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基于FPGA的制冷型红外成像系统关键算法研究

摘要

在红外成像技术日新月异的当下，制冷红外探测器在军事、工业、医疗和交通等领

域得到了重要应用。然而，制作这些制冷红外探测器所用材料以及生产工艺的缺陷会严

重影响红外图像的质量，导致红外图像出现明显的非均匀性、影响整体成像效果的图像

噪声以及图像中的细节不清晰等问题。随着FPGA芯片的高速发展，其在数据并行操作

和多级流水线方面的优势，对于需要实时高速处理的以帧为单位的红外图像数据处理提

供了新的硬件实现平台。这就使得在FPGA平台上进行红外图像处理来改善制冷红外探

测器成像效果的研究具有非凡的意义。本文结合仿真平台分析算法效果，在FPGA上完

成相应算法设计，展开制冷型红外成像系统的关键算法研究，主要内容如下:

（1）针对读出电路制作工艺水平的制约所引起的竖纹非均匀性噪声，提出一种基

于引导滤波模板的去竖纹算法。该算法在引导滤波去竖纹算法的基础上，对初步噪声模

板进行均值滤波得到竖纹噪声更加清晰的噪声模板，与输入图像相减得到竖纹非均匀性

校正后的输出图像。通过与同类去竖纹算法对比，发现该算法在竖纹非均匀性噪声去除

方面有明显的效果，同时实现了对边缘信息的有效保护。

（2）针对由于红外焦平面上有缺陷的像元所引起的噪声点，提出了基于四方向的

拉普拉斯算子判定的去噪算法。该算法将改进的四方向拉普拉斯算子模板卷积绝对值的

最小值与设定阈值T比较来进行噪声检测，大于阈值T的像素判定其为为孤立噪声点，

用中值滤波去除；其它小于阈值T的像素，则判定为较平滑的区域和边缘细节区像素，

无需进行处理。通过与同类去噪算法对比，发现该算法可以有效的检测并去除噪声，同

时具有较好的细节信息保护能力。

（3）针对图像出现细节模糊、纹理不清晰需要增强且其他增强算法容易将噪声一

并增强等问题，提出了基于图像分层的红外图像增强算法。该算法首先通过双通道引导

滤波器的图像分层方法将图像分为基础层和细节层。然后分别对基础层进行直方图均衡

化提升对比度；对细节层采用伽马变换增强细节纹理。最后通过线性加权融合方法，将

处理后的背景层和处理后的细节层图像融合得到增强后的红外图像。与同类增强算法对

比后，发现该算法处理后的图像目标区域的轮廓特征更加突出，细节纹理更加清晰可见，

图像整体的视觉效果更佳。

关键字：红外图像处理；非均匀性校正；图像去噪；图像增强；引导滤波

基于FPGA的制冷型红外成像系统关键算法研究

Abstract

Withtherapiddevelopmentofinfraredimagingtechnology,cooledinfrareddetectors

havebeenusedinmilitary,industrial,medicalandtransportfields.However,defectsinthe

materialsusedtomakethesecooledinfrareddetectorsandtheproductionprocesscan

seriouslyaffectthequalityofinfraredimages,resultingininfraredimageswithobviousnon-

uniformity,imagenoisethataffectstheoverallimagingeffect,anduncleardetailsinthe

imageandotherproblems.WiththerapiddevelopmentofFPGAchips,itsadvantagesindata

paralleloperationandmulti-stagepipeline,fortheneedforreal-timehigh-speedprocessingof

infraredimagedataprocessinginunitsofframeprovidesanewhardwareimplementation

platform.Thismakestheresearch