【正文】 進(jìn)行對(duì)紅外技術(shù)的研究，最早的研究機(jī)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(jī)構(gòu)仍然是中國(guó)紅外技術(shù)的代表和領(lǐng)先者。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)紅外事業(yè)迅猛發(fā)展，特別是在制冷紅外探測(cè)器領(lǐng)域已經(jīng)基本達(dá)到國(guó)際主流水平。 1． 2 紅外圖像增強(qiáng)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(guò)光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)紅外探測(cè)器后變成電信號(hào)，然后在顯示器上顯示紅外輻射的電信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，得到了紅外圖像。 圖 紅外圖像的形成過(guò)程 紅外圖像反映的是 目標(biāo)與背景之間的紅外輻射差。在紅外圖像的生成、傳輸?shù)冗^(guò)程中，由于景物 熱平衡、大氣吸收和隨機(jī)散射作用等，使 紅外圖像普遍存在著圖像分辨率低、對(duì)比度不高、圖像缺乏層次性以及受噪聲影響嚴(yán)重等缺點(diǎn)， 目標(biāo)和細(xì)節(jié)更是淹沒(méi)在大片的背景噪聲 中，視覺(jué)效果較差，給日標(biāo)識(shí)別帶來(lái)了很大的困難，需要經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理改善圖像質(zhì)量。 同時(shí)在紅外圖像中占有很大比例的背景也有不同的分類(lèi)。紅外圖像的背景可以分成均勻背景、起伏背景和強(qiáng)起伏背景。 均勻背景圖像的背景點(diǎn)灰度值變化平緩，起伏和強(qiáng)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(chǎng) 紅外輻射傳輸 光學(xué)系統(tǒng) 紅外探測(cè)器 電子處理 顯示器 圍連續(xù)分布狀態(tài)，因此圖像中各個(gè)像素點(diǎn)之間相關(guān)性很強(qiáng)，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(diǎn) [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(yuǎn)；不容易受照明閃光、爆炸、射擊等強(qiáng)烈刺激光線(xiàn)的影響；采用的工作方式是被動(dòng)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(zhǔn)。 上面所陳述的這些特點(diǎn)使得紅外熱成像技術(shù)特別的適合用于軍事，所以，許多國(guó)家都投以巨資竟相展開(kāi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究探索工作。近些年來(lái)，紅外熱成像系統(tǒng)的成本不斷降低，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 抑制紅外圖像干擾噪聲和提高圖像對(duì)比度的增強(qiáng)方法按處理的作用域劃分，可以分為空間域增強(qiáng)和頻率域增強(qiáng) [3]， 空間域增強(qiáng)方法是直接對(duì)圖像像素灰度進(jìn)行操作 ，其中又可分為逐點(diǎn)灰度處理、窗口灰度處理和統(tǒng)計(jì)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(qiáng)方法是對(duì)圖像進(jìn)行傅里葉變換后對(duì)其頻譜再進(jìn)行分析操作，然后通過(guò)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(qiáng)算法中應(yīng)用最廣的還是基于直方圖的紅外圖像增強(qiáng)算法。 由于沒(méi)有衡量圖像增強(qiáng)效果的統(tǒng)一和客觀標(biāo)準(zhǔn)，所以目前的圖像增強(qiáng)缺乏統(tǒng)一的理論。對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域的圖像的增強(qiáng)，其增強(qiáng)效果只能靠主觀感覺(jué)進(jìn)行評(píng)價(jià)。 2 紅外圖像的特征分析 2． 1 紅外圖像的對(duì)比度和分辨率 紅外圖像的對(duì)比度 [4] 紅外成像系統(tǒng)是一種利用背景和目標(biāo)間的溫度差來(lái)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(guò)程中還會(huì)損失灰度級(jí)，因此，紅外圖像對(duì)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(duì)比度高背景 [511]這個(gè)特點(diǎn)，一 般表現(xiàn)為絕大多數(shù)的灰度集中在某些相鄰灰度級(jí)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(cè)單元尺寸的限制以及探測(cè)器陣列數(shù)目有限，空間采樣的頻率并不能滿(mǎn)足采樣定理 ，所以圖像的空間分辨率比較低，有時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán) 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(guò)程中，由于紅外熱成像系統(tǒng)的探測(cè)器尺寸有限以及光學(xué)衍射，圖像信號(hào)的高頻部分 很可能會(huì)不完善 ，這樣就會(huì)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(jì)特征。