基于DSP的夜视图像处理

西南科技大学毕业设计（论文）开题报告学院专业班级姓名学号题目基于DSP的夜视图像增强系统设计题目类型应用研究一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）1.1选题背景微光夜视系统在军事和民用方面都有重要用途，将高速数字信号处理技术用于微光视频图像的实时处理，是当前国内外非常关注的夜视技术领域中的重要课题。夜视设备是研究在夜间或低亮度条件下，用于扩展观察者视力范围以实现隐蔽观察的一种不可缺少的重要装备。近年来，数字图像处理技术广泛地应用于视频监控医疗检测图像通讯等领域。但在低照度的环境下，采集到的图像对比度和信噪比都很低，往往不能满足实际的需要。由于人眼的生理视觉特性，我们已知道人类的视觉会受到空间分辨率时间分辨率和频率分辨率的限制，通过对人类视觉的对比度分辨率的测量，发现人类的视觉还存在着对比度分辨率的限制。通过对低照度下的图像进行了对比度分辨率的补偿，能够有效地拓宽原图像灰度谱的范围挖掘出图像隐藏的信息。1.2选题目的及意义近年来，随着电子计算机技术的进步，计算机图像处理得到了飞跃的发展，己经成功的应用于几乎所有与成像有关的领域，并正发挥着相当重要的作用。它利用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得某种预期的结果。对图像进行处理时，常运用图像增强技术以改善图像的质量，增强对某种信息的辨识能力，以更好的应用于现代各种科技领域。图像增强技术的快速发展同它的广泛应用是分不开的，发展的动力来自稳定涌现的新的应用，我们可以预料，在未来社会中图像增强技术将会发挥更为重要的作用。在图像处理过程中，图像增强是十分重要的一个环节。夜视增强是在夜间或低亮度条件下，将不可见辐射加以转变或将微弱的夜光增强，成为人眼可以感受的可见光，应用于军事上进行隐蔽观察的光电技术，它主要用于夜间的侦察、照相、观察瞄准、车辆驾驶、装备修理、工程抢险和战地救护等。在民用上可用于天文观察、宇宙探测、航天航海等。在科技发展和军事应用上，夜视技术一直显得尤为重要。开展基于DSP的夜视图像处理技术研究，在当代军用和民用领域都具有很大的理论意义和实用价值。数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）在图像处理方面的应用十分广泛，用DSP芯片对图像进行处理，充分体现了它的优越性。TMS320DM642是TI公司推出的高速DSP，将其用于微光夜视图像的处理对提高系统的实时性具有重要的意义。本课题拟通过对夜视图像增强方法的研究并完成算法在DSP上的移植，起到巩固书本知识，拓展个人解决问题的能力。1.3国内外研究状况图像增强技术[1]的发展大致经历了初创期、发展期、普及期和应用期4个阶段。初创期开始于20世纪60年代，当时的图像采用像素型光栅进行扫描显示，大多采用中、大型机对其进行处理。在这一时期由于图像存储成本高，处理设备造价高，因而其应用面很窄。20世纪70年代进入了发展期，开始大量采用中、大型机进行处理，图像处理也逐渐改用光栅扫描显示方式[3]，特别是出现了CT和卫星遥感图像，对图像增强处理提出了一个更高的要求。到了20世纪80年代，图像增强技术进入普及期，此时的计算机已经能够承担起图形图像处理的任务。20世纪90年代进入了应用期，人们运用数字图像增强技术处理和分析遥感图像，以有效地进行资源和矿藏的勘探、调查、农业和城市的土地规划、作物估产、气象预报、灾害及军事目标的监视等。在生物医学工程方面，运用图像增强技术对X射线图像[4]、超声图像和生物切片显微图像等进行处理，提高图像的清晰度和分辨率。在工业和工程方面，主要应用于无损探伤、质量检测和过程自动控制等方面；在公共安全方面，人像、指纹及其他痕迹的处理和识别，以及交通监控、事故分析等都在不同程度上使用了图像增强技术。夜视图像增强是图像增强中的重要课题，通常夜视系统分为主动式红外夜视仪、红外热成像仪和微光夜视仪三大类[5]：1.