Corrección de no uniformidad, super resolución y estabilización de escena en imágenes microscópicas infrarrojas

Abstract

Las tecnologías de captura de imágenes microscópicas infrarrojas están basadas en un arreglo de plano focal infrarrojo (IRFPA) controlado por un circuito integrado de lectura. Debido a limitaciones en el proceso de fabricación, el IRFPA sufre de dos problemas que afectan severamente la calidad de las imágenes obtenidas: no uniformidad y baja resolución. La no uniformidad es predominada por ruido de patrón fijo, que se superpone sobre la imagen real de la escena capturada alterando la fidelidad de la información. La baja resolución limita la cantidad de detalle apreciable en los cuadros capturados y la información posible de obtener. Además, movimientos involuntarios espaciales impiden un estudio de forma correcta. Estos problemas tienen solución sobre aplicaciones en software, con un alto costo energético y económico. Este trabajo describe la implementación un circuito digital que procesa el video de un microscopio infrarrojo long-wavelength infrared (LWIR), para corregir la no uniformidad presente, aumentar la resolución y estabilizar los movimientos espaciales. Para los dos primeros se utilizó un algoritmo de super resolución y corrección de no uniformidad simultáneo (SR-NUC), basado en métodos de descenso de gradiente para obtener una imagen de alta resolución sin ruido a partir de un grupo de imágenes de baja resolución con ruido. Este algoritmo utiliza una función de error basada en el modelo del detector y de los efectos que distorsionan la información de la escena real, que compara la proyección de la imagen de alta resolución con las imágenes de baja resolución, minimizando las diferencias iterativamente. Para el tercero se implementó un algoritmo de registro basado en suma absoluta de diferencias (SAD), siendo los desplazamientos espaciales como los principales desestabilizadores. Este algoritmo determina el desplazamiento entre dos imágenes a través de una búsqueda de la mínima diferencia absoluta entre ambas. Luego se filtran los movimientos involuntarios y se estabiliza la imagen con un proceso de reconstrucción. El circuito digital es implementado en un sistema en chip (SoC) XC7Z020 de Xilinx, de la familia Artix-7 con un procesador ARM Cortex-A9 dóble núcleo embebido. Es de bajo consumo energético, eficiente y acelera la velocidad de cómputo comparada a una implementación en sistema de propósito general. El circuito trabaja a una velocidad de 160[MHz] de reloj y procesa 2.26 cuadros de 320x256 pixeles de 14 bits por segundo, velocidad limitada por el ancho de banda de la memoria RAM. Tiene un consumo menor a 2[W] utilizando menos del 30% de los recursos disponibles: 8699 slices LUT, 8950 slice registers, 23 unidades BRAM y 36 DSPs.