【正文】 U D C ： 編號： 工學(xué)碩士學(xué)位論文 紅外圖像非均勻性校正和增強技術(shù)研究 Classified Index: : A Dissertation for the Degree of M. Eng Research on Infrared Image Nonuniformity Correction and Image Enhancement Technology 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 由于紅外成像系統(tǒng)具有抗干擾性能強、目標(biāo)識別能 力強、被動工作等特點，已被廣泛的應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，是具有廣闊發(fā)展前景的一種成像技術(shù)。 通過本文的研究，達(dá)到了紅外圖像非均勻性校正、盲元補償和圖像增強的目的，這也為后續(xù)的圖像處理和應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。 致 謝 ................................................. 錯誤 !未定義書簽。像素灰度的大小是由相應(yīng)場景中紅外輻射強度決定的，輻射強度越大，像素灰度值就越大，輸出圖像就越亮，相反輻射強度越小，得到的紅外圖像相應(yīng)部分就 會表現(xiàn)的越暗。這種成像方式有兩個嚴(yán)重的弊端：首先光學(xué)鏡頭的移動是精密的機械過程，所以一般來說這種掃描機構(gòu)比較復(fù) 雜，抗震能力弱，容易損壞。 3）隱蔽性好，它響應(yīng)的是場景的熱輻射，屬于被動接收，這要比雷達(dá)成像和激光探測的保密性好。并且當(dāng)探測元數(shù)目非常大時，不可能通過逐一的對探測元測量篩選標(biāo)定補償?shù)姆绞綄ζ溥M(jìn)行校正。之后 等人又提出了多點校正算法 [8]，該算法在焦平面陣列響應(yīng)范圍內(nèi)選取了多個定標(biāo)點，通過這些特定的點來找出輻射量與探測器響應(yīng)輸出之間的函數(shù)映射關(guān)系。雖然場景統(tǒng)計的算法利用了空間統(tǒng)計信息，但是它沒有考慮時域統(tǒng)計信息，所以它也不能很好的跟蹤探測器響應(yīng)參數(shù)的漂移。 紅外圖像盲元檢測的研究現(xiàn)狀 在紅外焦平面陣列系統(tǒng)的成像過程中，不可避免的存在著失效元（也稱為盲元）的問題，它們與正常像元相比，對輻射的響應(yīng)過高或過低，這些像素點不能夠正確的反映場景的信息和場景的變化，嚴(yán)重的影響了成像系統(tǒng)的性能。 最基礎(chǔ)的空域增強算法，如直方圖修正、灰度拉伸等 [19]。文獻(xiàn) [25]介紹了基于二維離散小波變換的紅外圖像增強方法，該算法計算效率較高，圖像的梯度提供了更多的圖像細(xì)節(jié)信息，并且有效的控制噪聲。第二章 紅外成像非均勻性產(chǎn)生的原因和定義 7 第二章 紅外成像非均勻性產(chǎn)生的原因和定義 非制冷紅外焦平面陣列的產(chǎn)生，標(biāo)志 著紅外成像系統(tǒng)進(jìn)入了一個全新的發(fā)展階段。 （ 4）相鄰幀紅外圖像差別不大 由于紅外圖像攝取速度較快，一般在 25~30 幀 /秒之間，在短暫的時間間隔內(nèi)，場景中各部分的輻射量基本保持不變，這也為基于序列圖像的目標(biāo)特征提取和定位提供了保證。 系統(tǒng)自身因素帶來的非均勻性 成像系統(tǒng)自身缺陷主要表現(xiàn)在紅外焦平面陣列元響應(yīng)的不一致性、 1/f 噪聲影響、光學(xué)系統(tǒng)的影響和放大電路非一致性帶來的非均勻性 [30]。光學(xué)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為乘性 噪聲，它也是由多種因素引起的，如當(dāng)光學(xué)鏡頭的加工精密度不夠時會引入非均勻性，另外鏡頭存在的光學(xué)孔徑效應(yīng)也會對成像產(chǎn)生很大的影響。 ,dh— 分別為無效像元中的過熱像元和死像元個數(shù)。 第三章 紅外圖像非均勻性校正算法 11 第三章 紅外圖像非均勻性校正算法 目前國內(nèi)外存在多種非均勻性校正算法，根據(jù)校正方式不同可以兩大類：基于定標(biāo)和基于場景的非均勻性校正算法。 0 )i j i j i j i jY n G n X n O n i M j N? ? ? ? ? ? （ 32） 式中， ( ) 1/ ( )ij ijG n k n? 為第 ij 個陣列元在 n 時刻的增益校正因子 ( ) ( ) / ( )ij ij ijO n b n k n?? 為第 ij 個陣列元在 n 時刻的偏移量校正因子 式（ 32）即為對陣列元的非均勻性校正公式 [36]。 0 )i j i jb T X T X T i M j N? ? ? ? ? ? （ 34） 校正過后陣列元在任一輻照度 t 下響應(yīng)輸出 ()ijSt 為： ( ) ( ) ( )ij ij ijS t X t b T?? （ 35） 由圖 可以看出，這一算法主要是對偏置因子的校正。 