【免费】基于FPGA的实时图像预处理技术在汽车夜视系统中的应用1资源-CSDN文库

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集成电路应用

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｏｆ

Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

Ｃｉｒｃｕｉｔｓ

基于ＦＰＧＡ的实时图像

预处理技术在汽车夜视系统中的应用

白秋果，李志刚，刘树亭

（东北大学秦皇岛分校自动化工程系，河北秦皇岛０６６００４）

摘要：针对红外图像的特点，提出了汽车夜视系统中图像增强的预处理方案。给出了基于ＦＰＧＡ

的视频格式转换、快速中值滤波、自适应平台直方图双向均衡化的原理、实现方法及仿真结果。仿真

结果表明本方案较好地满足了图像处理效果和处理速度的要求。

关键词：汽车夜视系统；ＦＰＧＡ；视频格式转换；中值滤波；自适应平台直方图双向均衡化

中图分类号：ＴＮ２１５

文献标识码：Ａ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｏｆ

ＦＰＧＡ－ｂａｓｅｄ

ｉｍａｇｅ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ

ｉｎ

ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ

ｎｉｇｈｔ

ｖｉｓｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ

ＢＡＩ

Ｑｉｕ

Ｇｕｏ，ＬＩ

Ｚｈｉ

Ｇａｎｇ，ＬＩＵ

Ｓｈｕ

Ｔｉｎｇ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｔｎ

ｏｆ

Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ａｔ

Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄ８．０

０６６００４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ

ａｔ

ｔｈｅ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

ｏｆ

ｉｎｆｒａｒｅｄ

ｉｍａｇｅｓ，ｉｍａｇｅ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｐｒｅｃｅｐｔ

ｏｆ

ｔｈｅ

ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ

ｎｉ｝ｇｈｔ

ｖｉｓｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ

ｗａｓ

ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ

ｐｒｉｎｃｉｐｉｕｍ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄ

ａｎｄ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｒｅｓｕｌｔｓ

ｏｆ

ＦＰＧＡ－ｂａｓｅｄ

ｖｉｄｅｏ

ｆｏｒｍａｔ

ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｍｅｄｉａｎ

ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ

ａｎｄ

ａｄａｐｔｉｖｅ

ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ

ｐｌａｔｅａｕ

ｈｉｓｔｏｇｒａｍ

ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ

ｗｅｒｅ

ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｒｅｓｕｌｔｓ

ｉｎｄｉｃａｔｅ

ｔｈａｔ

ｔｈｅ

ｐｒｅｃｅｐｔ

ｍｅｅｔ

ｔｈｅ

ｌ－ｅ－

ｑｕｅｓｔｓ

ｗｅｌｌ

ｉｎ

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ｔｈｅ

ｉｍａｇｅ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｅｆｆｅｃｔｓ

ａｎｄ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｓｐｅｅｄ．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ

ｎｉｇｈｔ

ｖｉｓｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ；ＦＰＧＡ；ｖｉｄｅｏ

ｆｏｒｍａｔ

ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｍｅｄｉａｎ

ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ａｄａｐｔｉｖｅ

ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ

ｐｌａｔｅａｕ

ｈｉｓ·

ｔｏｇｒａｍ

ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ

汽车红外夜视系统作为辅助驾驶系统的一部分，在

提高夜间驾驶的安全性方面起到了重要的作用。但由于

受到红外器件发展的限制，其成像效果不够理想，影响

了汽车红外夜视系统在实际中的应用。在系统中加入实

时图像处理功能是最为经济有效的方

法１１ｌｏ

为保持图像数据传输和处理的连

续性。图像数据的处理不能导致图像

数据传输的阻塞、中断或图像数据的

丢失，因此实时图像处理系统必须具

有快速处理巨大数据量的能力。ｎ，ＧＡ

以其硬件并行性、编程灵活性等特

点，非常适合实时大数据量的处理。

１

ＦＰＧＡ图像预处理功能设计

平台直方图双向均衡化方法增强视频图像的视觉效果。

同时为便于视频图像的处理，在图像处理前后对视频图

像的格式进行了转换。

ＦＰＧＡ图像预处理功能如图１所示。

针对红外图像噪声大、对比度低、

图像细节分辨能力差等特点，采用了基于流水线方式的

快速中值滤波方法滤除视频图像中的噪声，采用自适应

《电子技术应用》２００９年第１期

图１

ＦＰＧＡ图像预处理功能框图

２视频格式的转换

汽车红外夜视系统中，视频图像采集部分的摄像机

５７

万方数据

集成电路应用

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｏｆ

Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

Ｃｉｒｃｕｉｔｓ

输出的模拟信号经ＡＤ转换后变为符合ＩＴＵ－Ｒ

ＢＴ．６５６

标准的ＹＵＶ４２２格式数字数据流，其中行起始和结束标

志融合在数据流中。为了使视频数据流的表示更加清晰，

将其转换为ＭＨＩＶＦ（Ｍｉｔｔｈ｛ｊｇｓｋｏｌａｎｓ

Ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ

Ｖｉｄｅｏ

Ｆｏｒｍａｔ）

格式。在图像处理之后，再将其转换回ＩＴＵ—Ｒ

ＢＴ．６５６标

准数据格式进行ＤＡ转换输出。ＩｆＩ＇Ｕ—Ｒ

ＢＴ．６５６标准的

ＹＵＶ４２２格式数字视频数据流｛２１和ＭＨＩＶＦ的时序关系分

别如图２和图３所示。

ＣＬＯＣＫ

ＤＡＴＡ

Ｏ

ｔｏ７

始处第一个时钟周期高电平；ｒｓｙｎｃ为行同步信号，行有

效期间为高电平，行间至少一个时钟周期；ｐａａｔａ为像素

数据。

２．１

ＩＴＵ—Ｒ

ＢＴ．６５６转换为ＭＨＩＶＦ的方法及实现

监测到ＳＡＶ标志到来时，ｒｓｙｎｃ置１（维持一个时钟周

期），ｏｆｓｙｎｃ和ｅｆｓｙｎｃ视ＸＹ的具体值决定是否置１。同时对

像素个数进行计数，如果累计值达到了一行像素的个数上

限，则ｒｓｙｎｃ置０，ｏｆｓｙｎｃ或ｅｆｓｙｎｃ也置为０。等待下一行开

标志

图２

ｒｒＵ—Ｒ

ＢＴ．６５６

ＹＵＶ４２２格式传输一行像素的时序图

ｐｃｌｋ

ｒ］ｎ．．几．』１．．厂］几。．ｆｔｒＬＪ

１

ｎ几几几

ｏｆｓｙｎｃ——‘ｊ

Ｌ—．．．：。。。．．二．．．．—；．。。．．．—。。。。二，—．．—．．．．．，４，，．—，。—．————．．—，．，，。—一

ｅｆｓｙｎｃ。．：．．．．．。．：．．，．。。．：．．．．．．．．．．．．。。二．。．．．．．：．．．．．．．二．．．．．．．．．．．。．．，ｊ．．．．．．．．．．．．，一Ｌ

ｒｓｙｎｅ！厂＿—÷］：ｉ

ｒ■———１

ｆ——

Ｄｄａｔａ—Ｃ二Ｘ＝）Ｃ＝卜———（二）＝３Ｃ二卜＿————（＝Ｘ＝≥

ｋ————、，———一Ｌ～’ｒ一～１一———√～～～１ｒ一—Ｊ～———ｖ———，

奇场第一行

至少一个奇场第二行至少一个偶场第一行

第１—３像素

时钟周期第ｌ一３像素时钟周期第ｌ一２像素

图３

ＭＨＩＶＦ时序关系

图２中Ｙ表示亮度，Ｃ“和Ｃ，是色差信号。数据流中有

两个定时基准信号：一个在每个视频数据块的开始（Ｓｔａｒｔ

ｏｆ

Ａｃｔｉｖｅ

Ｖｉｄｅｏ，ＳＡＶ），另一个在每个视频数据块的结束

（Ｅｎｄ

ｏｆ

Ａｃｔｉｖｅ

Ｖｉｄｅｏ，ＥＡＶ）。每个定时基准信号由４个字

的序列组成，格式如下：ＦＦ

００００

ＸＹ（数值以１６进制表

示，ＦＦ００保留仅供定时基准信号用）。头三个是固定前

缀，第４个字包含奇偶场标识、场消隐状态和行消隐状

态的信息。定时基准信号内的比特分配如表ｌ所示。

注

取

迸

表１定时基准信号第四字比特分配表

始信号的到来，如此反复。同时由于系统主要应用在光

照条件较弱的场合，采集黑白图像即可，因此后续图像

处理只需要亮度信号即可，色差信号可以从数据流中去

除。从视频数据流的第二个数据开始每两个数取一个便

分离出了亮度信号，ＭＨＩＶＦ中的像素时钟可以从对工作

时钟的二分频得到。整个模块的功能在有限状态机

（ＦｓＭ）的协调下完成。模块结构如图４所示。

２．２

ＭＨＩＶＦ转换为ＩＴＵ—Ｒ

ＢＴ．６５６的方法及实现

要完成ＭＨＩＶＦ到ＩＴＵ—Ｒ

ＢＴ．６５６的转换，需要在视

频数据流每一行的起始和结束位置分别添加ＳＡＶ和

ＥＡＶ标志，同时应添加色差信号Ｃ“和Ｃ，。为实现上述功

能，设置了四个８位寄存器和一个二选一选择器，由有

限状态机ＦｓＭ协调工作。具体实现过程如下：模块处于

等待状态直到ｏｆｓｙｎｃ或ｅｆｓｙｎｃ和ｒｓｙｎｃ到来，然后视频数

据输入到４个８

ｂｉｔ串行寄存器的第一个。因为ＳＡＶ和

ＥＡＶ均为４

Ｂ，所以视频数据依次通过４个寄存器就相

当于做了４个时钟周期的延时。在这４个时钟周期内二

选一选择器选择ＦｓＭ产生的ＳＡＶ或ＥＡＶ标志输出，这

样就在数据流中加入了ＳＡＶ和ＥＡＶ标志。在二选一选

择器和ＦｓＭ之间设立握手信号，在添加ＳＡＶ或ＥＡＶ标

志的同时，如果ｒｓｙｎｃ有效，则二选一选择器选择ＦＳＭ

产生的Ｃｂ和Ｃ，信号输出，同时改变握手信号，这样在下

一个时钟的上升沿，如果ｒｓｙｎｃ有效，二选一选择器会选

择从寄存器传来的数据作为输出。如此反复，就实现了

在数据流中添加色差信号Ｃ。和Ｃ，的功能。因为系统中

使用的是黑白图像，所以为了简化设计，色差信号Ｃ“和

Ｃ，的值均取十进制值１２８。模块结构如图５所示。

ｅｆｓｙｎｃ分别为奇场和偶场同步信号，每场起

５８

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ｐｄａｔａ７

图４

ＩＴＵ—Ｒ

Ｂｌ＂．６５６转换为ＭＨＩＶＦ的模块框图

《电子技术应用》２００９年第１期

万方数据

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