主动式红外夜视仪主动式红外夜视仪具有成像清晰、制作简单，可在零照度下工作、获取的夜视图像清晰、观察距离等特点，例如半导体激光夜视成像系统由半导体激光器、脉冲激光激励源、发射光学镜头、接收光学镜头、低照度摄像机、处理器及选通控制电路组成，他是主动式红外夜视仪。但它的致命弱点是红外探照灯的红外光会被敌人的红外探测装置发现。本文主要是对其进行研究。用于车的夜视仪、野外观察、监视、隐蔽目标观测。它能够揭示出一个地区有没有人类活动过的痕迹——即便四周没有任何肉眼可见的明显标记。执法部门也能借此发现一些罪犯企图隐瞒的事证，包括赃款、毒品以及尸体等这能为一些案件提供重要线索。2.微光夜视仪夜间的月光、星光、银河系的亮光和大气辉光等，通称为“微光”。微光夜视技对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术，从而实现夜间观察的一种高科技产品。工作为方式为被动方式工作，因此自身隐蔽性好，对从事特殊工作的部门，如军事、刑侦、缉毒、缉私、夜晚监控、保卫等都是最为合适的。3.被动红外热成像仪被动红外热成像仪是根据高于原子的核外电子从高能轨道回到基态所释放出的电磁波能量，外界物体总是在不断向外发射红外线的基本原理，利用目标和背景自身辐射红外线的差异来发现和识别目标的仪器。由于被动夜视系统不使用照明光源，靠自然界的夜光或物体的红外辐射来探测目标，不发射红外光，不易被敌发现而且物体红外线辐射强度有所差异，从而使物体被清晰地观察到，而且不受烟、雾及树木等障碍物的影响，白天和夜晚都能工作。夜视技术的发展已有70多年的历史，它在军事上的应用开始于第二次世界大战。在海湾战争及伊拉克战争中，美军依靠夜间作战取得了绝对优势。目前夜视技术已经发展成为科技领域的一个重要分支。了解和掌握夜视技术，对加强国防建设以及保证未来战争的胜利都有十分重大的意义。从事微光图像增强器研究、生产与开发实力较强的厂商主要有:美国的ITT公司、Litton公司和荷兰的Delft公司以及法国的Photonics公司等。从越南战争到海湾战争,乃至北约轰炸南联盟,夜视技术在战争中的作用越来越被人们认识到。可以这样说,现代战争是科技力量的较量,谁在科技方面强大,谁就占上方。夜视技术不仅在军事上,而且在科学研究、民用部门等都有其用武之地。夜视技术一直是美国陆军大力发展的技术。美国在红外夜视[2]和微光夜视技术上一直在世界上居于领先地位，已于2000年在最新型埃布拉姆坦克和战车上安装横向技术集成型二代夜视红外系统。与国外相比，我国对夜视仪的研究起步较晚。经过30多年的发展，目前一代和二代微光管、微通道板和光线面板都形成批量生产能力。此外，北方夜视技术股份有限公司已能进行多种超二代像管的批量生产，相应的微光夜视仪性能也有较大幅度的提高。三代微光器件研发已获重大突破。但从总体上讲,我国与西方发达国家之间仍然存在一定的差距,特别是在半导体光电阴极发射材料与夜视器件方面,差别不小。在中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和一些高校的共同努力下，我国军用领域的夜视技术研究工作有了较快的发展，但在向民用领域扩展方面却一直没有做好。1.4参考文献[1]冈萨雷斯.数字图像处理(MATLAB版)[M].北京:电子工业出版社,2006:305[2]刘志才,李志广.红外热像仪图像处理技术综述[J].红外技术,2000,22(6):27-32.[3]张小军,赵亦工.红外焦平面阵列非均匀性校正的综合处理算法[J].红外技术,2003,3（25）:34-38.[4]杨吉.非制冷红外成像系统实时图像处理研究[D].南京:南京理工大学,2005.[5]徐航.基于DSP的夜视图像处理研究[D].长春：长春理工大学，2008.[6]曾义芳.DSP开发应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:234-243.[7]李武森,迟泽英,陈文建.高速DSP图像处理系统中的乒乓缓冲结构研究[J].光电子技术与信息,2005.18(3):76-79.