由于紅外圖像的成像機(jī)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(diǎn)。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(biāo)識別或跟蹤，必須對紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。另外，在其他場合，若采用人機(jī)交互方式，則必須對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，改善圖像視覺效果，使其更適合人機(jī)進(jìn)一步的分析和處理。

圖像增強(qiáng)從作用域出發(fā)，分為空間域增強(qiáng)和頻率域增強(qiáng)兩種。頻率域是一種間接增強(qiáng)的方法，由于存在域之間的變換和反變換，計(jì)算復(fù)雜，難以滿足實(shí)時(shí)性要求。自適應(yīng)分段線性拉伸算法是一種空間域圖像增強(qiáng)方法，直接對圖像像素灰度進(jìn)行操作，由于運(yùn)算過程簡單、實(shí)現(xiàn)方便，目前的圖像增強(qiáng)預(yù)處理電路大多選用這種算法。硬件實(shí)現(xiàn)上，最初是采用單片DSP芯片實(shí)現(xiàn)，其原理為：圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(jìn)行增強(qiáng)處理，這樣勢必會造成時(shí)間的延遲，不能滿足精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

后來硬件結(jié)構(gòu)發(fā)展為采取DSP，F(xiàn)PGA芯片相結(jié)合的方式。這樣，有效結(jié)合了DSP的運(yùn)算能力強(qiáng)與FPGA邏輯和存儲資源豐富的優(yōu)點(diǎn)；不足之處在于，DSP與FPGA之間的通信給設(shè)計(jì)工作增加了額外負(fù)擔(dān)。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(qiáng)和高速的運(yùn)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(shí)現(xiàn)了紅外圖像的實(shí)時(shí)處理。

1 自適應(yīng)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(dá)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(jìn)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(jì)中拉伸后的圖像灰度值用8 b二進(jìn)制數(shù)表示，故Zmax=255。

首先對紅外圖像做灰度直方圖統(tǒng)計(jì)，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(shí)，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(yīng)地分為[O，Xmin)，[Xmin，Xmax]和(Xmax，255]三個(gè)部分。其中，[O，Xmin)和(Xmax，255]兩個(gè)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(biāo)較小，且目標(biāo)正好位于兩個(gè)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(dāng)調(diào)整壓縮因子5％的大小。

2 拉伸算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

2．1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)以上算法分析，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)思路如下：在每幀圖像幀正程，用雙端口RAM進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，記錄每個(gè)像素灰度值出現(xiàn)的次數(shù)，幀逆程即可統(tǒng)計(jì)得到此幀圖像的Xmin和Xmax。因?yàn)橄噜弮蓭瑘D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(shí)，調(diào)用除法器計(jì)算出的值；在下幀正程時(shí)，只需計(jì)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(gè)像素只需1次減法、1次乘法和移位就可完成拉伸運(yùn)算。實(shí)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(shí)62．5 ns，實(shí)現(xiàn)了對紅外圖像的實(shí)時(shí)處理。

2．2 硬件設(shè)計(jì)

通過以上設(shè)計(jì)思路的分析，設(shè)計(jì)主要包括灰度直方圖統(tǒng)計(jì)、除法和拉伸運(yùn)算3部分。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2．2．1 雙端口RAM

XC4VLXl5芯片具有豐富的BlockRAM資源，用它構(gòu)成雙端口RAM，進(jìn)行灰度直方圖統(tǒng)計(jì)。像素的灰度值作為雙端口RAM的地址，對應(yīng)空間存儲此灰度值在1幀圖像里的頻數(shù)。以320×256幀大小、灰度值為14 b的紅外圖像為例，在每個(gè)像素灰度值都相同的極限情況下，每個(gè)地址空間需要的存儲的值為81 920，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制有17 b，故所需存儲空間大小為17 b×214。對雙端口RAM的操作分為三個(gè)階段：

(1)在幀正程時(shí)，只需對A端口進(jìn)行讀／寫操作。根據(jù)接收到的像素灰度值，先讀出RAM中對應(yīng)地址空間的儲值，加“1”后回寫入原來的地址空間，這樣在每幀正程結(jié)束時(shí)，就統(tǒng)計(jì)完了每個(gè)灰度值出現(xiàn)的頻數(shù)，即完成了灰度直方圖統(tǒng)計(jì)。

(2)幀逆程時(shí)，要同時(shí)對A，B端口進(jìn)行讀操作。對于A端口，依次從高地址讀取RAM中的數(shù)，將讀取的數(shù)進(jìn)行累加，當(dāng)和大于幀像素個(gè)數(shù)的5％時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的地址值即為Xmax；類似地對B端口操作，從0地址開始讀RAM，可找到Xmin。將得到的灰度值Xmin和Xmax存入寄存器，作為除法器和下一幀圖像拉伸運(yùn)算的輸入。