红外成像系统的图像细节增强算法研究

作     者：袁苇航 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓立儿;李宋泽

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：高动态范围红外图像 细节增强 图像去噪 FPGA 

摘      要：由于红外热辐射信号产生的红外图像呈现出高动态范围,目标细节模糊,整体对比度降低,噪声明显等特点,在工程应用的背景下无法满足项目的实际需求。因此如何保留红外图像中丰富的细节信息以及提升高动态范围红外图像在传统显示器上的显示效果是目前红外成像技术发展急需解决的问题。本文的研究目的是红外图像细节增强以及动态范围压缩的算法实现,该算法将对图像中的细节信息进行保持和增强,避免引入各种噪声,为后续主观视觉观察或机器处理提供便利。首先,本文在国内外研究现状的基础之上对红外图像相关的主流算法进行了理论分析,并对其中所对应的算法原理和关键技术进行了深入研究。其后通过对红外图像算法进行实验仿真总结出相对应的优缺点及技术局限性,为后期本文算法性能评估确立参照。其次,针对目前算法中图像边缘区域出现的光晕伪影现象,采用基于单尺度Retinex理论模型以及改进加权引导滤波的红外图像算法进行处理。该算法采用分层处理将原始图像分解为照射分量和反射分量,利用线性映射和直方图均衡化的方法来增强照射分量的对比度以及边缘信息,同时在局部方差加权引导滤波中引入边缘权重因子来增强反射分量的局部边缘信息,将各分量图像进行融合得到最终增强后的红外图像。通过选取红外公开数据集图像来进行主观视觉评价和客观技术指标量化两种方法的实验分析。主观视觉评价中本文算法的边缘细节保持以及图像质量更为出色,信息熵、平均梯度两种客观评价指标相较于其他算法以平均值为6.7341和14.6655的结果也明显优于其他算法,因此得出该方法在图像细节增强方面具有优越性和鲁棒性的结论。针对真实场景下图像噪声会导致图像质量降低的问题,采用改进的两阶段非局部均值滤波算法进行图像去噪。该方法利用图像的结构相似性参数对非局部均值滤波算法的欧氏距离进行改写,针对滤波后存在的图像模糊失真等问题定义了一种新的权重系数对传统非局部均值滤波算法进行改进。依据主观视觉评价和客观指标评价进行实验分析可得,在主观视觉方面本文算法更为符合人眼视觉特性,在峰值信噪比PSNR和结构相似度SSIM两种客观指标下的平均值为31.2723和0.8299,相较于其他的去噪算法在抑制噪声和图像细节保持方面也更为优异。最后根据实际工程应用中红外图像增强算法的硬件设计问题,利用FPGA技术通过选取核心处理器平台来实现硬件平台的设计以及对本文算法进行硬件移植。通过实验验证了FPGA平均资源使用率为37%的情况下本文系统在图像的视觉效果增强方面获得了与软件平台几乎相同的图像处理质量,同时该系统也保持了良好的可移植性和更多潜在的升级空间。