您现在的位置:首页 >> 技术文章 >> 图像语音处理 >> 内容

图像自适应分段线性拉伸算法

时间:2013-1-3 22:20:55 点击:

  核心提示:由于红外图像的成像机理以及红外成像自身的原因,红外图像有对比度低、图像较模糊、噪声大等特点。因此抑止噪声,提高图像信噪比,以及调整红外图像对比度,以利于后续图像分析、目标识别或跟踪,必须对红外图像进行增强处理。另外,在其他场合,若采用人机交互方式,则必须对原始图像进行预处理,改善图像视觉效果,使其更...

0 引言
   由于红外图像的成像机理以及红外成像自身的原因,红外图像有对比度低、图像较模糊、噪声大等特点。因此抑止噪声,提高图像信噪比,以及调整红外图像对比度,以利于后续图像分析、目标识别或跟踪,必须对红外图像进行增强处理。另外,在其他场合,若采用人机交互方式,则必须对原始图像进行预处理,改善图像视觉效果,使其更适合人机进一步的分析和处理。
   图像增强从作用域出发,分为空间域增强和频率域增强两种。频率域是一种间接增强的方法,由于存在域之间的变换和反变换,计算复杂,难以满足实时性要求。自适应分段线性拉伸算法是一种空间域图像增强方法,直接对图像像素灰度进行操作,由于运算过程简单、实现方便,目前的图像增强预处理电路大多选用这种算法。硬件实现上,最初是采用单片DSP芯片实现,其原理为:图像数据实时的传输给DSPDSP接收完1块数据后,再对整块数据进行增强处理,这样势必会造成时间的延迟,不能满足精确制导武器系统实时性的要求。后来硬件结构发展为采取DSPFPGA芯片相结合的方式。这样,有效结合了DSP的运算能力强与FPGA逻辑和存储资源丰富的优点;不足之处在于,DSPFPGA之间的通信给设计工作增加了额外负担。与DSP相比,FPGA结构上的优势使得其更适合完成并行处理、及结构性强和高速的运算。本文基于这种算法理论基础,使用xilinx公司规模较大的XC4VLXl5系列FPGA,实现了红外图像的实时处理。
1
自适应线性分段线性灰度级拉伸算法
图像灰度线性拉伸算法表达式为:

式中:i是图像数据行号;j是图像数据列号;Y(iJ)是拉伸后输出图像灰度值;X(ij)是输入原始图像灰度值,为14 b二进制数;Xmin是输入图像数据的最小灰度值;Xmax是输入图像数据的最大灰度值;Zmax表明输出图像的最大灰度值,设计中拉伸后的图像灰度值用8 b二进制数表示,故Zmax=255
首先对红外图像做灰度直方图统计,低信噪比条件下,选取压缩因子为5%,将盲元和噪声的影响降到最低。分别搜索5%最大灰度值中的最小值作为Xmax5%最小灰度值里的最大值作为Xmin。拉伸转换时,将大于Xmax的像素灰度置为Zmax,小于Xmin的像素灰度置为O。此算法将线性拉伸区间自适应地分为[OXmin)[XminXmax](Xmax255]三个部分。其中,[OXmin)(Xmax255]两个灰度区间的像素灰度分别被压缩为O255。若图像中目标较小,且目标正好位于两个被压缩的区间内,就有可能被抑制。为避免这种情况发生,可视情况适当调整压缩因子5%的大小。
2
拉伸算法的FPGA实现
2
.1 设计思路

根据以上算法分析,FPGA设计思路如下:在每帧图像帧正程,用双端口RAM进行直方图统计,记录每个像素灰度值出现的次数,帧逆程即可统计得到此帧图像的XminXmax。因为相邻两帧图像近似度高,可用前帧得到的XminXmax来处理下帧图像。在帧逆程时,调用除法器计算出 的值;在下帧正程时,只需计算Q·[X(ij)-Xmin],然后将得到的结果除以64(左移6),即对每个像素只需1次减法、1次乘法和移位就可完成拉伸运算。实现框图如图1所示,拉伸后数据的输出仅比输入延时625 ns,实现了对红外图像的实时处理。

