【正文】 進行對紅外技術(shù)的研究，最早的研究機構(gòu)包括中電十一所、 上海技術(shù)物理研究所、昆明技術(shù)物理研究所等軍工企業(yè)，今天這幾家機構(gòu)仍然是中國紅外技術(shù)的代表和領(lǐng)先者。自改革開放以來，我國紅外事業(yè)迅猛發(fā)展，特別是在制冷紅外探測器領(lǐng)域已經(jīng)基本達到國際主流水平。 1． 2 紅外圖像增強技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 紅外成像技術(shù)的產(chǎn)物就是紅外圖像。在成像系統(tǒng)中，物體的紅外輻射通過光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過紅外探測器后變成電信號，然后在顯示器上顯示紅外輻射的電信號，這樣就實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，得到了紅外圖像。 圖 紅外圖像的形成過程 紅外圖像反映的是 目標與背景之間的紅外輻射差。在紅外圖像的生成、傳輸?shù)冗^程中，由于景物 熱平衡、大氣吸收和隨機散射作用等，使 紅外圖像普遍存在著圖像分辨率低、對比度不高、圖像缺乏層次性以及受噪聲影響嚴重等缺點， 目標和細節(jié)更是淹沒在大片的背景噪聲 中，視覺效果較差，給日標識別帶來了很大的困難，需要經(jīng)過增強處理改善圖像質(zhì)量。 同時在紅外圖像中占有很大比例的背景也有不同的分類。紅外圖像的背景可以分成均勻背景、起伏背景和強起伏背景。 均勻背景圖像的背景點灰度值變化平緩，起伏和強起伏背景則在灰度值變化上都有著較大的差異。均勻背景在圖像上分布呈現(xiàn)大范景物輻射場 紅外輻射傳輸 光學(xué)系統(tǒng) 紅外探測器 電子處理 顯示器 圍連續(xù)分布狀態(tài)，因此圖像中各個像素點之間相關(guān)性很強，并且多是處在圖像中低頻部分，而極少的高頻部分則是分布在背景同質(zhì)區(qū)的邊緣。 紅外圖像具有以下特點 [2]： 能夠在晝夜或者惡劣的氣候下工作；紅外輻射可以穿透煙塵霧靄并且系 統(tǒng)的工作波段比較寬，系統(tǒng)作用的距離比較遠；不容易受照明閃光、爆炸、射擊等強烈刺激光線的影響；采用的工作方式是被動的，不容易受干擾或者被發(fā)現(xiàn)；適合于高精度的跟蹤與瞄準。 上面所陳述的這些特點使得紅外熱成像技術(shù)特別的適合用于軍事，所以，許多國家都投以巨資竟相展開對這一領(lǐng)域的研究探索工作。近些年來，紅外熱成像系統(tǒng)的成本不斷降低，其在國民經(jīng)濟當中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 抑制紅外圖像干擾噪聲和提高圖像對比度的增強方法按處理的作用域劃分，可以分為空間域增強和頻率域增強 [3]， 空間域增強方法是直接對圖像像素灰度進行操作 ，其中又可分為逐點灰度處理、窗口灰度處理和統(tǒng)計灰度處理，如直方圖均衡化處理方法和灰度變換方法。頻率域增強方法是對圖像進行傅里葉變換后對其頻譜再進行分析操作，然后通過反變換獲得處理后的結(jié)果，其中又可分為低通濾波法、高通濾波法和同態(tài)濾波法。目前，在紅外圖像增強算法中應(yīng)用最廣的還是基于直方圖的紅外圖像增強算法。 由于沒有衡量圖像增強效果的統(tǒng)一和客觀標準，所以目前的圖像增強缺乏統(tǒng)一的理論。對于不同應(yīng)用領(lǐng)域的圖像的增強，其增強效果只能靠主觀感覺進行評價。 2 紅外圖像的特征分析 2． 1 紅外圖像的對比度和分辨率 紅外圖像的對比度 [4] 紅外成像系統(tǒng)是一種利用背景和目標間的溫度差來完成成像的裝置。一般由于景物之間的溫差較小，而且經(jīng)大氣傳輸、熱像儀中的光學(xué)部分和電子處理部分過程中還會損失灰度級，因此，紅外圖像對比度一般較低，而且也不利于觀察。另外，通常我們可以在紅外圖像的灰度直方圖中看出 低對比度高背景 [511]這個特點，一 般表現(xiàn)為絕大多數(shù)的灰度集中在某些相鄰灰度級范圍之內(nèi)。 紅外圖像的分辨率 [12] 由于紅外熱成像系統(tǒng)的探測單元尺寸的限制以及探測器陣列數(shù)目有限，空間采樣的頻率并不能滿足采樣定理 ，所以圖像的空間分辨率比較低，有時候還會出現(xiàn)非常嚴 重的混頻現(xiàn)象。