【正文】 所以，為了找到引起這一變化的原因，本文使用另一哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 26 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這一組實(shí)驗(yàn)的均方根誤差曲線的波動(dòng)幅度更大，并且可以明確的找到是哪一幀圖像引起的，便于分析，它的均方根誤差曲線如下圖 所示。 輸入層 x ( i 1 , j ) x ( i , j 1 ) x ( i , j ) x ( i + 1 , j ) x ( i , j + 1 )校正層輸出層隱含層y ( i , j ) 圖 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非均勻性校正算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 由上圖可知該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由四層組成，它們分別是輸入層、校正層、隱含層和輸出層。所以，卡爾曼濾波器使用了矢量觀測(cè)模型，且觀測(cè)模型如下： k k k kX H B V?? （ 324） 其中， kX 是 k 組幀時(shí)刻觀測(cè)長(zhǎng)度為 kl 的觀測(cè)矢量， kV 是加性電噪聲。 從紅外焦平面陣列響應(yīng)的模型中可以看出，對(duì)非均勻性的校正過(guò)程就是對(duì)每個(gè)探測(cè)元的增益系數(shù)和偏移系數(shù)進(jìn)行估計(jì)的過(guò)程[40]。 一點(diǎn)校正算法雖然可以對(duì)偏移非均勻性和增益非均勻性進(jìn)行校正，但是它對(duì)二者的校正不能同時(shí)進(jìn)行，在對(duì)其中一個(gè)校正的時(shí)候，實(shí)際上是假設(shè)另一個(gè)為可忽略的，這就造成了非均勻性的殘留比較大，影響最終的校正效果。 在介紹具體的校正算法之前，首先做一個(gè)假設(shè)：假設(shè)紅外焦平面陣列每個(gè)探測(cè)元在響應(yīng)范圍內(nèi)，對(duì)紅外輻射的響應(yīng)都為線性響應(yīng)。 外界影響引入的非均勻性 紅外成像系統(tǒng)中，場(chǎng)景輻射強(qiáng)度變化范圍、光學(xué)系統(tǒng)背景輻射等特征都會(huì)對(duì)紅外焦平面陣列的成像產(chǎn)生影響 [31]。相反，在夜間由于沒(méi)有太陽(yáng)輻射 的作用，場(chǎng)景的成像主要依靠自身的熱輻射，但是由于熱交換的存在，物體之間的溫度分布會(huì)趨于一致，從而場(chǎng)景中各物體輻射率差異較小，也就使所成圖像細(xì)節(jié)比較模糊。 第二章首先敘述了紅外圖像非均勻性產(chǎn)生的原因和非均勻性的定義，然后在此基礎(chǔ)上提出了焦平面陣列元的響應(yīng)模型。還有一些基于 3? 法的改進(jìn)算法，如基于滑動(dòng)窗口的自適應(yīng)閾值盲元檢測(cè)算法 [16]等。 基于定標(biāo)的非均勻性校正算法因?yàn)槠渌惴ê?jiǎn)單、精確度高、利于工程實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。由于紅外成像系統(tǒng)具有以上可見(jiàn)光成像系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在惡劣的氣候條件下，使用更多。目前，紅外成像系統(tǒng)使用的波段一般都處于 3~5μ m 和 8~14μ m 兩個(gè)窗口范圍內(nèi) [2]。 it is hard to distinguish between target and background. This article bining with the fuzzy set theory, grayscale transformation theory and multiresolution image fusion theory, proposed a new image enhancement algorithm. The algorithm not only can improve the contrast of infrared images, but also can keep details of original images. So, the edge information of the processed image more apparent. In this article we achieve the purpose of Infrared image nonuniformity correction, Blind pixel pensation and Image Enhancement. And also lay the foundation for our future work. Key words: Infrared focal plane array。改進(jìn)算法中使用的非線性濾波器參數(shù)可以根據(jù)局部圖像細(xì)節(jié)信息的不同作相應(yīng)的變化，校正結(jié)果不僅在清晰度方面有明顯的改善，而且有效的消除了傳統(tǒng)算法中存在偽像的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)人們都在尋求一種技術(shù)，能夠讓人眼觀察到?jīng)]有可見(jiàn)光條件下的物體，紅外輻射的發(fā)現(xiàn)使這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能，因?yàn)樗械奈矬w都或多或少的對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行著輻射。