【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第一章 緒論 5 元的標(biāo)準(zhǔn)是：將像元灰度值和場(chǎng)景均值之間的偏差與一閾值相比較，如果大于，則判定為盲元，這一算法中閾值設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)差的 3倍。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。另外還有基于參考源的檢測(cè)算法，算法中首先通過(guò)對(duì)黑體成像的方式獲取均勻輻射圖像，然后再根據(jù)盲元與正常像元之間統(tǒng)計(jì)特性的不同來(lái)進(jìn)行盲元的判定，雙參考源法就屬于此類(lèi)算法 [17]。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。 紅外圖像增強(qiáng)的研究 現(xiàn)狀 針對(duì)紅外圖像低對(duì)比度和較為模糊的特點(diǎn)，人們嘗試了多種圖像增強(qiáng)算法。這些算法根據(jù)作用域的 不同，大致可以分為兩大類(lèi)：基于空間域的圖像增強(qiáng)算法和基于變換域的圖像增強(qiáng)算法。 最基礎(chǔ)的空域增強(qiáng)算法，如直方圖修正、灰度拉伸等 [19]。在所處理的紅外圖像的灰度級(jí)僅占用全部灰度級(jí)范圍的一部分時(shí)，它們對(duì)圖像對(duì)比度的增強(qiáng)效果比較明顯，因?yàn)樗鼈兊幕舅枷攵际菍D像直方圖中的灰度級(jí)從給定的灰度映射到另一個(gè)灰度。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。文獻(xiàn) [20]中則提出了一種直方圖均衡的改進(jìn)算法，算法中使用了廣義直方圖的概念，有效的克服了傳統(tǒng)直方圖均衡化方法的不足，在保留了目標(biāo)細(xì)節(jié)的情況下，既能控制增強(qiáng)效果 ，也保證了不會(huì)過(guò)分放大噪聲。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。另外，文獻(xiàn) [22]、 [23]中分別提出了直方圖非線(xiàn)性拉伸增強(qiáng)算法和平臺(tái)直方圖增強(qiáng)算法。 基于變換域的紅外圖像增強(qiáng)算法，最常用到的變換域是頻率域，通過(guò)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(duì)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(qiáng)圖像。另外，常用的變換域還有模 糊域，即基于模糊集理論的圖像增強(qiáng)算法，該算法是于 20世紀(jì) 80年代中期， [24]，由于其良好的處理效果而得到了廣泛的應(yīng)用，并有人在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)算法。文獻(xiàn) [25]介紹了基于二維離散小波變換的紅外圖像增強(qiáng)方法，該算法計(jì)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。 近年來(lái)，研究人員不斷嘗試著將一些數(shù)學(xué)工具運(yùn)用到紅外圖像的增強(qiáng)中，如文獻(xiàn) [26]中提到的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像增強(qiáng)算法，文獻(xiàn) [27]中進(jìn)行了基于遺傳算法的紅外圖像增強(qiáng)研究，文獻(xiàn) [28]將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)用 于圖像增強(qiáng)，它們都取得了很好的效果，并且都得到了廣泛的應(yīng)用。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 本文的主要工作及內(nèi)容安排 第一章是緒論，主要介紹了紅外探測(cè)器發(fā)展的過(guò)程，以及紅外成像系統(tǒng)所成圖像的特點(diǎn)，然后對(duì)紅外圖像非均勻性校正和增強(qiáng)兩方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出了各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。 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。 第三章首先介紹了幾種定標(biāo)校正算法的工作原理，然后介紹了基于場(chǎng)景校正算法中的卡爾曼濾波校正算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法，并給出了仿真結(jié)果分析。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(xiàn)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。 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(bǔ)償?shù)囊饬x，然后給出了盲元的檢測(cè)算法和后續(xù)的補(bǔ)償算法。 第五章在模糊集理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像反色和多分辨率融合等理論，提出了一種新的基于模糊集理論的圖像增強(qiáng)算法，并在對(duì)比度測(cè)量函數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等方面，將傳統(tǒng)算法處理結(jié)果和本文算法處理結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析。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(gè)全新的發(fā)展階段。