大部分自然界景物的空間頻率比較豐富，其中包括各種高頻信息，在成像的過程中，由于紅外熱成像系統(tǒng)的探測器尺寸有限以及光學(xué)衍射，圖像信號的高頻部分 很可能會不完善 ，這樣就會使圖像變模糊或者變形。因此，現(xiàn)在的紅外熱像儀所輸出的紅外圖像的分辨率一般都比較低。 2． 2 紅外圖像 的直方圖 直方圖 直方圖反映圖像灰度分布的統(tǒng)計特征。數(shù)字圖像的直方圖是一個離散函數(shù)，它表示數(shù)字圖像中每一灰度與其出現(xiàn)概率間的統(tǒng)計關(guān)系。 一個數(shù)字圖像 ( , )f xy ，它的像素總數(shù)是 N ，用 kr 表示第 k 個灰度級對應(yīng)的灰度， kn 表示具有灰度 kr 的像素的個數(shù)。橫坐標表示灰度級，縱坐標表示頻數(shù)，那么直方圖可以表示為 ()kk npr N? （ ） 式中， ()kpr 表示灰度 kr 出現(xiàn)的相對頻數(shù) [13]。 直方圖能夠反映數(shù)字圖像概貌性質(zhì)的相關(guān)描述，比如：圖像的灰度范圍、灰度的分布、整幅圖像的平均亮度及明暗對比度等等，并可以由此得出進一步處理的重要依據(jù)。所以說，直方圖是圖像處理中非常有用的一種決策和評價工具。 紅外直方圖 根據(jù)對以上圖像的分析，我們可以得出紅外圖像的直方圖的一些特點： 絕大部分的像素集中在某些相鄰灰度級 范圍內(nèi)，這些范圍以外的某些灰度級上只有很少像素或者直接沒有像素； 相反，可見光圖像的像素分布卻比較均勻；直方圖中很明顯存在峰，大多數(shù)情況下分為單峰或者雙峰；而可見光圖像的直方圖往往有多個峰同時存在，也不如紅外圖像的峰明顯；像素灰度值的動態(tài)范圍比較小，一般只有很少像素甚至是直接沒有像素，很少占滿整個的灰度級空間；而可見光圖像的像素卻幾乎充滿了整個灰度級空間。 由于受到實際環(huán)境中的溫度、氣候等條件的影響，各種物體在不同季節(jié)的不同時間所表現(xiàn)出的熱輻射特征也不同，物體溫度越高，紅外熱成像的亮度就越高，物體的溫度越低， 它的紅外熱成像亮度就會越低 [14]。 因此，紅外圖像在實際環(huán)境中表現(xiàn)出各自不同的特點，與上面所講述的一 般特征并不完全一樣。 本章小結(jié) 本章詳細討論了紅外圖像的基本特征。其中包括紅外圖像的對比對和分辨率以及 紅外圖像的直方圖特征等。 3 圖像增強的基本理論 3． 1 圖像增強的闡述 圖像增強就是增強圖像中用戶感興趣的信息，其主要目的有兩個：一是通過增強有用信息，抑制無用信息，從而改善圖像的視覺效果，提高圖像成分的可分辨性：二是使圖像變成更利于人工和機器分析的圖像，如銳化處理可突出圖像邊緣輪廓線，便于 控制計算機進行跟蹤，便可做圖像目標的形狀特征分析 [15]。 圖像增強可分為空間域法和頻域法兩大類?？臻g域處理時直接對圖像灰度級作運算。頻域處理是在圖像的某種變換域內(nèi)，對圖像的變換系數(shù)值進 行行運算，即作某種修正，然后通過逆變換得到增強 的圖像，這是一種間接增強的方法 [16]。 3． 2 灰度變換 輸出的紅外圖像會因為環(huán)境等因素使得圖像信息中含有各種各樣的噪聲和畸變 ，而這樣的情況不可避免地影響系統(tǒng)圖像的清晰度，降低了圖像的質(zhì)量。如果影響不大的話，圖像會不清晰，很難看清楚細節(jié)；如果影響很大的話，圖像會變的模糊不清，大體的輪廓也是不明顯的。 對這樣的圖像來說，必須對其質(zhì)量進行改善。而這種改善的方法一般是兩種：圖像增強和圖像復(fù)原。 圖像增強的目的就是設(shè)法改善圖像的視覺效果，提高圖像的可讀性，將圖像中使人感興趣的特征有選擇的突出，便于人與計算機的分析和處理。例如：突出目標物的輪廓，去除各類噪聲，將黑白 圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閭尾噬珗D像等處理。 圖像增強不考慮圖像質(zhì)量下降的原因，只 將圖像中感興趣的特征有選擇的突出，而衰減不需要的特征 ，在圖像增強和像質(zhì)改善過程中總是以對某一部分信息的強調(diào)和另一部分信息的損失為代價。圖像復(fù)原技術(shù)與增強技術(shù)不同，它需 要了解圖像質(zhì)量下降的原因，首先要建立“降質(zhì)模型”，再利用該模型，恢復(fù)原始圖像。 本章所討論的灰度變換是圖像增強和像質(zhì)改善的一種方法。圖像的灰度變換處理的是圖像增強處理技術(shù)中一種非?；A(chǔ)的空間域圖像處理方法。 灰度變換是指根據(jù)某種目標條件按一定變換關(guān)系逐點改變原圖像中每一個像素灰度值的方法。