[8]汪志云,黄梦为.基本直方图的图像增强及其MATLAB实现[J].计算机工程与科学,2006,28(2):54-56.[9]MooneyJM.1/fnoisemeasurementonPtSifocalplanearrays[C]//ProceedingsofSPIE,1990,1308:122-131.[10]RogalskiA.Infrareddetectors[J].Anoverview.InfraredPhysics&Technology.2002,43:187-210.[11]DavidCalcutt,FredCowan,HassanParchizadeh8051InstruchtionSet.8051MicrocontrollerAnApplicationsBasedIntroduction[M].October2007：226-232.二主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程2.1研究目标1、用线性分段增强、直方图均衡化方法实现夜视图像的优化处理；2、熟练使用DSP，并用其实现夜视图像处理；2.2研究内容1、了解夜视图像增强算法现状和发展趋势；2、熟悉图像增强的基本方法，掌握线性分段增强、直方图均衡化方法的原理与实现方法；3、熟悉DM642芯片的性能特点和使用原理；4、在PC上使用自己喜欢的开发环境进行算法仿真实验；5、给出DSP系统总体设计方案，完成算法在DSP上的移植；2.3主要设计思想及工作流程：2.3.1设计思想此设计主要是用数字处理器DSP进行图像处理，此次研究的是夜视图像的增强处理。图像增强基本方法主要有对比度增强法、直方图均衡化、平滑噪声和锐化等，而本次设计主要研究线性分段增强、直方图均衡化方法。我首先应该将线性分段增强和直方图均衡化的原理搞懂，由于MATLAB这款软件的功能强大而且用起来也比较方便，所以我决定用它来进行仿真，然后再将其移植到DSP上。2.3.2工作流程此次设计的工作流程图如下：图1工作流程图2.3.2学习线性分段增强的原理分段线性变换是将图像的值域分成多个不同的线性变换的一种算法。设原图像f(x,y)在[0，Mf],感兴趣目标的灰度范围在[a,b],欲使其灰度范围拉伸到[c,d],则对应的分段线性变换表达式为MfjifbdbjifbMfdMgbjifacajifabcdajifjifacjig),(]),()][/()[(),(),()/()(),(0),()/(),(图2分段线性变换对灰度区间[a,b]进行线性拉伸，而灰度区间[0，a]和[b,Mf]则被压缩。通过调整折线拐点的位置及控制分段直线的斜率，可对任一灰度区间进行拉伸或压缩。经过分析题目查找资料学习线性分段增强的原理学习直方图均衡化原理MATLAB上仿真将仿真移植到DSP分段线性变换后，可使所关心的图像细节的灰度范围得以扩展，增强其对比度；同时，又使不关心的图像细节的灰度范围得以压缩，降低其对比度。采用这种分段线性变换，变换前后整幅图像总的灰度范围是不变的。2.3.3学习直方图均衡化方法的原理直方图均衡化是将原图像的直方图通过变换函数修正为均匀的直方图，然后按均衡直方图修正原图像。就是把一副已知灰度概率分布的图像，经过一种变换，使之演变成一幅具有均匀概率分布的新图像。当图像的直方图为均匀分布时，图像的信息熵最大，此时图像包含的信息量最大，图像就显得明亮清晰。这样就增加了图像灰度值的动态范围，从面达到了增强图像整体对比度的效果。直方图均衡化算法有一个变换公式，对于离散图像,假定数字图像中的总像素为N,灰度级总数为L个,第k个灰度级的值为rk的像素数目为nk,表达式为：利用上式对图像的灰度值做变换,即可得到直方图均衡化后的图像。2.3.4在MATLAB上实现线性分段增强和直方图均衡化MATLAB是一款功能非常强大的软件，于是我决定用它来进行仿真。MATLAB的库函数中已经自带了各种图像处理函数，于是我首先查阅资料，找到线性分段增强和直方图均衡化相关的函数，并学习其的使用方法，然后选择一副夜视图像在MA