基于FPGA的實(shí)時(shí)紅外圖像放大模塊

　　紅外成像技術(shù)是目前非常有用的新型高科技，具有極強(qiáng)抗干擾能力，屬于被動(dòng)式觀測(cè)裝備，隱蔽性很強(qiáng)。長(zhǎng)波紅外可不受煙霧等的影響，分辨率高。另外，紅外成像不受地面和海面的多徑效應(yīng)影響，具有多目標(biāo)全景觀察、追蹤及識(shí)別能力，具有很廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值。

　　本文采用的紅外系統(tǒng)為凱邁廣微160×120系列，由于原始圖像大小為160×120，在某些應(yīng)用場(chǎng)合其分辨率很難滿足需要，必須對(duì)圖像進(jìn)行放大。

　　圖像放大是一種常用的數(shù)字圖像處理技術(shù)，在日常社會(huì)生活的許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因此數(shù)字圖像的放大是圖像處理的基本操作之一。數(shù)字圖像放大多用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列技術(shù)的突飛猛進(jìn)，FPGA也逐漸進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其在實(shí)時(shí)圖像處理方面FPGA無(wú)可比擬的并行處理能力，所以國(guó)內(nèi)外愈來(lái)愈多的實(shí)時(shí)處理應(yīng)用都轉(zhuǎn)向了FPGA平臺(tái)。本文正是介紹了一種基于FPGA的固定倍率紅外圖像放大模塊。

　　1 圖像放大算法

　　目前圖像放大處理通常都采用軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然其算法種類(lèi)多樣，且圖像放大后的質(zhì)量也比較高，但是，由于其運(yùn)算時(shí)間往往較長(zhǎng)，因此在某些實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)字圖像處理場(chǎng)合不宜采用軟件方法而適合采用硬件方法。硬件方法實(shí)現(xiàn)圖像放大，其處理速度可大大提高，不過(guò)，采用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于資源非常有限，許多處理算法因過(guò)于復(fù)雜而無(wú)法通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。目前在進(jìn)行硬件圖像處理過(guò)程中，通常采用插值算法，利用圖像的像素點(diǎn)間存在著的相關(guān)性進(jìn)行插值而實(shí)現(xiàn)圖像的放大。常用的差值算法包括最近鄰域插值法(Nearest Neighbor Interpolation)，雙線性插值法(Linear Interpolation)，雙三次插值法(Bieubie interpolation)。

　　1.1 最近鄰域插值法

　　從計(jì)算量的角度來(lái)說(shuō)，最近鄰插值是最簡(jiǎn)單的插值。在這種算法下，每個(gè)插值輸出像素的值就是在輸入圖像中與其最臨近采樣點(diǎn)的值。算法的數(shù)字表示為：

　　f(x)-f(xk)，1/2(xk-1+xk)

　　1.2 雙線性插值法

　　雙線性插值法的輸出像素時(shí)它在圖像中2×2鄰域采樣點(diǎn)的平均值，它根據(jù)某個(gè)像素周?chē)?個(gè)像素(m，n)，(m+l，n)，(m，n+1)，(m+1，n+1)的灰度值在水平和垂直2個(gè)方向?qū)ζ洳逯怠?/p>

　　設(shè)m

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　　把按照上式計(jì)算出來(lái)的值賦予圖像的幾何變換對(duì)應(yīng)于處的像素，即可實(shí)現(xiàn)雙線性插值。

　　1.3 雙三次插值法

　　雙三次插值的插值核為三次函數(shù)，其插值鄰域的大小為4×4。它的插值效果比較好但相應(yīng)計(jì)算量也大。

　　1.4 本文采用的算法

　　上述3種圖像插值算法中最近鄰插值放大實(shí)現(xiàn)最為簡(jiǎn)單，處理速度快，但它只是把原始像素簡(jiǎn)單的復(fù)制到其鄰域內(nèi)，放大圖像就會(huì)出現(xiàn)明顯的方塊或鋸齒，不能很好地保留原始圖像的邊緣信息。雙三次插值算法的視覺(jué)效果最好，但計(jì)算復(fù)雜開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，占用的硬件資源較大，不符合本系統(tǒng)的資源要求。使用雙線性插值能夠較好地消除鋸齒，保留原始圖像的邊緣信息，放大后的圖像較平滑，且有較好的視覺(jué)效果。本文選取改進(jìn)型的線性插值(2×1鄰域和1×2鄰域)作為最終實(shí)現(xiàn)方案。如圖1所示，實(shí)心表示原始像素，空心表示放大后的圖像。本文采用的算法數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

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