這種成像方式需要對(duì)采集到的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣處理，然后將信號(hào)依次送出，也就形成記錄了場(chǎng)景的紅外圖像。因此，對(duì)于紅外圖像的增強(qiáng)處理就顯得異常重要，一方面是為了得到良好的視覺(jué)效果，另一方面也為后續(xù)的圖像使用打下基礎(chǔ)。但是，由于它把像素周?chē)泥徲虻钠骄底鳛樵撓裨钠谕敵鲋担?，隨著迭代次數(shù)增加紅外圖像細(xì)節(jié)信息越來(lái)越不明顯，靜止目標(biāo)會(huì)逐漸融入背景。在文獻(xiàn) [21]中提出了自適應(yīng)直方圖均衡增強(qiáng)算法，該算法本質(zhì)上也是直方圖均衡算法，但是在對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理之前，使用了一個(gè)加權(quán)函數(shù)對(duì)直方圖進(jìn)行了加權(quán)處理。因此，對(duì)于紅外圖像來(lái)說(shuō)，它們具有以下特點(diǎn) [29]： （ 1）亮度低 由于紅外探測(cè)單元可響應(yīng)的輻射范圍很廣，而實(shí)際物體輻射量相對(duì)于這個(gè)范圍比較低，并且場(chǎng)景各部分的輻射分布差異比較小，所以，一般來(lái)說(shuō)紅外圖像的整體亮度較低。在非均勻性校正計(jì)算過(guò)程中，也需要相應(yīng)的算法來(lái)消除這些無(wú)效像元的影響。 m a x m inm a x m in( ) 2 100%RRNU RR????? （ 23） 定義 3：在均勻入射條件下，焦平面陣列有效像元響應(yīng)率輸出值的均方差與平均響應(yīng)率 R 的百分比 [32]。它可以從兩個(gè)方面進(jìn)行校正：一方面是對(duì)偏置不均勻性的校正，另一方面是對(duì)增益不均勻性的校正。 基于場(chǎng)景的非均勻性校正算法 雖然基于定標(biāo)的非均勻性校正 算法復(fù)雜度低、易于工程實(shí)現(xiàn)，但是這類(lèi)算法容易受到外界環(huán)境的影響，并且，陣列元響應(yīng)參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生漂移。 kW為驅(qū)動(dòng)噪聲。選取圖像序列中第 200 幀的處理結(jié)果，如圖 所示，從圖中可以看出卡爾曼濾波對(duì)紅外圖像的非均勻性的校正效果是非常明顯的，圖像變得清晰、均勻。對(duì)于步長(zhǎng)的選擇，要綜合兩個(gè)方面的因素，使兩個(gè)因素得到均衡 [45]。（ 2）改變隱含層中使用的濾波器 [48]，由于傳統(tǒng)的算法中使用的是平滑濾波，使得目標(biāo)的邊緣對(duì)濾波結(jié)果影響比較大，而目標(biāo)邊緣的影響正是偽像產(chǎn)生的根本原因，因此對(duì)于算法中濾。具體的修正過(guò)程如下：首先將非均勻性校正結(jié)果與期望輸出進(jìn)行比較，定義校正誤差 ()ijen為（由于所有運(yùn)算都是基于像素進(jìn)行的，為了方便起見(jiàn)，以后的表達(dá)式中均省略下標(biāo)）： ( ) ( ) ( )e n Y n f n?? （ 346） 將式（ 32）代入式（ 346）得到： ( ) ( ) ( ) ( )e n G n X n O f n? ? ? （ 347） 在得到理想輸出與實(shí)際輸出的誤差以后，就需要利用修正網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)對(duì)校正參數(shù)進(jìn)行修正。 設(shè)濾波器增益矩陣為 kK ，它是二維（ 2 kl? ）矩陣，計(jì)算方式如下： ( 1 )2 2 ( 1 ) 1( ( ) )kTTk k k k k k k Y lBK P H H P H R B I??? ? ?? ? ? ? ? ? ? （ 331） 式中 (1)B 是指狀態(tài)矢量矩陣 B 的第 一個(gè)元素 k ，klI是階數(shù)為 kkll? 的單哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 位矩陣， kP? 是預(yù)測(cè)誤差方差矩陣， 2Y? 和矩陣 kH 分別是實(shí)際紅外信號(hào) Y 的方差和實(shí)際接收紅外輻射量矩陣 kH 的均值，表達(dá)式如下： ? ?22 m a x m in112T k kYY? ?? （ 332） m i n m a xm i n m a x ( ) 1 ( ) 1kkkkkYYHYY????????? （ 333） 1 1 1 1Tk k k k kPP? ? ?? ? ? ? ??? （ 334） 式（ 334）描述了預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣 kP? 和前一幀塊的誤差協(xié)方差矩陣 1kP? 的 關(guān)系，同時(shí)可以遞推的利用它來(lái)求出下一幀塊的誤差協(xié)方差矩陣 kP ，具體表達(dá)式如下： 22()k k k kP I K H P ???? （ 335） 初始條件賦值： 0 0 0?B E B B?????? （ 336） 相關(guān)聯(lián)的誤差協(xié)方差矩陣為： 20 200k bP ? ???????? （ 337） 1B 可以使用狀態(tài)變量估計(jì)值 0?B 對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，過(guò)程如下： 1 0 0? ?BB??? （ 338） 當(dāng) 1k? 