基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统和方法，属于红外成像技术领域。本发明专利技术以中值红外均衡算法(MIRE)为核心，针对算法以及FPGA的特性进行了优化，包括图像缓存模块、参数计算模块、非均匀性校正模块与数据输出模块。参数计算模块根据上位机指令得到加权系数，原始图像经过缓存后，按列方向顺序输入非均匀性校正模块得到每一列图像的直方图、累计直方图与逆直方图，然后通过对累计直方图和逆直方图进行索引将每一列原始图像分别规范化到相邻列的直方图上，最后将各个规范化后的像素值进行加权得到最终的校正结果并输出。本发明专利技术可有效校正红外焦平面阵列条带状非均匀性，且由于全部使用FPGA实现，速度快，可以实时完成校正。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外成像
，更具体地，涉及一种基于FPGA实现的利用中值红 外均衡算法进行红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统和方法。
技术介绍
现今使用的红外成像系统多是基于红外焦平面阵列（IRFPA)器件，但由于制造工 艺水平与材料的问题，红外焦平面阵列器件存在信噪比低的问题，这一方面是由于探测单 元响应不一致所引起的固定图案噪声，另一方面是由于读出电路的非均匀性与偏置电压噪 声所引起的条带状非均匀性，这种非均匀性严重影响了红外图像的质量，限制了红外焦平 面阵列器件的应用。 传统的非均匀性校正的方法虽然在去除红外图像非均匀性上有优异的表现，但是 条带状非均匀性既有结构性，又有随机性。现有的基于定标的方法（例如：单点定标、两点 定标）利用对黑体的观测进行图像校正，只适用于参数时域固定的情况。而传统基于场景 的方法（例如：恒定统计法、神经网络法、时域高通滤波法、Kalman滤波法）一般需要对时 域上连续的若干帧进行运算，其收敛速度较慢，无法适应参数时域上的变化。因此需要研宄 专门针对条带状非均匀性进行校正的算法。目前此类算法主要停留在软件实现层面，处理 时间长，无法满足图像实时性处理要求。已有的采用硬件实现的实时红外焦平面条带状非 均匀性校正系统采用的算法过于简单，处理效果较差。因此需要设计一种处理效果好的实 时性红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统。 中值红外均衡（MIRE)算法由Y. Tendero等人在2010年提出，对条带状非 均匀性有较好的校正效果，并且没有迭代运算，复杂度较低。其基本过程如下：第 一，计算每一列图像&的直方图Iy第二，计算每一列图像的累计直方图Hy第三， 计算每一列图像累计直方图的逆直方图//y;第四，计算其中值累计直方图&，使【主权项】1. 一种基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统，其特征在于，包括图像 缓存模块、参数计算模块、非均匀性校正模块以及数据输出模块，其中： 所述图像缓存模块，用于缓存外部输入的红外图像，当缓存完一帧图像之后将所述图 像按列向所述非均匀性校正模块输出数据； 所述参数计算模块，用于接收并解析输入的外部指令得到校正参数，并根据所述校正 参数换算得到加权系数后传递给所述非均匀性校正模块； 所述非均匀性校正模块，包括： 输入控制与数据分发模块，用于控制所述图像缓存模块每次输出一列图像到直方图统 计模块，同时计数已经输出的列数，当计算某一列图像规范化像素所需要的全部数据都已 获得后，控制所述图像缓存模块输出二次缓存后的该列图像数据到累计直方图处理模块； 所述直方图统计模块，用于对所述输入控制与数据分发模块输出的图像列数据进行直 方图统计，同时将上一列图像的直方图信息传递给所述累计直方图处理模块； 所述累计直方图处理模块，用于根据每一列图像的直方图信息计算该列图像的累计直 方图并进行缓存，同时产生计算累计直方图的逆直方图所需使用的标记值并传递给标记值 转发模块，并且根据所述输入控制与数据分发模块传递的图像数据索引对应列的索引值传 递给索引值转发模块； 所述标记值转发模块，用于将所述标记值进行缓存并转发给逆直方图计算模块组； 所述索引值转发模块，用于将所述索引值转发给所述逆直方图计算模块组； 所述逆直方图计算模块组，包含多个逆直方图计算模块，用于通过所述标记值完成逆 直方图的计算并更新模块内部DPRAM，然后根据所述索引值对所述模块内部DPRAM进行索 弓丨，并将对应数据转发给规范化计算模块； 并行控制模块，用于控制所述逆直方图计算模块组中的每个逆直方图计算模块完成所 述逆直方图的计算、更新和对应数据转发；以及 所述规范化计算模块，用于通过所述参数计算模块更新加权系数，并将所述逆直方图 计算模块组的输出结果与对应加权系数相乘，所乘结果相加后得到图像校正结果，并将所 述图像校正结果传递给所述数据输出模块；以及 所述数据输出模块，用于缓存并输出校正后的图像。2. 如权利要求1所述的基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统，其特征 在于，所述图像缓存模块利用外部图像缓存DPRAM缓存所述外部输入的红外图像，并将所 述外部DPRAM的存储区域划分为两个部分，采用乒乓方式进行操作。3. 