但是，受到當(dāng)前技術(shù)水平和工藝水平的限制，并且在成像系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，存在外部干擾，這些因素都導(dǎo)致了在現(xiàn)實(shí)中很難生產(chǎn)出具有理想均勻性的紅外焦平面陣列，因此，非均勻性普遍存在于紅外焦平面陣列中。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 。 紅外焦平面陣列成像特點(diǎn) 紅外圖像響應(yīng)的是場(chǎng)景的紅外輻射，這主要是由場(chǎng)景的溫度差異和輻射量決定的，像素間灰度的差異主要反映的是場(chǎng)景中溫度分布的差異，一般來(lái)說(shuō)這種 差異是非常微弱的。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。 （ 2）低信噪比 自然界中的分子是時(shí)刻處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的，并且成像系統(tǒng)自身存在電流噪聲，這些都是導(dǎo)致紅外圖像信噪比低的原因。所以在實(shí)際應(yīng)用中不僅需要明確噪聲的來(lái)源，而且還要對(duì)這些噪聲進(jìn)行消除處理，這是必不可少的環(huán)節(jié)。 （ 3）低對(duì)比度 自然環(huán)境中目標(biāo)與背景之間存在熱交換、大氣熱輻 射和吸收，這就導(dǎo)致了場(chǎng)景中各部分溫度差異不大，在紅外圖像中就表現(xiàn)為對(duì)比度較低。 （ 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(shí)間間隔內(nèi)，場(chǎng)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。 （ 5）太陽(yáng)輻射的影響 一般來(lái)說(shuō)，紅外成像系統(tǒng)在白天的成像質(zhì)量要優(yōu)于夜晚。這主要是因?yàn)閳?chǎng)景中不同的物體（或同一物體的不同部分），對(duì)于太陽(yáng)發(fā)出的輻射具有不同的吸收率和反射率，這就使白天所成的紅外圖像在細(xì)節(jié)方面比較明顯。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。 根據(jù)上面對(duì)紅外圖像特點(diǎn)的描述，可以總結(jié)出紅外圖像最典型的特點(diǎn)是：圖像亮度哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 低、信噪比較低、直方圖較為集中、對(duì)比度低，并且弱小目標(biāo)容易淹沒(méi)在背景之中。 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，這主要是因?yàn)榧t外成像要經(jīng)過(guò)多個(gè)過(guò)程共同作用：首先，場(chǎng)景中各物體對(duì)周?chē)a(chǎn)生了熱輻射；然后，這些熱輻射以大氣傳輸?shù)姆绞剿偷焦鈱W(xué)采集系 統(tǒng)；最后，通過(guò)探測(cè)元將光學(xué)采集系統(tǒng)采集到的熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并使用外部電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理；這就是一個(gè)完整的紅外成像系統(tǒng)的工作過(guò)程。在這個(gè)過(guò)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(lái)的，也可能是外界影響帶來(lái)的 [30]。紅外成像系統(tǒng)非均勻性的來(lái)源如圖 所示。 系統(tǒng)自身因素帶來(lái)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(lái)的非均勻性 [30]。 （ 1） 陣列元響應(yīng)的不一致性。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。另外，紅外焦平面陣列中無(wú)效像元的影響也是不可忽略的，這些無(wú)效像元對(duì)熱輻射的響應(yīng)率與正常像元相比差異很大，具體表現(xiàn)在所成的圖像中隨機(jī)的亮點(diǎn)和黑點(diǎn)。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。 （ 2） 1/f 噪聲。又稱(chēng)電流噪聲，它有很高的空間頻率和很低的時(shí)域頻率，數(shù)量級(jí)較小，是一個(gè)非平穩(wěn)地隨機(jī)過(guò)程，具體表現(xiàn)為信號(hào)的加性噪聲，校準(zhǔn)只在短時(shí)間內(nèi)有作用。 （ 3） 光學(xué)系統(tǒng)的影響。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(shí)會(huì)引入非均勻性，另外鏡頭存在的光學(xué)孔徑效應(yīng)也會(huì)對(duì)成像產(chǎn)生很大的影響。 （ 4） 放大電路的非一致性。探測(cè)元轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)是非常微弱的，因此在成像過(guò)程中需要對(duì)這些響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理，所需要的放大電路也不止一個(gè)，例如 CCD 探測(cè)器，響應(yīng)信號(hào)的放大是以行為單位的，由于每個(gè)放大器參數(shù)不可能完全一致，這就引入了非均勻性。 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]。