基于FPGA水下激光距离选通成像处理

摘要：水下激光距离选通成像中要对水下距离选通图像进行增强处理。水下图像通常具有噪声大、对比度差、照度不均匀的特点。通过分析水下图像的成像特点，针对引起图像降质的因素进行增强算法设计，提出了基于帧叠加去噪与双平台直方图变换相结合的视频增强算法。可实现目标信息增强的同时抑制背景，将目标和背景区别处理。算法以Xilinx 公司的XC5VLX50T 系列FPGA 芯片为核心，使用到了软核Microblaze、片内BLOCKRAM、外部SRAM 等资源设计硬件系统，并已在水下选通成像系统中得到有效应用。

 

0 引言

水下激光距离选通成像技术是当下较为成熟的水下光电成像技术之一，对于提高水下成像系统的成像质量具有良好的效果。水下距离选通成像技术的应用，可以将水下光电成像设备的探测距离提高3～5倍。在水下激光距离选通技术的基础上，选取适当的水下图像增强技术，将会使整个选通成像系统的成像质量得到大幅提升[1-3]。实时视频增强技术在水下激光距离选通成像设备上的应用，对激光选通成像技术的小型化应用有着非常重要的意义。

1 水下选通图像特点分析

水下距离选通图像通常存在噪声量大、对比度差、照明不均匀的特点。①噪声量大：ICCD 中像增强管的使用虽然起到了图像增强效果，但也为选通图像引入了一定的电噪声和光学噪声[4]。②对比度差：当距离选通成像设备达到探测极限时，尽管距离选通图像上目标区域的灰度值和背景区域的灰度值具有一定的差异，但由于差异过小、对比度较差，人眼很难直接区分。③照明不均匀：当激光照明光斑面积小于目标面积时，光斑内的目标会非常明亮，光斑外由激光的前向散射光照亮的区域则会显得异常暗淡，不利于人眼观察。

2 水下距离选通图像增强算法仿真、对比

2.1 双平台直方图均衡化算法

直方图均衡化是从直方图数据的角度，对原始图像的对比度进行调整。这种方法多用来提高图像的局部对比度，当图像的灰度分布较集中时，该处理方法效果最为明显。

双平台直方图均衡化[5]是直方图均衡化算法的优化算法，该方法的特点是在统计直方图时，对特定灰度级上的像素点个数设置2 个阈值，该阈值称为平台值，即：

式中：k 为当前统计到的灰度级；P(k)为直方图统计表中的累计直方图；nk 为某个灰度级上的像素点个数；Nth1、Nth2 为平台阈值；Np 为使用平台法处理后的平台像素总数（平台像素总数并不等同于实际图像像素数N）。其中，阈值Nth1 用于抑制背景，当某个灰度级像素个数超过该阈值时，算法认为此灰度对应的是背景。此时，该灰度级的统计数将维持在Nth1不变，以减小该灰度值对直方图的影响。阈值Nth2用于防止细节信息丢失，当某个灰度级上像素个数小于阈值Nth2 时，算法认为该部分灰度是有效细节信息部分。此时，该灰度级的统计数将被提升到Nth2，从而增大该灰度值对直方图的影响。

在对比度较差的水下激光距离选通图像处理时，阈值Nth1 起主要作用；在照明不均匀的距离选通图像处理时，阈值Nth1 用于抑制背景，阈值Nth2 用于减少激光光斑内的细节信息丢失。

2.2 增强仿真效果主观对比与评价

为了分析对比不同增强算法的效果，图1 给出了基于实际水下激光距离选通图像及其软件算法增强图像，其中，图1(a)为4 帧叠加去噪[6]后的水下距离选通图像，图1(b)为线性拉伸[7]处理图像，图1(c)为对数拉伸处理图像，图1(d)为全局直方图均衡化处理图像，图1(e)为局部直方图均衡化处理[8]图像，图1(f)为双平台直方图均衡化处理图像。

结果表明：经过增强后，原始图的对比度都得到了不同程度的提升，但使用不同的增强算法处理后，增强效果差异较为明显。图1(b)的缺点是激光照射处的靶标信息在增强后，出现了淹没现象；图1(c)在增强后光斑中心出现了饱和现象；图1(d)尽管整个画面的对比度得到了增强，但是噪声也被增强，不利于人眼观察；图1(e)光斑内细节信息没有丢失，有不错的增强效果，但图像整体偏暗；图1(f)可观察到整个靶标的边缘信息清晰可见，且激光光斑中心处的靶标信息并未出现淹没现象。

图1 水下图像的增强效果对比图

2.3 增强效果的客观对比与评价

针对图 1 中的6 幅对比图，本文选取3 个客观评价参数对增强前后图像进行评价：