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EMCCD实时图像处理系统设计及FPGA实现
EMCCD实时图像处理系统设计及FPGA实现
摘要：
EMCCD（Electron-MultiplyingCharge-CoupledDevice）是一种极高灵敏度的图像传感器，广泛应用于低光级下的成像。然而，由于EMCCD输出信号的噪声较多，需要进行实时图像处理以提高图像质量。本论文设计了一个基于FPGA的EMCCD实时图像处理系统，能够实现图像增强、去噪和实时显示等功能。通过对EMCCD输出信号的预处理和图像处理算法的优化，实现了较好的图像质量和实时性能。
关键词：EMCCD，实时图像处理，FPGA
1.引言
EMCCD是一种在光子统计极限下工作的图像传感器，具有极高的灵敏度，适用于低光级下的成像。然而，由于EMCCD输出信号中存在较多的噪声，需要进行图像处理以提高图像质量。传统的图像处理算法需要较长的处理时间，难以满足实时性要求。因此，设计一个能够实时处理EMCCD输出信号的图像处理系统具有重要意义。
2.EMCCD实时图像处理系统设计
2.1系统框架
EMCCD实时图像处理系统主要由图像采集模块、预处理模块、图像处理模块和显示模块四个部分组成。图像采集模块负责采集EMCCD输出信号，预处理模块对信号进行去噪和增强，图像处理模块实现一系列图像处理算法，显示模块将处理后的图像实时显示出来。
2.2预处理
由于EMCCD输出信号中包含较多的噪声，首先需要对信号进行预处理。预处理包括背景噪声估计、背景噪声消除和信号增益校正等步骤。背景噪声估计可以通过对多帧图像进行统计获得，背景噪声消除则采用滤波算法进行去噪。信号增益校正则可通过参考标准信号进行，根据参考信号的灰度值来改变EMCCD输出信号的增益，从而实现信号增强。
2.3图像处理算法
经过预处理后的信号可以进行图像处理算法。常用的图像处理算法有图像平滑、边缘检测和图像增强等。这些算法可以通过卷积运算和滤波器等方式进行实现。为了满足实时性要求，本论文采用FPGA进行算法的优化和并行化处理，提高图像处理速度。
2.4实时显示
经过图像处理后的图像需要进行实时显示。显示模块可以采用LCD屏幕或者其他图像显示设备进行，通过FPGA和显示设备的接口进行数据传输和显示控制。
3.FPGA实现
FPGA（Field-ProgrammableGateArray）是一种可编程逻辑器件，具有可重构性和并行计算能力。本论文采用FPGA作为图像处理系统的硬件平台，通过编程实现各个模块的功能。
首先，通过VHDL等硬件描述语言编写图像采集模块的代码，通过FPGA内置的ADC模块实现EMCCD信号的采样和转换。然后，编写预处理模块和图像处理模块的代码，通过FPGA内置的DSP模块实现噪声去除和图像处理算法。最后，通过FPGA的IO接口和显示模块进行数据传输和控制。
4.结果与分析
通过对EMCCD实时图像处理系统的实验，得到了较好的图像质量和实时性能。经过预处理和图像处理算法的优化，系统能够有效地增强信号并去除噪声。通过FPGA的并行计算能力，实现了较快的图像处理速度。
5.结论
本论文设计了基于FPGA的EMCCD实时图像处理系统，能够实时处理EMCCD输出信号并实现图像增强、去噪和实时显示等功能。通过对EMCCD输出信号的预处理和图像处理算法的优化，达到了较好的图像质量和实时性能。由于FPGA的并行计算能力，系统具有较快的图像处理速度。该系统在低光级图像处理方面具有广泛的应用前景。
参考文献：
[1]Zhao,Q.,Huang,D.,&Li,Z.(2016).AnimageprocessingalgorithmforEMCCDimagingsystembasedonFPGA.InternationalConferenceonAdvancedImageandSignalProcessing(CISP),174-177.
[2]Chao,M.,&Li,H.(2018).Real-timeimageprocessingsystemdesignbasedonGPUandFPGA.JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScienceEdition),52(6),1049-1056.