0 )i j i j i j i jY n G n X n O n i M j N? ? ? ? ? ? （ 310） 將 ()HXT 和 ()LXT 作為校正后的理想輸出代入上式可以得到一個方程組，求解方程組即可得到增益和偏移系數(shù)如下： ( ) ( )( ) ( )HLijij H ij LX T X TG X T X T?? ? （ 311） ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )ij H L ij L Hij ij H ij LX T X T X T X TO X T X T?? ? （ 312） 將式（ 311）、（ 312）代入式（ 310）就可得到完整的非均勻 性校正方程。 基于卡爾曼濾波的非均勻 性校正算法 卡爾曼濾波是一種對參數(shù)的最優(yōu)估計算法，濾波器輸入是系統(tǒng)觀測量，輸出是需要估計的狀態(tài)變量，然后在濾波過程中不斷的預(yù)測和修正系統(tǒng)狀態(tài)或參數(shù)，在濾波的同時也考慮到了系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲對參數(shù)估計的影響。這樣從第 k 組幀中就可以得到探測元的觀測矢量 [ (1), , ( )]Tk k k kX X X l? ，它是長度為 kl 的一個陣列。這樣增益和偏移這兩個狀態(tài)變量的高斯 — 馬爾科夫模型是一個固定的隨機過程，因此在參數(shù)設(shè)定時滿足 [42]： ? ? ? ?0kE B E B? ， 01 n? ? ? ?? ? ? ? ， 01 n? ? ? ?? ? ? ? 根據(jù)以上對參數(shù)的設(shè)定，在第 k 組幀時間內(nèi)驅(qū)動噪聲的均值為： ? ? 1 02 10 ()01nkknEwM E W E BEw?????? ???????? ? ??? ??? ?????? （ 320） 其中： ? ? 00 0kEB b??????? （ 321） 式中， 0k 和 0b 是初始增益和偏移量的平均值，一般認(rèn)為它們是制造商提供的增益和偏移值，這是一種嚴(yán)格的規(guī)定，不會隨探測元參數(shù)漂移而改變，并且對所有探測元是相同的，因此高斯 — 馬爾可夫模型是固定方差的。 （ 3）濾波器的原理 卡爾曼濾波器是時域內(nèi)最優(yōu)的濾波器，利用觀測矢量 12, , , kX X X 對狀態(tài)矢量 kB 實現(xiàn)遞歸 的線性最小均方誤差估計（ MMSE），數(shù)學(xué)模型如下： ? ? ?()k k k k k kB B K X H B??? ? ? （ 328） 式中： 1 2 1? [ | , , , ]k k kB E B X X X? ?? （ 329） 它是由觀測矢量 1 2 1, , , kX X X ?得到的最優(yōu)線性估計。具體的校正方法是：設(shè)計一個隱含層，隱含層的輸出作為給定像素期望的理想輸出，一般在隱含層中采用的是求像素鄰域均值的方法，用這個理想輸 出對增益系數(shù)和偏置系數(shù)進(jìn)行修正。由于各探測元的響應(yīng)特性參數(shù)可以近似看成不相關(guān)，因此像素的鄰域平均可以作為該像素的理想輸出 [44]。這就是傳統(tǒng)算法的一個缺點：對于長時間處于靜止?fàn)顟B(tài)的景物，隨著迭代次數(shù)的增加，它們會逐漸變得模糊，究其原因是它使用像元的四鄰域均值作為期望輸出了，當(dāng)目標(biāo)長時間處于靜止，均值濾波勢必會帶來一定程度的圖像模糊、細(xì)節(jié)消失的現(xiàn)象。實驗中使用的步長參數(shù)為 ，圖 是輸入的圖像序列中第 1000 幀的校正結(jié)果。 （ 1） 輸入層 該層的輸入為連續(xù)幀的未校正二維紅外圖像灰度值， i、 j 分別表示像素所在的行值、列值。但是對于基于場景的校正算法必須要考慮收斂速度問題，所以要選取適當(dāng)?shù)膸瑝K長度，而并不是越大越好。 ()kYi 表示在 k 組幀中第 i 幀探測元接收到的紅外輻射量，并假設(shè) ()kYi 在 min max,kkYY???? 范圍內(nèi)服從均勻分布，這一范圍包含了所有可能的輻射值，并且對于所有的探測器來說是相同的。則 kW 的協(xié)方差可表示為： 0 kTkl i f k lE W W o t h e r w i s e? ???? ? ??? ? （ 318） 其中 k? 為： 122200 k kwkw?????????? （ 319） 其中1222,kkww?? 分別是增益驅(qū)動噪聲的方差和偏移驅(qū)動噪聲的方差?？柭鼮V波器接收到的一系列幀塊中，對于每一個探測元，參數(shù)都存在漂移的現(xiàn)象，但是這種漂移在相鄰兩幀內(nèi)是非常小的，因此算法中同一幀塊內(nèi)參數(shù)假定是不變的，并且考慮到讀出噪聲，對第 k 組幀中第 n 幀的 (, )ij 位置探測元輸入輸出模型改寫為： ( ) ( ) ( ) ( ) ( )i j i j i j i j i jX n k n Y n b n V n? ? ? （ 313） 其中 ()ijkn， ()ijbn分別表示 (, )ij 探測元在第 n 幀的增益系數(shù)和偏移系數(shù)， ijV 是 (, )ij 探測元在第 n 幀的讀出噪聲， ijX ， ijY 分別為探測元在第 n 幀的輸出和輸入。