數(shù)字圖像的直方圖是一個(gè)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(jì)關(guān)系。 一個(gè)數(shù)字圖像 ( , )f xy ，它的像素總數(shù)是 N ，用 kr 表示第 k 個(gè)灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的灰度， kn 表示具有灰度 kr 的像素的個(gè)數(shù)。橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)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(duì)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(duì)比度等等，并可以由此得出進(jìn)一步處理的重要依據(jù)。所以說(shuō)，直方圖是圖像處理中非常有用的一種決策和評(píng)價(jià)工具。 紅外直方圖 根據(jù)對(duì)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(diǎn)： 絕大部分的像素集中在某些相鄰灰度級(jí) 范圍內(nèi)，這些范圍以外的某些灰度級(jí)上只有很少像素或者直接沒(méi)有像素； 相反，可見(jiàn)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(jiàn)光圖像的直方圖往往有多個(gè)峰同時(shí)存在，也不如紅外圖像的峰明顯；像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍比較小，一般只有很少像素甚至是直接沒(méi)有像素，很少占滿(mǎn)整個(gè)的灰度級(jí)空間；而可見(jiàn)光圖像的像素卻幾乎充滿(mǎn)了整個(gè)灰度級(jí)空間。 由于受到實(shí)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(shí)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(huì)越低 [14]。 因此，紅外圖像在實(shí)際環(huán)境中表現(xiàn)出各自不同的特點(diǎn)，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(xì)討論了紅外圖像的基本特征。其中包括紅外圖像的對(duì)比對(duì)和分辨率以及 紅外圖像的直方圖特征等。 3 圖像增強(qiáng)的基本理論 3． 1 圖像增強(qiáng)的闡述 圖像增強(qiáng)就是增強(qiáng)圖像中用戶(hù)感興趣的信息，其主要目的有兩個(gè)：一是通過(guò)增強(qiáng)有用信息，抑制無(wú)用信息，從而改善圖像的視覺(jué)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(jī)器分析的圖像，如銳化處理可突出圖像邊緣輪廓線(xiàn)，便于 控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行跟蹤，便可做圖像目標(biāo)的形狀特征分析 [15]。 圖像增強(qiáng)可分為空間域法和頻域法兩大類(lèi)?？臻g域處理時(shí)直接對(duì)圖像灰度級(jí)作運(yùn)算。頻域處理是在圖像的某種變換域內(nèi)，對(duì)圖像的變換系數(shù)值進(jìn) 行行運(yùn)算，即作某種修正，然后通過(guò)逆變換得到增強(qiáng) 的圖像，這是一種間接增強(qiáng)的方法 [16]。 3． 2 灰度變換 輸出的紅外圖像會(huì)因?yàn)榄h(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(huà)，圖像會(huì)不清晰，很難看清楚細(xì)節(jié)；如果影響很大的話(huà)，圖像會(huì)變的模糊不清，大體的輪廓也是不明顯的。 對(duì)這樣的圖像來(lái)說(shuō)，必須對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行改善。而這種改善的方法一般是兩種：圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原。 圖像增強(qiáng)的目的就是設(shè)法改善圖像的視覺(jué)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(jì)算機(jī)的分析和處理。例如：突出目標(biāo)物的輪廓，去除各類(lèi)噪聲，將黑白 圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閭尾噬珗D像等處理。 圖像增強(qiáng)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(qiáng)和像質(zhì)改善過(guò)程中總是以對(duì)某一部分信息的強(qiáng)調(diào)和另一部分信息的損失為代價(jià)。