專利名稱：紅外小目標檢測的圖像預處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像識別中的圖像預處理技術(shù)，具體涉及一種紅外小目標檢測的圖像預處理裝置。它針對高分辨率紅外圖像(1024*768以上)，使用FPGA接收源圖像數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)分割，圖像濾波和壓縮編碼等功能，且具有抗背景光干擾的能力，從而極大地降低了后續(xù)處理的數(shù)據(jù)量，使得紅外小目標檢測算法得以實時實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
目標檢測識別技術(shù)廣泛的應用于軍事、醫(yī)學、工業(yè)控制等領(lǐng)域?；诨叶葓D像的目標檢測識別技術(shù)是目標識別技術(shù)中的一個重要分支，特別是在紅外等圖像中，目標往往會與背景呈現(xiàn)較大的灰度差異，或者是個區(qū)域亮斑，或者是個區(qū)域暗斑。為了更加有效的檢測紅外小目標，常會對圖像進行一系列預處理，增強目標的特性，提高目標的檢測概率，常用的圖像預處理方法有1.灰度拉伸。對圖像的灰度進行拉伸，增大目標與背景間的灰度差異，方便對目標的檢測，但是，灰度拉伸無法增大目標的噪聲之間的灰度差異，也就是無法降低噪聲對目標的影響，而且灰度拉伸往往需要圖像的灰度統(tǒng)計值，增加算法的計算量。
2.濾波。這也是最常用的圖像預處理方法，對圖像進行濾波處理可以有效抑制背景噪聲，增強目標的邊緣特性，增強目標和背景的對比度，迄今為止，針對點目標檢測，人們已經(jīng)發(fā)展了一系列比較成熟的濾波預處理算法，如最小均方誤差濾波、高通濾波、空間匹配濾波、形態(tài)學濾波、基于模糊理論的濾波、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的濾波以及基于小波變換的濾波等等，參見《紅外》2006年第27卷第4期，中國科學院上海技術(shù)物理研究所俞建成等人的《紅外圖像中小目標檢測研究》。各種濾波器都有其優(yōu)點和其應用領(lǐng)域，而不管使用那種濾波方法，帶來的都是大計算量，由于是對全圖做處理，還需要很大的存儲空間，對處理系統(tǒng)的要求比較高。
另外，在一個以DSP為核心的紅外小目標識別系統(tǒng)中，使用DSP來完成整個目標檢測運算，還會有許多弊病1.成像傳感器的圖像輸出速度相對于DSP的處理速度來說通常很慢，而且在輸出圖像時還會有行消隱和場消隱時間，十分影響DSP的處理效率；2.隨著紅外探測器件的發(fā)展，圖像的分辨率越來越高，一幅圖像的數(shù)據(jù)量相對于DSP的內(nèi)存來說通常很大，DSP的內(nèi)存是非常寶貴而且昂貴的資源，通常是無法將一幅圖像存儲在內(nèi)存中處理，而把圖像存儲在外存中影響DSP的處理速度，還會增加系統(tǒng)成本；3.DSP在對圖像進行分割和標記處理的時候設(shè)計許多判斷指令，而判斷指令也是DSP處理效率最低的指令，會打斷DSP的流水線處理，使得DSP的處理效率變得非常低下。
這些都說明了，使用DSP直接進行紅外小目標檢測效率會非常低下，而且當圖像分辨率較高，圖像數(shù)據(jù)量非常大、處理速度要求非?？斓膽脠龊?，常規(guī)DSP往往還不能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，目的在于緩解DSP的壓力，提高DSP的處理效率，從而降低系統(tǒng)對DSP性能的要求，降低系統(tǒng)成本。
本發(fā)明的一種紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，包括圖像接收、分割模塊，閾值生成模塊以及濾波模塊，其特征在于，它還包括編碼模塊及緩沖模塊，各模塊之間的連接關(guān)系為圖像接收、分割模塊根據(jù)閾值生成模塊得到的閾值在接收圖像的同時對圖像進行二值化分割，結(jié)果送到濾波模塊進行濾波，再送到編碼模塊對圖像進行編碼；圖像接收、分割模塊和濾波模塊之間、濾波模塊和編碼模塊之間具有緩沖模塊；(1)圖像接收、分割模塊在接收圖像的同時對圖像進行二值化分割，通過選取合適的閾值將紅外小目標和背景分割開；(2)閾值生成模塊依據(jù)上一幀圖像灰度值統(tǒng)計得出閾值，適應圖像亮暗變化，得到動態(tài)的閾值；(3)濾波模塊對分割后的圖像進行濾波，濾除噪聲；(4)編碼模塊采用游程編碼對濾波后圖像進行編碼，壓縮圖像數(shù)據(jù)；(5)緩沖模塊用以平衡各個模塊之間的處理速度，充分利用輸入圖像的行消隱時間和場消隱時間，保證整個處理過程在一幀圖像的傳送過程中就能夠完成。