目的是為了改善畫質(zhì)，是圖像的顯示效果更加清晰?；叶茸儞Q有時又被稱為圖像的對比度增強或?qū)Ρ榷壤臁? 灰度變換主要針對獨立的像素點進行處理，通過改變原始圖像數(shù)據(jù)所占據(jù)的灰度范圍而使圖像在視覺上得到良好的改觀，沒有利用像素點之間的 相互空間關(guān)系。因此， 灰度變換處理方法也叫做點運算法。 點運算 是一種既簡單又重要的技術(shù)，一幅輸入圖像經(jīng)過點運算后將產(chǎn)生一幅新的輸出圖像，由 輸入像素點的灰度值決定相應(yīng)的輸出像素點的灰度值。點運算與局部運算的差別在于：后者每個輸出像素的灰度值由對應(yīng)輸入像素的一個鄰域內(nèi)幾個像素的灰度值決定。因此，點運算不可能改變圖像內(nèi)的空間關(guān)系。點運算可以按照預(yù)定的方式改變一幅圖像的灰度直方圖。除了灰度級的改變時根據(jù)某種特定的灰度變換函數(shù)進行之外，點運算可以看作是“從像素到像素”的復(fù)制操作。 灰度變換是一種簡單有效的對比度增強的方法 ，原圖像的灰度 ( , )f xy 經(jīng)過一個變換函數(shù) []g T f? 轉(zhuǎn)換成一個新的灰度 ( , )gxy 。即 ( , ) [ ( , )]g x y T f x y? （ ） 灰度變換可使圖像灰度動態(tài)范圍加大，圖像對比度得到擴展，圖像清晰，特征更加明顯，是圖像增強的重要手段。根據(jù)變換函數(shù)的形式，灰度變換分為線性變換、分段線性變換和非線性變換。 3． 3 直方圖 處 理 直方圖的方法主要是針對均勻量化圖像， 這樣的圖像在低灰度區(qū)域的頻率較大，整體上圖像較暗，細節(jié)模糊不清。 而 采用直方圖修正后可使圖像的灰度間距拉開或者使灰度分布均勻，從而增大了反差，使圖像細節(jié)清晰，達到圖像增強的目的 。直方圖修正技術(shù)通常分兩種，直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化。 在這里我們對直方圖均衡化進行一個詳細的闡述。 直方圖均衡化 對于圖像 ( , )f xy ，它的灰度范圍是 m in m ax( , )f f x y f???，F(xiàn)將其灰度變化范圍轉(zhuǎn)換到 [0,1]區(qū) 間 minmax min( , )f x y fr ff?? ? （ ） 通過灰度變換函數(shù) []s Tr? ，原圖像直方圖 ()rPr變成均勻的直方圖 ()sPs。整個 過程就是直方圖均衡化。其中 r 和 s 分別 表示正規(guī)化的原圖像灰度和經(jīng)過直方圖的圖像灰 度。而 []s Tr? 必須滿足以下條件： (1)r 在區(qū)間 (0,1)時， s 是單調(diào)增加的，且 s 也在區(qū)間（ 0， 1）； (2) r 和 s 一一對應(yīng)； (3)反函數(shù)也滿足以上的條件。 ( ) ( )rsP r dr P s ds? （ ） 直方圖均衡化意味著 ( ) 1sP s ds? 。 ( ) ( ) ()( ) 1rr rsP r d r P r d rd s P r d rPs??? （ ） 0[ ] ( )r rs T r P w dw??? （ ） 直方圖均衡化后的圖像灰度動態(tài)范圍擴大了，量化層間隔擴大了，灰度的級數(shù)分布減少了， 因而有可能會出現(xiàn)偽輪廓。直方圖均衡化技術(shù)使圖像增強質(zhì)在于：兩個占有較多像素的灰度變換后 灰度之間的差距增大。一般來講，背景 和目標占有較多的像素，這種技術(shù)實際上加大了背景和目標的對比度；占有較少像素的灰度變換后需要歸并。一般地講，目標與背景的過渡處像素較少，由于歸并，其或者變?yōu)楸尘包c或者變?yōu)槟繕它c，從而使邊界變得陡峭。 3． 4 空間域濾波 空間濾波是將濾波器在被處理的圖像中逐點移動，而這個濾波器則被稱為模版。 對于線性空間濾波器，其響應(yīng)是由濾波器系數(shù)與模版 掃過的相應(yīng)像素值的乘積之和得出，例如 3*3的濾波器，在圖像 (, )xy 處，經(jīng)過處理后的響應(yīng)為 1 2 3 9( 1 , 1 ) ( 1 , ) ( 1 , 1 ) .. . ( 1 , 1 )R s A x y s A x y s A x y s A x y? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 圖 掩模模版 這種濾波器方法取決于領(lǐng)域內(nèi)像素點的灰度值