圖像復(fù)原技術(shù)與增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)處理技術(shù)中一種非常基礎(chǔ)的空間域圖像處理方法。 灰度變換是指根據(jù)某種目標(biāo)條件按一定變換關(guān)系逐點(diǎn)改變?cè)瓐D像中每一個(gè)像素灰度值的方法。目的是為了改善畫(huà)質(zhì)，是圖像的顯示效果更加清晰?；叶茸儞Q有時(shí)又被稱(chēng)為圖像的對(duì)比度增強(qiáng)或?qū)Ρ榷壤臁? 灰度變換主要針對(duì)獨(dú)立的像素點(diǎn)進(jìn)行處理，通過(guò)改變?cè)紙D像數(shù)據(jù)所占據(jù)的灰度范圍而使圖像在視覺(jué)上得到良好的改觀，沒(méi)有利用像素點(diǎn)之間的 相互空間關(guān)系。因此， 灰度變換處理方法也叫做點(diǎn)運(yùn)算法。 點(diǎn)運(yùn)算 是一種既簡(jiǎn)單又重要的技術(shù)，一幅輸入圖像經(jīng)過(guò)點(diǎn)運(yùn)算后將產(chǎn)生一幅新的輸出圖像，由 輸入像素點(diǎn)的灰度值決定相應(yīng)的輸出像素點(diǎn)的灰度值。點(diǎn)運(yùn)算與局部運(yùn)算的差別在于：后者每個(gè)輸出像素的灰度值由對(duì)應(yīng)輸入像素的一個(gè)鄰域內(nèi)幾個(gè)像素的灰度值決定。因此，點(diǎn)運(yùn)算不可能改變圖像內(nèi)的空間關(guān)系。點(diǎn)運(yùn)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(jí)的改變時(shí)根據(jù)某種特定的灰度變換函數(shù)進(jìn)行之外，點(diǎn)運(yùn)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(jiǎn)單有效的對(duì)比度增強(qiáng)的方法 ，原圖像的灰度 ( , )f xy 經(jīng)過(guò)一個(gè)變換函數(shù) []g T f? 轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的灰度 ( , )gxy 。即 ( , ) [ ( , )]g x y T f x y? （ ） 灰度變換可使圖像灰度動(dòng)態(tài)范圍加大，圖像對(duì)比度得到擴(kuò)展，圖像清晰，特征更加明顯，是圖像增強(qiáng)的重要手段。根據(jù)變換函數(shù)的形式，灰度變換分為線(xiàn)性變換、分段線(xiàn)性變換和非線(xiàn)性變換。 3． 3 直方圖 處 理 直方圖的方法主要是針對(duì)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(xì)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(kāi)或者使灰度分布均勻，從而增大了反差，使圖像細(xì)節(jié)清晰，達(dá)到圖像增強(qiáng)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(duì)直方圖均衡化進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的闡述。 直方圖均衡化 對(duì)于圖像 ( , )f xy ，它的灰度范圍是 m in m ax( , )f f x y f??。現(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(guò)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(gè) 過(guò)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(guò)直方圖的圖像灰 度。而 []s Tr? 必須滿(mǎn)足以下條件： (1)r 在區(qū)間 (0,1)時(shí)， s 是單調(diào)增加的，且 s 也在區(qū)間（ 0， 1）； (2) r 和 s 一一對(duì)應(yīng)； (3)反函數(shù)也滿(mǎn)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(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大了，量化層間隔擴(kuò)大了，灰度的級(jí)數(shù)分布減少了， 因而有可能會(huì)出現(xiàn)偽輪廓。直方圖均衡化技術(shù)使圖像增強(qiáng)質(zhì)在于：兩個(gè)占有較多像素的灰度變換后 灰度之間的差距增大。一般來(lái)講，背景 和目標(biāo)占有較多的像素，這種技術(shù)實(shí)際上加大了背景和目標(biāo)的對(duì)比度；占有較少像素的灰度變換后需要?dú)w并。一般地講，目標(biāo)與背景的過(guò)渡處像素較少，由于歸并，其或者變?yōu)楸尘包c(diǎn)或者變?yōu)槟繕?biāo)點(diǎn)，從而使邊界變得陡峭。 3． 4 空間域?yàn)V波 空間濾波是將濾波器在被處理的圖像中逐點(diǎn)移動(dòng)，而這個(gè)濾波器則被稱(chēng)為模版。 對(duì)于線(xiàn)性空間濾波器，其響應(yīng)是由濾波器系數(shù)與模版 掃過(guò)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(guò)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(diǎn)的灰度值