2.2 硬件设计
通过以上设计思路的分析,设计主要包括灰度直方图统计、除法和拉伸运算3部分。下面进行详细介绍。
2
.2.1 双端口RAM
XC4VLXl5
芯片具有丰富的BlockRAM资源,用它构成双端口RAM,进行灰度直方图统计。像素的灰度值作为双端口RAM的地址,对应空间存储此灰度值在1帧图像里的频数。以320×256帧大小、灰度值为14 b的红外图像为例,在每个像素灰度值都相同的极限情况下,每个地址空间需要的存储的值为81920,转换为二进制有17 b,故所需存储空间大小为17b×214。对双端口RAM的操作分为三个阶段:
(1)
在帧正程时,只需对A端口进行读/写操作。根据接收到的像素灰度值,先读出RAM中对应地址空间的储值,加“1”后回写入原来的地址空间,这样在每帧正程结束时,就统计完了每个灰度值出现的频数,即完成了灰度直方图统计。
(2)
帧逆程时,要同时对AB端口进行读操作。对于A端口,依次从高地址读取RAM中的数,将读取的数进行累加,当和大于帧像素个数的5%时,此时对应的地址值即为Xmax;类似地对B端口操作,从0地址开始读RAM,可找到Xmin。将得到的灰度值XminXmax存入寄存器,作为除法器和下一帧图像拉伸运算的输入。
(3)
每帧最后将双端口RAM清零,为下一帧灰度直方图统计做准备。由于双端口RAM没有整体清零功能,设计中采用从“O”地址开始。依次往高地址写零的方式清零。
2
.2.2 除法器
除法运算通过调用ISE IP Core Generator生成的15位定点除法器来实现,满足高精度要求,而不采用逼近法。一帧图像的拉伸只需调用一次除法器,提高了运算的效率。在帧逆程计算Q=16 384(Xmax-Xmin)的值,对于15位输入,除法器有18个时钟周期的延时,而这并不会影响图像处理的实时性。
2
.2.3 控制时钟
1个像素时钟周期内要完成读RAM、加法计算和回写RAM的操作,RAM的控制时钟至少必须是像素时钟的4倍。控制时钟的选取还要考虑帧逆程的时间长度,要在逆程里访问RAM查找到XminXmax,还要完成RAM清零操作。FPGA系统时钟为96 MHz,分频后产生48 MHz,为像素时钟8倍,用它作为双端口RAM和除法器的控制时钟,可满足要求。
2
.2.4 拉伸运算
将式(1)进行简单变换,可以记为:

Q
值在上帧结束前已经得到,根据式(2)拉伸运算得到简化,只需1次减法和乘法运算,得到积的小数点左移6位后,截取低8位就得到拉伸后的灰度值。需要注意的是,截取前要判定乘法是否溢出,如果溢出,结果置为最大灰度值255
3
系统验证
     采用飞机高空采集的地面红外图像作为验证模板,灰度拉伸前的原始图像如图2所示,整幅图像对比度低,细节极不明显。最大、最小灰度值按5%的比例选取,拉伸后的图像如图3所示,拉伸后可明显看出河流、道路、汽车等地物的轮廓,但图像中较亮和较暗的部分层次不清晰。若减小灰度值压缩比例为2%,图像的主要轮廓变化不明显,较亮和较暗的部分将会显现出一定层次,这表明被压缩的区间相对变小,按比例拉伸的图像范围扩大。分段线性拉伸的结果可好可坏,分段区间的选择是关键,选取时要考虑原始图像的质量。噪声和盲元数目较少时,被压缩的区间可适当调小。

    该设计充分利用Virtex-4 FPGA的逻辑资源,实现了红外图像的自适应分段线性拉伸,对FPGA芯片资源占用情况如表1所示。整个设计完全在FPGA中实现,能最大限度地减少分立元件的使用。降低了系统的整体功耗,设计周期和开发成本也就能随之减少。算法完全采用流水线设计思路,处理后的数据相对输入延时小于一个像素时钟周期,最高系统时钟可达128 MHz。设计的性能和实时性满足预期目标,可用于精确制导武器或导航系统。

4 结语

    这里简要分析了图像自适应分段线性拉伸算法,利用Xilinx Virtex-4 FPGA丰富的片上资源实现了这一算法。通过实验对设计的有效性进行了验证,图像对比度有明显提高,噪声和盲元被抑制。但该算法具有局限性,仅适用于大目标的图像增强。在天文学、计算机视觉、动态景物分析、超声及声纳图像处理等领域中广泛存在着点目标红外图像,由于点目标无形状、尺寸等可利用的信息,处理时须存储多帧图像,数据处理量大。在做图像灰度级拉伸时,目标有可能被作为噪声而抑制掉,从而丢失有用信息,今后需要对点目标红外图像的增强方法做进一步研究。

-------------------------------------------------------------------------------------

专业,代做,代写,承接,MATLAB,SIMULINK,FPGA项目,博士,硕士,本科,毕业设计,课题设计,论文,

期刊,毕业论文,杂志,Coursework,Eassy,Assignment,ISE,QuartusII,Vivado,PlanAhead,

SystemGenerator,Verilog,VHDL,VRML,DSPBuilder,EDK,SDK,MaxplusII,PowerPC,Microblaze

专业代做/代写/承接、MATLAB、SIMULINK、FPGA项目、博士/硕士/本科毕业设计、课题设计、

论文,毕业论文,Coursework、Eassy、Assignment

QQ:122 4848 052

作者:本站 来源:网络
  • 您是如何找到本站的?
  • 百度搜索
  • Google搜索
  • 查阅资料过程中
  • 论坛发现
  • 百度贴吧发现
  • 朋友介绍
本站最新成功开发工程项目案例
相关文章
相关评论
发表我的评论
  • 大名:
  • 内容:
  • matlab代做|matlab专业代做|matlab淘宝代做(www.hslogic.com) © 2019 版权所有 All Rights Reserved.
  • Email:highspeed_logic@163.com 站长QQ: 1224848052

    专业代做/代写/承接、MATLAB、SIMULINK、FPGA项目、博士/硕士/本科毕业设计、课题设计、论文,毕业论文,Coursework、Eassy、Assignment