一種基于FPGA的實時紅外圖像放大模塊

摘要：為了提高紅外成像系統(tǒng)圖像放大算法的資源利用率和實時性。在此基于傳統(tǒng)線性插值算法，充分考慮紅外探測器信號的輸出方式，并根據(jù)紅外成像平臺的結構特點。提出了一種適用于FPGA的改進型線性插值算法，該算法基于并行流水線方式實現(xiàn)，充分發(fā)揮了FPGA的高速并行處理能力。該算法已應用于工程實踐中，經(jīng)過大量的實驗和實際應用，穩(wěn)定可靠，成像質量較好。與以往傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法相比，圖像質量沒有變化，實時性得到了很大的提高，資源占用少，具有很大的創(chuàng)新性和實用性。
關鍵詞：紅外成像系統(tǒng)；圖像放大；插值；FPGA

紅外成像技術是目前非常有用的新型高科技，具有極強抗干擾能力，屬于被動式觀測裝備，隱蔽性很強。長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影響，具有多目標全景觀察、追蹤及識別能力，具有很廣闊的應用前景和價值。
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，在某些應用場合其分辨率很難滿足需要，必須對圖像進行放大。
圖像放大是一種常用的數(shù)字圖像處理技術，在日常社會生活的許多領域有著廣泛的應用，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實現(xiàn)。但隨著現(xiàn)場可編程門陣列技術的突飛猛進，F(xiàn)PGA也逐漸進入數(shù)字信號處理領域，尤其在實時圖像處理方面FPGA無可比擬的并行處理能力，所以國內外愈來愈多的實時處理應用都轉向了FPGA平臺。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實現(xiàn)，雖然其算法種類多樣，且圖像放大后的質量也比較高，但是，由于其運算時間往往較長，因此在某些實時性要求較高的數(shù)字圖像處理場合不宜采用軟件方法而適合采用硬件方法。硬件方法實現(xiàn)圖像放大，其處理速度可大大提高，不過，采用硬件實現(xiàn)時，由于資源非常有限，許多處理算法因過于復雜而無法通過硬件實現(xiàn)。目前在進行硬件圖像處理過程中，通常采用插值算法，利用圖像的像素點間存在著的相關性進行插值而實現(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
從計算量的角度來說，最近鄰插值是最簡單的插值。在這種算法下，每個插值輸出像素的值就是在輸入圖像中與其最臨近采樣點的值。算法的數(shù)字表示為：
f(x)-f(xk)，1／2(xk-1+xk)x1／2(xk+xk+1)
1．2 雙線性插值法
雙線性插值法的輸出像素時它在圖像中2×2鄰域采樣點的平均值，它根據(jù)某個像素周圍4個像素(m，n)，(m+l，n)，(m，n+1)，(m+1，n+1)的灰度值在水平和垂直2個方向對其插值。
設mim+1，njn+l，a=i-m，b=j-n，i’和j’是要插值的點的坐標，則雙線性插值的公式為：

把按照上式計算出來的值賦予圖像的幾何變換對應于處的像素，即可實現(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計算量也大。