這就為基于場景的非均勻性校正算法的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，該類算法參數(shù)的更新都是來自于對場景的估計，它能夠很好的跟蹤參數(shù)漂移，也降低了設(shè)備復(fù)雜度。 兩點溫度定標(biāo)法 針對一點校正算法存在不能夠同時對偏置因子和增益因子進(jìn)行校正的問題，人們提出了兩點校正算法，它有效的改善了這一問題 [39]。假設(shè)選取溫度為 T 的黑體作為輻射源，所有的 MN? 個陣列元在n 時刻的輸出響應(yīng)為 ()ijXT，求其平均值 ()XT ： 11( ) ( ) / ( 0 。但是在實際情況中，各像元的 ()ijkn不完全相同，并且 ()ijbn也不一定都為 0，這就產(chǎn)生了非均勻性。其中，式（ 24）是 1999 年中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“紅外焦平面陣列特性參數(shù)測試技術(shù)規(guī)范”中對非均勻性 的定義 [33] 。 遮光罩的影響響應(yīng)非線性放大器陣列響應(yīng)非一致性移位讀出電路的影響響應(yīng)非一致性響應(yīng)非線性1 / f 噪聲光學(xué)系統(tǒng)部分 焦平面陣列元 讀出機構(gòu) 信號放大部分 圖 非均勻性的產(chǎn)生 紅外焦平面陣列空間響應(yīng)非均勻性的定量評價 目前有多種關(guān)于非均勻性的定義方法，每一種方式都有不同側(cè)重點。又稱電流噪聲，它有很高的空間頻率和很低的時域頻率，數(shù)量級較小，是一個非平穩(wěn)地隨機過程，具體表現(xiàn)為信號的加性噪聲，校準(zhǔn)只在短時間內(nèi)有作用。在這個過程中，每一步都有可能引入非均勻性，它可能是系統(tǒng)自身因素帶來的，也可能是外界影響帶來的 [30]。所以在實際應(yīng)用中不僅需要明確噪聲的來源，而且還要對這些噪聲進(jìn)行消除處理，這是必不可少的環(huán)節(jié)。 第四章首先介紹了紅外圖像中盲元的產(chǎn)生的原因及盲元補償?shù)囊饬x，然后給出了盲元的檢測算法和后續(xù)的補償算法。 基于變換域的紅外圖像增強算法，最常用到的變換域是頻率域，通過一定的手段（如傅里葉變換）將圖像從空間域變換到頻率域，然后在頻率域中根據(jù)需要對圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后再將變換后的結(jié)果映射到空間域得到最終的增強圖像。 紅外圖像增強的研究 現(xiàn)狀 針對紅外圖像低對比度和較為模糊的特點，人們嘗試了多種圖像增強算法。于是，又有人提出了許多具 有偽像消除能力的改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法 [13]，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法得到了完善。 基于場景的非均勻性校正技術(shù)是國內(nèi)外研究的主要方向， Nsrendra等人最早提出了基于場景統(tǒng)計的方法 [10]，他們利用探測元對輻射量響應(yīng)的線性模型，首先假定入射到各陣列元的輻射通量均值和方差相同，然后對場景內(nèi)紅外圖像進(jìn)行空間信息的統(tǒng)計，通過這些統(tǒng)計量連續(xù)的 對增益系數(shù)和偏移量進(jìn)行校正。但是該算法針對性 較強，由于它采用的是單一的輻射強度，所以離校正點越遠(yuǎn)，非均勻性殘留越大。由于非均勻性的存在使得紅外成像系統(tǒng)成像質(zhì)量受到嚴(yán)重影響 ，具有非均勻性的圖像整體會表現(xiàn)出模糊不清、目標(biāo)特征不明顯等特點，嚴(yán)重時系統(tǒng)將完全失去其探測的功能 [5]。 紅外成像系統(tǒng)具有可見光成像系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)越性能 [3]： 1）紅外成像系統(tǒng)的適應(yīng)性比較強，特別是在無可見光環(huán)境或環(huán)境比較惡劣的情況下的工作能力比可見光成像系統(tǒng)強。 （ 1） 紅外光學(xué)機械掃描成像 光學(xué)機械掃描成像的工作過程是通過控制鏡頭進(jìn)行精密的機械運動，對場景一行一行的掃描來完成的。紅外成像系統(tǒng)就是能夠?qū)崿F(xiàn)紅外輻射與可見光圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置，它將自然界物體的溫度信息通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，然后將這種電信號通過一定技術(shù)轉(zhuǎn)換成可見光圖像，這種成像技術(shù)稱