時(shí)，各參數(shù)賦值可以通過(guò)以下公式迭代完成： 11? ?k k kBB?? ??? （ 339） 1 1 1 1 1 1TTk k k k k k kP P G Q G??? ? ? ? ? ? ??? （ 340） 1()TTk k k k k k kK P H H P H R? ? ??? （ 341） ? ? ?()k k k k k kB B K X H B??? ? ? （ 342） ()k k k kP I K H P ??? （ 343） 由式（ 342）可以看出對(duì)于狀態(tài)變量 kB 的估計(jì)分兩部分完成，一部分是根據(jù)以前的狀態(tài)對(duì)它進(jìn)行預(yù)測(cè)，另一部分是對(duì)預(yù)測(cè)的校正。 （ 1） 狀態(tài)模型 由于探測(cè)元的狀態(tài)漂移十分緩慢，那么我們可以近似認(rèn)為在第 k 組幀內(nèi)各探測(cè)元的兩個(gè)狀態(tài)變量是不變的，而相鄰幀塊狀態(tài)變量可以認(rèn)為后一組是經(jīng)過(guò)前一組的隨機(jī)擾動(dòng)得到的，所以我們可以把探測(cè)元增益系數(shù)和偏移量抽象為高斯 — 馬爾可夫過(guò)程的隨機(jī)狀態(tài)變量。 XT L T H t123XT L T H t123 圖 兩點(diǎn)校正算法示意圖 從圖中可以看出，在焦平面陣列元的線性響應(yīng)范圍內(nèi)，兩點(diǎn)校正算法可以在補(bǔ)償陣列元偏移因子的同時(shí)，也對(duì)陣列元的增益因子做出了修正，有效的改善了一點(diǎn)校正算法的不足。這一節(jié)主要討論這兩種校正算法，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。 非均勻性定義 1：在均勻入射條件下，焦平面陣列有效像元對(duì)輻射 響應(yīng)的最大值與最小值之差，同各有效像元響應(yīng)率平均值的百分比。這種不一致性是隨機(jī)的，它與工藝制 造水平有關(guān)，如閾值電壓不同、表面密度不均勻、溝道參雜濃度不同等，這些因素在實(shí)際的制造過(guò)程中是不可避免的。人們通常使用外部的校正算法對(duì)紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行校正，本章分析了紅外焦平面陣列的成像特點(diǎn)、非均勻性的定義和產(chǎn)生的原因等。但是當(dāng)原圖像灰度范圍較大時(shí)，算法的增強(qiáng)效果變差。最后根據(jù)探測(cè)元對(duì)輻射量的響應(yīng)特性對(duì)過(guò)程進(jìn)行初始化，就可以利用卡爾曼濾波關(guān)系式完成對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)。 另外，紅外成像系統(tǒng)與可見(jiàn)光成像系統(tǒng)不同，它反映的是場(chǎng)景物體的熱輻射量，所以它更容易受到周?chē)h(huán)境輻射和自身靈敏度的影響。故此，在 20 世紀(jì) 70 年代產(chǎn)生了一種新型的也是當(dāng)今最受人們重視的紅外凝視焦平面陣列式成像方式。物體的熱輻射在常溫下主要表現(xiàn)為紅外輻射，人們又稱(chēng)紅外輻射為紅外線，它是一種人眼感覺(jué)不到的光線，具有很強(qiáng)的熱作 用，所以又稱(chēng)為熱輻射。 紅外焦平面陣列是成像系統(tǒng)的最重要的器件，它的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。 Blind pixel’s pensation。 紅 外 輻 射 （ 目 標(biāo) / 背 景 / 各 種干 擾 輻 射 ）光 學(xué) 系統(tǒng)紅 外 探 測(cè) 器視 頻 放 大 器顯 示 器大 氣傳 輸紅 外 輻射 聚 焦電 信號(hào)紅 外 圖 像紅 外 成 像 系 統(tǒng) 圖 紅外成像系統(tǒng)示意圖 按成像方式不同紅外探測(cè)器可以分為：光學(xué)機(jī)械掃描成像和紅外凝視焦平面陣列式成像 [3]。非均勻性的產(chǎn)生原因有許多，其中加工工藝水平限制和外界影響，以及自身的工作狀態(tài)都會(huì)為系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的非均勻性。在關(guān)注這類(lèi)算法各種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，我們還必須了了解它們一個(gè)共同的缺點(diǎn) ：需要周期性的進(jìn)行重新校正，這是由于在工作過(guò)程中紅外焦平面陣列非均勻性會(huì)隨時(shí)間、環(huán)境等因素的影響有緩慢的變化，這樣就增加了設(shè)備的復(fù)雜度，于是人們提出了基于場(chǎng)景的非均勻性校正算法，該類(lèi)算法各參數(shù)的更新都是來(lái)自于對(duì)場(chǎng)景的估計(jì)，就避免了定標(biāo)校正算法的缺點(diǎn) [9]。從有效像元和盲元響應(yīng)特征在統(tǒng)計(jì)分布上的差異方面出發(fā)，石巖等人 [18]提出了基于特征直方圖分解的紅外焦平面陣列無(wú)效像元檢測(cè)算法，也是一種很好的檢測(cè)算法。在此基礎(chǔ)上， 分析了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法的不足，然后通過(guò)引入非線性濾波器改善了傳統(tǒng)算法的缺點(diǎn)，并取得了很好的效果，文中給出了仿真結(jié)果參數(shù)的對(duì)比。 紅外焦平面陣列非均勻性產(chǎn)生的原因 紅外圖像非均勻性產(chǎn)生的因素是非常復(fù)雜的，這