紅外成像非均勻性校正算法及其FPGA實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、紅外焦平面陣列作為凝視型紅外成像系統(tǒng)的核心組件，是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N紅外探測器，但是由于傳感器材料和制造工藝、信號(hào)處理系統(tǒng)暗電流噪聲以及工作環(huán)境等因素的影響，探測器各個(gè)單元的響應(yīng)之間存在非均勻性，從而在所輸出的圖像序列中產(chǎn)生固定圖案的噪聲。紅外成像的非均勻性不僅嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的成像質(zhì)量，而且會(huì)對(duì)圖像的后續(xù)處理產(chǎn)生干擾，因此改善紅外成像的非均勻性顯得十分有必要，目前采用的最有效的方法是基于數(shù)字圖像處理的非均勻性校正技術(shù)。本文的目的在于研究

2、一種基于場景的紅外成像非均勻性自適應(yīng)校正算法，并對(duì)其進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，從而設(shè)計(jì)一種紅外成像非均勻性實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)。
　　本文研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非均勻性校正算法，并分析了算法中存在的缺陷及其產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法做出如下改進(jìn)：一方面采用引導(dǎo)濾波計(jì)算預(yù)測圖像，在對(duì)圖像起到平滑作用的同時(shí)保留圖像中的邊緣信息，從而在提高校正效果的同時(shí)有效抑制“鬼影”現(xiàn)象的產(chǎn)生；另一方面使用投影法估計(jì)場景中的運(yùn)動(dòng)情況，并只在場景運(yùn)動(dòng)比較充足的情況

3、下對(duì)校正參數(shù)進(jìn)行更新，從而避免了場景靜止時(shí)因參數(shù)重復(fù)迭代更新造成的圖像模糊。針對(duì)上述改進(jìn)算法，本文使用兩組具有代表性的紅外圖像序列進(jìn)行仿真并觀察校正效果，同時(shí)結(jié)合圖像粗糙度、均方誤差和信噪比等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行定量分析，最終說明所提出的改進(jìn)算法相對(duì)于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　另外，本文以FPGA為核心處理器構(gòu)建硬件平臺(tái)，充分利用FPGA可編程性強(qiáng)和并行計(jì)算的特點(diǎn)，對(duì)改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非均勻性校正算法進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一

4、種基于FPGA的紅外成像非均勻性自適應(yīng)校正系統(tǒng)，能夠?qū)?56×256像素的圖像序列以每秒25幀的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。文中根據(jù)自頂向下的層次化設(shè)計(jì)思想詳細(xì)描述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，包括FPGA的頂層設(shè)計(jì)和模塊劃分，以及各個(gè)功能模塊之間的數(shù)據(jù)流向，并詳細(xì)描述了各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。最后，通過仿真和測試驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能，并從FPGA資源占用和系統(tǒng)運(yùn)算速度兩方面分析了系統(tǒng)的性能。最終證明，本文給出的硬件系統(tǒng)能夠?qū)t外圖像中的非均勻性進(jìn)行實(shí)時(shí)的自適應(yīng)校