低照度图像实时处理系统研究

	低照度图像实时处理系统研究
其他题名	The Research on a Real-time Processing system for Low-light-level images
	刘磊
学位类型	硕士
导师	任建岳
	2015-10
学位授予单位	中国科学院大学
学位专业	光学工程
关键词	低照度实时处理图像增强 Fpga
摘要	低照度图像与普通的可见光图像相比，具有信噪比低、亮度对比度小的特点 ,不利于人眼观察和识别。本文对低照度图像噪声特性及实时处理算法进行深入研究，搭建了以FPGA为核心器件的实时处理平台以改善图像质量，提高信噪比和对比度。本文首先分析了低照度图像特点：第一，图像亮度整体偏暗，对比度低；第二，信噪比极低，很难直接使用基于单幅图像的图像处理手段提高图像质量。在查阅了大量文献的基础上，根据噪声分析结果，本文提出了能量累积和直方图均衡化相结合的低照度图像增强算法。首先进行4幅图像的能量累积，减小随机噪声，提高图像信噪比；然后通过直方图均衡化，提高图像整体亮度和对比度。利用Matlab进行仿真，结果显示，视频信噪比由2.1dB提高到11.5dB，Web对比度由0.6974提高到1.7501，均方根对比度由7.6724提高到47.1904。在充分分析算法硬件实现需求的基础上，搭建了以Altera公司的Stratix V系列 5SGSMD5H1F35C1型FPGA为核心器件的实时处理平台。在算法的FPGA实现过程中，解释了采用自下而上设计方法的原因。在两个主要子模块的设计中，提出使用多片小容量RAM替代传统单片大容量RAM结构，实现能量累积子模块；对于直方图均衡化子模块，针对FPGA结构，对传统实现方法提出了三点改进。然后使用原理图输入与硬件描述语言输入相结合的方法完成整个算法设计。随后的Modelsim仿真结果表明，在硬件实现过程中，一些近似处理以及位数限制引起的误差很小，可以忽略不计。最后在实验室环境下进行实验验证，结果显示，在满足实时处理的基础上，BG0631型MCCD的视频信噪比由2.1dB提高到11.2dB，Weber对比度由0.6974提高到1.6732，均方根对比度由7.6724提高到45.8328。这说明，该系统能够实时处理低照度图像，有效提高信噪比和对比度，大幅度改善图像质量。
其他摘要	Compared with common visible light images, the SNR (signal to noise ratio), brightness and contrast ratio of low-light-level images are much lower. So it is very difficult to recognize the target in them. In this paper, we have done some research on the real-time processing system for low-light-level images, aiming to increase their SNR and contrast ratio. At first, the characteristics of low-light-level images are analyzed, in which processing methods based on signal frame are proved to be invalid. After the analysis on a lot of articles in relevant fields, the combinative algorithm of energy accumulation and histogram equalization is proposed in this paper. The former is used to raise SNR and the latter aims to improve the brightness and contrast ratio. The Matlab simulation results show that its SNR raises from 2.1dB to 11.5dB, the weber and root-mean-square contrast ratio rise from 0.6974 to 1.7501 and 7.6724 to 47.1904 respectively. Then the hardware platform is set up with Altera Stratix V 5SGSMD5H1F35C1 FPGA as the core component. The algorithm design in FPGA starts from two main submodules. The energy accumulation module utilizes multiple RAM chips instead of one signal chip and we explain why. As for the histogram equalization, three improvements are presented. After that, the whole design is completed with the combination of schematic diagram input technology and hardware description language (HDL) input technology. At last the processing system proves to be real-time by Modelsim simulation and experiments. Furthermore, with the system’s help, the output image SNR of BG0631 MCCD raises from 2.1dB to 11.2dB, the weber and root-mean-square contrast ratio improve from 0.6974 to 1.6732 and 7.6724 to 45.8328 respectively. It shows that this real-time processing system is very effective.
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/49278
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	刘磊. 低照度图像实时处理系统研究[D]. 中国科学院大学,2015.

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刘磊.pdf（2292KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文