所述的紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，其特征在于，所述圖像接收、分割模塊，閾值生成模塊、濾波模塊及編碼模塊利用FPGA內(nèi)部的可編程的邏輯單元生成，緩沖模塊利用FPGA內(nèi)嵌的先進先出存儲器。
所述的紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，其特征在于，在用FPGA實現(xiàn)時，所述圖像接收、分割模塊由一個比較器構(gòu)成；閾值生成模塊由4個比較器+計數(shù)器構(gòu)成；編碼模塊由比較器+計數(shù)器構(gòu)成。
本發(fā)明使用FPGA完成圖像的分割、濾波和壓縮編碼，在圖像接收的同時完成全部處理，節(jié)約了大量的處理時間。采用動態(tài)閾值的二值化分割，能夠有效的隨圖像的灰度變化調(diào)節(jié)分割閾值，達到正確分割目標的目的。采用游程編碼，能夠直接反映出目標的大小信息，通過簡單的判斷就能夠區(qū)分目標、背景和干擾物。壓縮后的圖像數(shù)據(jù)量非常小，大大節(jié)約了后續(xù)處理所需的存儲空間。
本發(fā)明針對高分辨率(1024*768以上)灰度圖像紅外小目標檢測處理，使用FPGA對圖像進行分割、壓縮和編碼，編碼后的結(jié)果對于紅外小目標檢測識別算法的處理也十分有利，較之以前使用DSP完成上述工作，能夠大大提高系統(tǒng)的性能，減小系統(tǒng)對高性能DSP及大容量存儲器的依賴，減少系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)效率。


圖1是本發(fā)明的實施例整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是典型灰度圖像中目標和背景的灰度統(tǒng)計直方圖；圖3、圖4是成像期間圖像輸出的時序圖；圖5是圖像輸入、分割模塊的示意圖；圖6是閾值生成模塊的基本構(gòu)成示意圖；圖7是編碼模塊的基本構(gòu)成示意圖；具體實施方式
本發(fā)明實施例是使用一片Alter公司的Cyclone系列FPGA(EP1C6)來實現(xiàn)，如圖1所示，各個模塊的具體實現(xiàn)如下(1)圖像接收、分割模塊如圖5所示，主要由一個比較器構(gòu)成，圖像的行同步(LINE_VALID)和場同步(FRAME_VALID)信號作為比較器的使能端，象素時鐘(PIXCLK)作為比較器的觸發(fā)時鐘，輸入的圖像數(shù)據(jù)(DATA_IN)和閾值(THRESHOLD)就是比較器的輸入，比較器的輸出(DATA_OUT)就是分割后的結(jié)果，由一個FPGA內(nèi)嵌的FIFO緩存。
(2)閾值生成模塊，是由4個如圖6所示的比較器+計數(shù)器構(gòu)成，每一個比較器+計數(shù)器分別統(tǒng)計圖像在81～120，121～160，161～200，201～255灰度區(qū)域的象素個數(shù)，然后根據(jù)統(tǒng)計的象素點個數(shù)(COUNT_OUT)最大的區(qū)域，找出圖象中最亮干擾在什么區(qū)域中，以此定出分割閾值，如果象素最多的區(qū)域象素個數(shù)大于2048個，則上述4個區(qū)域分割閾值對應為100，160，200，240。否則分割閾值為80。
(3)濾波模塊濾除了芝麻噪聲，使用中值濾波，如101濾波后變成111，010濾波后變成000，主要功能是減少噪聲對編碼和目標檢測的影響。
(4)編碼模塊的實現(xiàn)如圖7所示，也是一個比較器+計數(shù)器，輸入是二值化后的圖像數(shù)據(jù)(DATA_IN)，與之相比較的是上一個圖像數(shù)據(jù)值(B輸入端)，如果相等計數(shù)器加1，如果不等就輸出當前碼值，開始新一個碼字的編碼過程，比較器的使能端(DATA_VALID)是與FIFO的非空標志位相連，輸出結(jié)果(DATA_OUT)送往緩存。編碼模塊使用游程編碼對濾波后的結(jié)果進行壓縮編碼，編碼后的碼字為16位，最高位記錄了象素值(0或1)，低15位為計數(shù)值。
(5)緩沖FIFO模塊使用FPGA內(nèi)嵌的存儲器塊實現(xiàn)，在FPGA開發(fā)工具中直接調(diào)用。