場(chǎng)景輻 射強(qiáng)度是不斷變化的，這種變化不僅表現(xiàn)為場(chǎng)景輻射總量的變化，而且還有輻射光譜的變化，然而紅外探測(cè)單元對(duì)光譜的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，當(dāng)場(chǎng)景輻射光譜變化時(shí)，不能夠保證探測(cè)元仍然具有相同的均勻性，即便是它對(duì)輻射總量響應(yīng)均勻。這一類(lèi)非均勻性是由外部環(huán)境影響引入的，很難通過(guò)探測(cè)系統(tǒng)自第二章 紅外成像非均勻性產(chǎn)生的原因和定義 9 身進(jìn)行消除。 遮光罩的影響響應(yīng)非線(xiàn)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(xiàn)性1 / f 噪聲光學(xué)系統(tǒng)部分 焦平面陣列元 讀出機(jī)構(gòu) 信號(hào)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(píng)價(jià) 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(diǎn)。由于在非均勻性的定義中用到了平均 響應(yīng)率的概念，為了便于理解，我們首先給出平均響應(yīng)率的概念：焦平面各有效像元響應(yīng)率的平均值，計(jì)算公式如下： 111 ( , )() MNijR R i jM N d h ??? ? ? ? ?? （ 21） 式中： ,MN— 分別是焦平面陣列的行和列數(shù)。 ,dh— 分別為無(wú)效像元中的過(guò)熱像元和死像元個(gè)數(shù)。 需要注意的是求和的過(guò)程不包括無(wú)效像元。 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。 m a x m in 100%RRNU R??? （ 22） 定義 2：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的 2 倍，與它們和的百分比。 m a x m i nm a x m i n( ) 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]。 21111 ( ) 1 0 0 %() MN ijijNU R RM N d hR ??? ? ?? ? ? ?? （ 24） 以上式（ 22）、（ 23）、（ 24）中， ijR 是焦平面上第 i 行、第 j 列像元所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 率， R 是平均響應(yīng)率， M、 N 分別是焦平面陣列的行和列數(shù)， d 和 h 分別為焦平面陣列中過(guò)熱像元數(shù)和死像元數(shù)。其中，式（ 24）是 1999 年中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“紅外焦平面陣列特性參數(shù)測(cè)試技術(shù)規(guī)范”中對(duì)非均勻性 的定義 [33] 。 本章小結(jié) 本章首先分析了紅外成像系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，然后列出了幾種常見(jiàn)的非均勻性產(chǎn)生的原因，及引入噪聲的類(lèi)型，只有明確了非均勻性的來(lái)源，才能更好的預(yù)防和校正，最后給出了幾種關(guān)于紅外圖像非均勻性的定義。 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(guó)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?xún)纱箢?lèi)：基于定標(biāo)和基于場(chǎng)景的非均勻性校正算法?；诙?biāo)的非均勻性校正算法復(fù)雜度低、精確度高、利于工程中實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn) [34]?；趫?chǎng)景的非均勻性校正算法提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，能夠根據(jù)響應(yīng)參數(shù)的漂移 調(diào)整校正系數(shù)，是目前研究的主要方向 [35]。 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(xiàn)性響應(yīng)。對(duì)于焦平面陣列中處于第 i 行、 j 列的陣列元，在 n 時(shí)刻的輸出響應(yīng)模型，可以表示為： ( ) ( ) ( ) ( ) ( 0 。 0 )i j i j i j i jX n k n Y n b n i M j N? ? ? ? ? ? （ 31） 式中， ()ijYn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻接收到的輻射量 ()ijXn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的響應(yīng)輸出 ()ijkn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的增益因子 ()ijbn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的偏置因子 在理想的情況下，各探測(cè)元的增益因子 ()ijkn都是相同的，并且偏置因子 ()ijbn 都為 0，這樣， ()ijXn 就可以真實(shí)的反映出輸入圖像。但是在實(shí)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。上式又可表示為： ( ) ( ) ( ) ( ) ( 0 。 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(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的增益校正因子 ( ) ( ) / ( )ij ij ijO n b n k n?? 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的偏移量校正因子 式（ 3