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《重庆大学》 2004年
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红外焦平面阵列实时非均匀性校正研究

代少升  
【摘要】:红外成像技术具有广阔的应用前景,特别是在军事领域的应用。红外焦平面成像系统是红外成像技术发展的趋势,研制小型化、便携式、高清晰度红外焦平面成像系统将具有重要的意义。课题来源于国家自然科学基金项目(60077025)。 论文首先阐述了红外焦平面成像技术的国内外发展现状,分析了未来的发展趋势,最后强调了自行研制红外成像系统的意义。 实时的获取高质量红外图像已成为红外成像技术领域中的一个重要课题。由于红外焦平面阵列在红外成像技术中的广泛应用,其各阵列元响应的非均匀性严重限制了红外成像系统的成像质量,因此对红外焦平面阵列进行实时非均匀性校正,获取高质量的红外图像成为红外成像技术应用的关键之一。本文在研究红外焦平面阵列实时非均匀性校正之前,首先建立了红外图像的实时处理平台。实时处理平台是基于PC 机及DSP高速数字信号处理板构成的主从式结构系统。PC机做主机,主要负责数字图像的实时显示和整个系统的同步控制;DSP高速数字信号处理板做从机,主要负责图像信号的实时采集和图像数据的实时处理。为了提高成像系统的实时性能提出了利用DMA进行数据拼接传输的新方案,该方案的实现不仅提高了数据传输的效率,同时也提高了系统存储资源的利用率。数据传输效率的提高,有效地缓解了实时图像处理系统中数据传输的瓶颈;存储器利用率的提高,可以使大量的图像数据存放在DSP内存,这样可以避免DSP访问慢速外存时必需产生的软件等待,数据的读取速度会大大加快。因此利用DMA进行数据拼接传输可以有效地提高图像数据的传输和处理速度。 在建立红外图像实时处理平台的基础上,进行了红外焦平面阵列实时非均匀性校正算法研究。具体内容包括两点实时校正、多点实时校正、多点压缩实时校正。本文对常用的实时非均匀性校正算法进行了深入地研究,并在此基础上,提出了多点实时压缩校正的新方法。多点实时压缩校正首先需要对多点标定数据进行压缩,数据经过压缩后,减少了数据量,数据量的减少简化了复杂的校正算法,因此DSP执行算法的速度得到了有效地提高。经过对三种校正方法的图像校正效果、实时校正速度及校正后图像的残余非均匀性进行比较,验证了本文提出的多点实时压缩校正不仅具有两点校正的运算量小、DSP处理速度快、实时校正容易实现等优点,而且具有多点校正的图像清晰度及较小残余非均匀性的优点。在对红外焦平面阵列进行校正的基础上,又进行了红外 WP=6 图像的增强处理。由于红外图像具有对比度低、视觉效果模糊等缺点,经过校正后的红外图像质量虽然有所提高,但仍然满足不了使用要求。红外焦平面阵列经过校正后其像元的响应范围很难覆盖[0, 255]整个区间,限制了红外图像质量的进一步提高;由于无效像元不能被校正,死像元引起的黑点和过热像元引起的白点干扰了图像的视觉效果,这些经过校正后的图像仍然存在的不足只能通过图像增强处理的方法来弥补。本文在红外焦平面阵列非均匀性校正的基础上进行了图像的增强处理,能够有效地提高红外图像的对比度,改善红外图像的视觉效果,对提高红外成像系统的成像质量具有现实意义。 根据课题的需要本文研制了一套嵌入式图像处理系统。该系统具有小型化、便携式、低功耗、低成本的特点。系统包括图像信号的预处理模块、图像信号的采集模块、可编程逻辑电路模块、高速信号处理模块及图像显示模块。由于系统中选用了高速A/D,可以满足不同频率信号的采集要求;同时对视频信号的预处理电路进行了通用化设计;再加上逻辑器件具有灵活的可编程性,可以对不同像元数的图像传感器进行采集控制,因此该嵌入式图像处理系统是一套通用的图像处理平台。现在系统已初步调试成功,并能获得清晰的图像。 本文从实时系统的数据传输方法和核心校正算法两个方面进行了创新性地研究。第一、提出了利用DMA进行数据拼接传输的新方案。该方案的实现不仅提高了图像数据传输效率,同时由于DMA具有独立于CPU进行后台数据传输能力,从而实现了图像采集,数据处理和图像显示高度并行进行。第二、提出了多点压缩校正的新方法。该校正方法将数据压缩和多点校正相结合,不仅提高了实时校正的速度而且实现了较高的校正精度,很好地满足了红外成像系统实时非均匀性校正的需要。 总之,通过本文的研究,达到了对红外焦平面阵列进行实时非均匀性校正的目的,同时研制了一套基于DSP的嵌入式图像处理系统,为下一步嵌入式红外成像系统的产品化奠定了坚实的基础。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN21

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