如权利要求1或2所述的基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统，其 特征在于，所述加权系数事先计算并存入片上ROM中，所述参数计算模块根据所述校正参 数换算得到对应地址，并根据所述对应地址从所述片上ROM中得到对应的加权系数传递给 所述规范化计算模块。4. 如权利要求1所述的基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统，其特征 在于，所述逆直方图计算模块组内每一逆直方图计算模块均有刷新与输出两种状态，由所 述并行控制模块控制进行切换，处于所述刷新状态时，先读出一个标记值将其中的灰度值 填入存储器中其高度值对应地址中，再将两个地址之间空白部分用所述灰度值进行填充； 处于所述输出状态时，根据所述索引值对所述模块内部DPRAM进行索引，将对应数据转发 给所述规范化计算模块。5. 如权利要求4所述的基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统，其特征 在于，所述并行控制模块向所述逆直方图计算模块组发出刷新起始信号，控制所述逆直方 图计算模块组中的各个逆直方图计算模块在需要刷新时切换到所述刷新状态，并在刷新结 束时切换到所述输出状态。6. -种基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正方法，其特征在于，包括： 步骤1计算加权系数0表示标准 差；k表示加权系数的序号，取值为1，2，…，2N+1，2N+1为计算窗口大小； 步骤2缓存原始输入的红外图像； 步骤3对所述原始输入的红外图像边缘进行镜像拓展，调整输出列与输出图像地址的 映射关系，设所述原始输入的红外图像缓存空间起始地址为0,图像列数为L，计算窗口大 小为2x+l，则输出第n列图像时的首地址m为：每输出当前列的下一个像素时，地址偏移一列像素的地址空间； 步骤4对当前列图像&进行直方图统计，得到直方图Ij; 步骤5计算当前图像列&的累计直方图Hj; 步骤6计算当前图像列&累计直方图的逆直方图f// ; 步骤7当某一列图像校正计算窗口中所有列的逆直方图都已计算完毕后，将二次缓存 的该列图像像素Xu输入，在缓存的累计直方图对应列区域中以此像素灰度值为地址查找 累计直方图得到索引值&(^ ; 步骤8以所述索引值&(Xu)作为地址索引得到目标列图像像素Xu分别规范化到对 应列的直方图后的像素值步骤9将每一列图像规范化到相邻列直方图后的像素值足乘以对应的加权系数 步。（k)，所乘结果相加后得到图像校正结果步骤10重复所述步骤4至9,直到完成所述原始输入的红外图像全部列的处理； 步骤11将校正后的图像数据缓存并输出。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，依照成像器的幅面与特性 确定最大计算窗口大小2P+1与最小计算窗口大小2Q+1，对于大小为2N+1的每一个窗口， 其中，QSN彡P，定义不均匀性系数，取A分别为0. 5、0.4、 0? 3、0. 2与0? 1时的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的红外焦平面阵列条带状非均匀性校正系统，其特征在于，包括图像缓存模块、参数计算模块、非均匀性校正模块以及数据输出模块，其中：所述图像缓存模块，用于缓存外部输入的红外图像，当缓存完一帧图像之后将所述图像按列向所述非均匀性校正模块输出数据；所述参数计算模块，用于接收并解析输入的外部指令得到校正参数，并根据所述校正参数换算得到加权系数后传递给所述非均匀性校正模块；所述非均匀性校正模块，包括：输入控制与数据分发模块，用于控制所述图像缓存模块每次输出一列图像到直方图统计模块，同时计数已经输出的列数，当计算某一列图像规范化像素所需要的全部数据都已获得后，控制所述图像缓存模块输出二次缓存后的该列图像数据到累计直方图处理模块；所述直方图统计模块，用于对所述输入控制与数据分发模块输出的图像列数据进行直方图统计，同时将上一列图像的直方图信息传递给所述累计直方图处理模块；所述累计直方图处理模块，用于根据每一列图像的直方图信息计算该列图像的累计直方图并进行缓存，同时产生计算累计直方图的逆直方图所需使用的标记值并传递给标记值转发模块，并且根据所述输入控制与数据分发模块传递的图像数据索引对应列的索引值传递给索引值转发模块；所述标记值转发模块，用于将所述标记值进行缓存并转发给逆直方图计算模块组；所述索引值转发模块，用于将所述索引值转发给所述逆直方图计算模块组；所述逆直方图计算模块组，包含多个逆直方图计算模块，用于通过所述标记值完成逆直方图的计算并更新模块内部DPRAM，然后根据所述索引值对所述模块内部DPRAM进行索引，并将对应数据转发给规范化计算模块；并行控制模块，用于控制所述逆直方图计算模块组中的每个逆直方图计算模块完成所述逆直方图的计算、更新和对应数据转发；以及所述规范化计算模块，用于通过所述参数计算模块更新加权系数，并将所述逆直方图计算模块组的输出结果与对应加权系数相乘，所乘结果相加后得到图像校正结果，并将所述图像校正结果传递给所述数据输出模块；以及所述数据输出模块，用于缓存并输出校正后的图像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王岳环，张磊，宋琼，张天序，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42