(6)使用本發(fā)明對圖像預處理后，使用一片TI公司的Media ProcessingUnit系列DSP TMS320DM642來實現(xiàn)圖像處理的功能，數(shù)字多媒體處理器DM642是TI公司C6000系列的一款新型高性能DSP，基于C64x內(nèi)核，具有64個32位通用寄存器，8個獨立計算功能單元(2個乘法器，6個算術(shù)邏輯單元)可以并行運行。該DSP可在600MHz時鐘速率運行，每個指令周期可并行運行8條32位指令，因此可達4800MIPS的峰值計算速度。原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過本發(fā)明預處理后，通過FIFO接口傳輸給DSP處理，經(jīng)過DSP內(nèi)的硬件計時器的多次測量，圖像處理算法的運行時間為0.5ms。如果不使用本發(fā)明的裝置進行處理，該圖像處理算法的運行時間為48.5ms，兩相比較，使用本發(fā)明后，DSP的處理任務(wù)大大降低，可以節(jié)省出大量的處理指令周期來運行更復雜的算法或者選用較低性能的DSP。
由于紅外小目標和背景往往會呈現(xiàn)一定的灰度差異，如圖2是典型灰度圖像中紅外小目標和背景的灰度統(tǒng)計直方圖，通過選取合適的閾值可以將紅外小目標和背景分割開。
處理圖像大小為1024×768×10bit，象素時鐘48MHZ，每秒鐘處理50幀圖像，圖3、圖4顯示了系統(tǒng)所使用成像芯片輸出圖像數(shù)據(jù)時的時序圖，圖3顯示的是象素時鐘(PIXCLK)、輸出數(shù)據(jù)(DOUT)和行同步信號(LINE_VALID)的時序關(guān)系，圖4顯示的是行同步信號(LINE_VALID)和場同步信號(FRAME_VALID)的時序關(guān)系，圖像中需要識別的目標是一個亮斑(目標灰度大于背景灰度)，目標大小和灰度的范圍已知。
權(quán)利要求
1.一種紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，包括圖像接收、分割模塊，閾值生成模塊以及濾波模塊，其特征在于，它還包括編碼模塊及緩沖模塊，各模塊之間的連接關(guān)系為圖像接收、分割模塊根據(jù)閾值生成模塊得到的閾值在接收圖像的同時對圖像進行二值化分割，結(jié)果送到濾波模塊進行濾波，再送到編碼模塊對圖像進行編碼；圖像接收、分割模塊和濾波模塊之間、濾波模塊和編碼模塊之間具有緩沖模塊；(1)圖像接收、分割模塊在接收圖像的同時對圖像進行二值化分割，通過選取合適的閾值將紅外小目標和背景分割開；(2)閾值生成模塊依據(jù)上一幀圖像灰度值統(tǒng)計得出閾值，適應圖像亮暗變化，得到動態(tài)的閾值；(3)濾波模塊對分割后的圖像進行濾波，濾除噪聲；(4)編碼模塊采用游程編碼對濾波后圖像進行編碼，壓縮圖像數(shù)據(jù)；(5)緩沖模塊用以平衡各個模塊之間的處理速度，充分利用輸入圖像的行消隱時間和場消隱時間，保證整個處理過程在一幀圖像的傳送過程中就能夠完成。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，其特征在于，所述圖像接收、分割模塊，閾值生成模塊、濾波模塊及編碼模塊利用FPGA內(nèi)部的可編程的邏輯單元生成，緩沖模塊利用FPGA內(nèi)嵌的先進先出存儲器。
3.如權(quán)利要求2所述的紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，其特征在于，在用FPGA實現(xiàn)時，所述圖像接收、分割模塊由一個比較器構(gòu)成；閾值生成模塊由4個比較器+計數(shù)器構(gòu)成；編碼模塊由比較器+計數(shù)器構(gòu)成。
全文摘要
紅外小目標檢測的圖像預處理裝置，屬于圖像識別中的圖像預處理技術(shù)，目的在于緩解DSP壓力，提高DSP處理效率，從而降低系統(tǒng)對DSP性能要求，降低成本。本發(fā)明包括圖像接收、分割模塊，閾值生成模塊，濾波模塊，編碼模塊及緩沖模塊，圖像接收、分割模塊根據(jù)閾值生成模塊得到的閾值在接收圖像的同時對圖像進行二值化分割，結(jié)果送到濾波模塊進行濾波，再送到編碼模塊對圖像進行編碼；圖像接收、分割模塊和濾波模塊之間、濾波模塊和編碼模塊之間具有緩沖模塊；本發(fā)明針對高分辨率灰度圖像紅外小目標檢測處理，編碼后的結(jié)果對于識別算法的處理十分有利，能夠大大提高系統(tǒng)的性能，減小系統(tǒng)對高性能DSP及大容量存儲器的依賴，減少系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)效率。
文檔編號G06K9/54GK101064010SQ20061016653
公開日2007年10月31日 申請日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者曹治國, 鐘勝, 陳華, 錢凱, 胡佳 申請人:華中科技大學