红外图像非均匀性实时校正算法设计与实现.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 红外图像非均匀性实时校正算法设计与实现 姓名：刘易华 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：田金文;龚俊斌 2011-05-28 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 非制冷长波红外焦平面阵列探测器具有结构简单、工作稳定可靠、探测灵敏度 高、噪声等效温差小等优点，是红外成像探测技术的重要发展方向，预期将在未来 的国民经济和国防安全等多个领域发挥重要的作用 在非制冷长波红外探测器成像过程中，存在较强的图像非均匀性、一定数量的 盲元，同时图像的对比度较差，这些成像缺陷对成像质量产生了严重的影响，限制 了非制冷长波红外探测器的应用范围本论文主要研究非晶硅非制冷长波红外焦平 面阵列图像的非均匀校正、盲元补偿和对比度增强技术，并基于 FPGA 对相关算法 进行硬件实现本论文的设计方案是首先对获取的图像进行盲元检测，然后采用带 动态漂移校正的两点法来完成非均匀校正并同时进行盲元插值，最后采用三段线性 拉伸法来完成对比度增强为了高效稳定地实现上述算法，本论文采用 FPGA 对上 述算法进行硬件电路实现。

在红外图像的非均匀性实时校正的硬件实现过程中，合 理高效的流水设计是保证系统实时性的关键技术本文在实时处理中的流水级主要 包括数据加载级，非均匀校正级和对比度增强级此外，本论文还通过适当地处理 对比度增强参数，大大地减少了系统对存储空间的消耗，同时保证红外图像非均匀 校正系统工作稳定可靠，从而显著地降低系统的功耗，减小整机体积，提高系统的 继航能力和使用灵活性 通过实测数据和 ModelSim 等软件的电路仿真，本文对设计的系统进行了验证和 测试实验结果证明，系统采用的算法简单、有效，能够适应较宽的目标和工作环 境温度范围；而基于 FGPA 的硬件实现技术，则具有高性能、高计算精度、高稳定 性、高性价比和低功耗的优点，具有良好的发展空间和市场应用前景 关键词：关键词： 图像增强 ，非均匀性校正，红外焦平面阵列，现场可编程阵列 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Uncooled long wave infrared focal plane arrays detectors are uncomplicated in construction, stable and reliable, of high sensitivity and of low noise equivalent temperature difference. Uncooled long wave infrared focal plane arrays detector is most important develop direction in the world. It is expected to play an important role in national economy and defense security and some other fields. In the process of long wave IRFPA detector imaging, there is obvious non-uniformity, a certain amount of missing pixels and the contrast of the image is poor. These disadvantages above are badly influencing the quality of infrared images and limiting the appliance of uncooled IRFPA detectors now and in future. This subject is focused on non- uniformity correction, replacement of missing pixels and image enhancement of poly- silicon long wave IRFPA images and realizing it in hardware basing on FPGA. In this subject, we firstly detect missing pixels, and then we finish non-uniformity correction with dynamic drift two-point method. Meanwhile, replacement of missing pixels is finished. At last, contrast enhancement is completed with three-section linear stretching method. We apply FPGA for the hardware circuit to ensure that the arithmetic above is realized efficiently and stably. To the technology of hardware realization, flow process is the key technology to keep real-time of the system, and the main circuit structure to realize all kinds of functions is finite-state machine. In addition, a lot of storage space is saved in this subject by some ingenious usage of contrast enhancement parameters. This system should firstly be stable and reliable, in addition, it need to reduce its size and consumption as much as possible, so as to increase its sustaining power and flexibility. Through actual measurement and simulation with software like ModelSim, we tested and verified the system. Experiment results show that our arithmetic is simple and effective to wide arrange of targets and temperature. On the other hand, applying FPGA makes the system efficient, of high computational accuracy, stable, cheaper and low consumed. So, there is a lot of optimizing and developing space for this system. Keywords: image enhancement, non-uniformity correction, infrared focal plane arrays, FPGA 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本论文属于 保密□ ， 在_____年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 红外探测器是利用物体自身辐射或者发射的红外波段电磁波信号获取目标的一 种成像传感器。

与传统的夜视技术不同，红外成像探测技术完全不需要可见光光 源，可以在完全无可见光照明的情况下高质量成像，且无需遮光保护装置，与传统 微光夜视设备相比有明显的优势[1]近年来，红外成像技术在现代战争等领域、准军 事领域、工业领域、医学领域、农业领域和林业领域等领域都起到了重要的作用 因此，掌握先进的红外成像技术能够从各个方面增强一个国家的综合国力并提高人 们的生产生活水平[2] 1.1 课题的研究背景、目的和意义 课题的研究背景、目的和意义 红外热成像仪是现代信息化高技术局部战争和有力保障国家安全的重要侦测设 备，也是衡量一个国家武器装备先进程度和军事攻防能力的重要标志因此，近年 来西方发达国家在许多武器装备上都大面积地配备了这种系统，如卫星、飞机、车 辆、导弹、舰艇等 [3-5]此外，在工业领域和医学领域等领域，红外成像技术也被不 同程度地采用 非制冷热成像系统的显著特点就是成本低，功耗低，体积小所以它在军事领 域比较适合低成本武器系统来装配，在单兵侦查、轻武器瞄具、夜间车辆驾驶、自 动武器、导弹寻的器和无人机热成像系统等环境下都可以装配红外探测仪；另外在 工业、医学、农业和林业以及准军事等领域也都发挥着巨大的作用[6]。

随着我国近年来经济的快速发展，尤其是制造业和重工业的迅速发展，市场上 对低成本热成像系统的需求逐年增加据报道，我国非制冷红外热像仪在未来几年 中，市场的总需求量将达到 4 万台[7] 综上所述，本文对非制冷红外成像技术的研究可以从一定程度上直接地或间接 地增强我们的综合国力，提高生产能力，改善生活水平本课题就是在这样的研究 背景下开展的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 国内外的发展现状 国内外的发展现状 从上世纪八十年代开始，各国市场对非致冷红外热成像技术的需求不断地提 升，世界各国对非致冷红外热成像技术的研究也随之不断深入因为当时的制冷型 热成像仪有诸如探测器材料价格过于昂贵、系统不稳定、生产成品率太低、系统功 耗高和体积大等弊病而这些弊病又严重地限制了制冷型热成像仪在工商业领域和 低成本武器系统中的应用和发展因此，研制生产价格低廉、外形小巧、功耗低、 稳定性高和操作方便等优点的非制冷红外热像仪具有重要的意义[8]尤其是在最近十 多年，非制冷红外热像仪的制造技术发展十分迅速非制冷红外热像仪通常采用凝 视型焦平面阵列，其主要分为两种，一种为基于微测辐射热计型，另一种为热释电 型。

其中，第一种的灵敏度比第二种的灵敏度要高出很多最近几年，市场上出现 了一些新的非制冷探测器，例如基于热光效应的非制冷探测器、硅绝缘体二极管非 制冷探测器和双材料微悬臂梁非制冷探测器等[9-11] 针对非制冷红外焦平面的非均匀。