法，直接對圖像像素灰度進行操作，由于運算過程簡單、實現(xiàn)方便，目前的圖像增強預處理電路大多選用這種算法。硬件實現(xiàn)上，最初是采用單片DSP芯片實現(xiàn)，其原理為：圖像數(shù)據(jù)實時的傳輸給DSP，DSP接收完1塊數(shù)據(jù)后，再對整塊數(shù)據(jù)進行增強處理，這樣勢必會造成時間的延遲，不能滿足精確制導武器系統(tǒng)實時性的要求。后來硬件結(jié)構(gòu)發(fā)展為采取DSP，FPGA芯片相結(jié)合的方式。這樣，有效結(jié)合了DSP的運算能力強與FPGA邏輯和存儲資源豐富的優(yōu)點；不足之處在于，DSP與FPGA之間的通信給設(shè)計工作增加了額外負擔。與DSP相比，F(xiàn)PGA結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢使得其更適合完成并行處理、及結(jié)構(gòu)性強和高速的運算。本文基于這種算法理論基礎(chǔ)，使用xilinx公司規(guī)模較大的XC4VLXl5系列FPGA，實現(xiàn)了紅外圖像的實時處理。
1 自適應線性分段線性灰度級拉伸算法
圖像灰度線性拉伸算法表達式為：
式中：i是圖像數(shù)據(jù)行號；j是圖像數(shù)據(jù)列號；Y(i，J)是拉伸后輸出圖像灰度值；X(i，j)是輸入原始圖像灰度值，為14 b二進制數(shù)；Xmin是輸入圖像數(shù)據(jù)的最小灰度值；Xmax是輸入圖像數(shù)據(jù)的最大灰度值；Zmax表明輸出圖像的最大灰度值，設(shè)計中拉伸后的圖像灰度值用8 b二進制數(shù)表示，故Zmax=255。
首先對紅外圖像做灰度直方圖統(tǒng)計，低信噪比條件下，選取壓縮因子為5％，將盲元和噪聲的影響降到最低。分別搜索5％最大灰度值中的最小值作為Xmax，5％最小灰度值里的最大值作為Xmin。拉伸轉(zhuǎn)換時，將大于Xmax的像素灰度置為Zmax，小于Xmin的像素灰度置為O。此算法將線性拉伸區(qū)間自適應地分為[O，Xmin)，[Xmin，Xmax]和(Xmax，255]三個部分。其中，[O，Xmin)和(Xmax，255]兩個灰度區(qū)間的像素灰度分別被壓縮為O和255。若圖像中目標較小，且目標正好位于兩個被壓縮的區(qū)間內(nèi)，就有可能被抑制。為避免這種情況發(fā)生，可視情況適當調(diào)整壓縮因子5％的大小。
2 拉伸算法的FPGA實現(xiàn)
2．1 設(shè)計思路
根據(jù)以上算法分析，F(xiàn)PGA設(shè)計思路如下：在每幀圖像幀正程，用雙端口RAM進行直方圖統(tǒng)計，記錄每個像素灰度值出現(xiàn)的次數(shù)，幀逆程即可統(tǒng)計得到此幀圖像的Xmin和Xmax。因為相鄰兩幀圖像近似度高，可用前幀得到的Xmin和Xmax來處理下幀圖像。在幀逆程時，調(diào)用除法器計算出
的值；在下幀正程時，只需計算Q?[X(i，j)-Xmin]，然后將得到的結(jié)果除以64(左移6位)，即對每個像素只需1次減法、1次乘法和移位就可完成拉伸運算。實現(xiàn)框圖如圖1所示，拉伸后數(shù)據(jù)的輸出僅比輸入延時62．5 ns，實現(xiàn)了對紅外圖像的實時處理。
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