红外图像非均匀性校正和增强技术研究工学硕士学位论文

红外图像非均匀性校正和增强技术研究工学硕士学位论文内容摘要：

面阵列元的响应模型。 第三章首先介绍了几种定标校正算法的工作原理，然后介绍了基于场景校正算法中的卡尔曼滤波校正算法、神经网络校正算法，并给出了仿真结果分析。 在此基础上， 分析了基于神经网络校正算法的不足，然后通过引入非线性滤波器改善了传统算法的缺点，并取得了很好的效果，文中给出了仿真结果参数的对比。 第四章首先介绍了红外图像中盲元的产生的原因及盲元补偿的意义，然后给出了盲元的检测算法和后续的补偿算法。 第五章在模糊集理论的基础上，结合图像反色和多分辨率融合等理论，提出了一种新的基于模糊集理论的图像增强算法，并在对比度测量函数、均值、标准差等方面，将传统算法处理结果和本文算法处理结果进行了对比和分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 第二章 红外成像非均匀性产生的原因和定义 非制冷红外焦平面阵列的产生，标志 着红外成像系统进入了一个全新的发展阶段。 但是，受到当前技术水平和工艺水平的限制，并且在成像系统运行过程中，存在外部干扰，这些因素都导致了在现实中很难生产出具有理想均匀性的红外焦平面阵列，因此，非均匀性普遍存在于红外焦平面阵列中。 人们通常使用外部的校正算法对红外成像系统进行校正，本章分析了红外焦平面阵列的成像特点、非均匀性的定义和产生的原因等。 红外焦平面阵列成像特点 红外图像响应的是场景的红外辐射，这主要是由场景的温度差异和辐射量决定的，像素间灰度的差异主要反映的是场景中温度分布的差异，一般来说这种 差异是非常微弱的。 因此，对于红外图像来说，它们具有以下特点 [29]： （ 1）亮度低 由于红外探测单元可响应的辐射范围很广，而实际物体辐射量相对于这个范围比较低，并且场景各部分的辐射分布差异比较小，所以，一般来说红外图像的整体亮度较低。 （ 2）低信噪比 自然界中的分子是时刻处于热运动状态中的，并且成像系统自身存在电流噪声，这些都是导致红外图像信噪比低的原因。 所以在实际应用中不仅需要明确噪声的来源，而且还要对这些噪声进行消除处理，这是必不可少的环节。 （ 3）低对比度 自然环境中目标与背景之间存在热交换、大气热辐 射和吸收，这就导致了场景中各部分温度差异不大，在红外图像中就表现为对比度较低。 （ 4）相邻帧红外图像差别不大 由于红外图像摄取速度较快，一般在 25~30 帧 /秒之间，在短暂的时间间隔内，场景中各部分的辐射量基本保持不变，这也为基于序列图像的目标特征提取和定位提供了保证。 （ 5）太阳辐射的影响 第二章 红外成像非 均匀性产生的原因和定义 9 一般来说，红外成像系统在白天的成像质量要优于夜晚。 这主要是因为场景中不同的物体（或同一物体的不同部分），对于太阳发出的辐射具有不同的吸收率和反射率，这就使白天所成的红外图像在细节方面比较明显。 相反，在夜间由于没有太阳辐射 的作用，场景的成像主要依靠自身的热辐射，但是由于热交换的存在，物体之间的温度分布会趋于一致，从而场景中各物体辐射率差异较小，也就使所成图像细节比较模糊。 根据上面对红外图像特点的描述，可以总结出红外图像最典型的特点是：图像亮度低、信噪比较低、直方图较为集中、对比度低，并且弱小目标容易淹没在背景之中。 红外焦平面阵列非均匀性产生的原因 红外图像非均匀性产生的因素是非常复杂的，这主要是因为红外成像要经过多个过程共同作用：首先，场景中各物体对周围产生了热辐射；然后，这些热辐射以大气传输的方式送到光学采集系 统；最后，通过探测元将光学采集系统采集到的热辐射信号转换成电信号，并使用外部电路对电信号进行处理；这就是一个完整的红外成像系统的工作过程。 在这个过程中，每一步都有可能引入非均匀性，它可能是系统自身因素带来的，也可能是外界影响带来的 [30]。 红外成像系统非均匀性的来源如图 所示。 系统自身因素带来的非均匀性 成像系统自身缺陷主要表现在红外焦平面阵列元响应的不一致性、 1/f 噪声影响、光学系统的影响和放大电路非一致性带来的非均匀性 [30]。 （ 1） 阵列元响应的不一致性。 这种不一致性是随机的，它与工艺制 造水平有关，如阈值电压不同、表面密度不均匀、沟道参杂浓度不同等，这些因素在实际的制造过程中是不可避免的。 另外，红外焦平面阵列中无效像元的影响也是不可忽略的，这些无效像元对热辐射的响应率与正常像元相比差异很大，具体表现在所成的图像中随机的亮点和黑点。 在非均匀性校正计算过程中，也需要相应的算法来消除这些无效像元的影响。 （ 2） 1/f 噪声。 又称电流噪声，它有很高的空间频率和很低的时域频率，数量级较小，是一个非平稳地随机过程，具体表现为信哈尔滨工程大学硕士学位论文 10 号的加性噪声，校准只在短时间内有作用。 （ 3） 光学系统的影响。 光学系统的影响主要表现为乘性 噪声，它也是由多种因素引起的，如当光学镜头的加工精密度不够时会引入非均匀性，另外镜头存在的光学孔径效应也会对成像产生很大的影响。 （ 4） 放大电路的非一致性。 探测元转换得到的电信号是非常微弱的，因此在成像过程中需要对这些响应信号进行放大处理，所需要的放大电路也不止一个，例如 CCD 探测器，响应信号的放大是以行为单位的，由于每个放大器参数不可能完全一致，这就引入了非均匀性。 外界影响引入的非均匀性 红外成像系统中，场景辐射强度变化范围、光学系统背景辐射等特征都会对红外焦平面阵列的成像产生影响 [31]。 场景辐 射强度是不断变化的，这种变化不仅表现为场景辐射总量的变化，而且还有辐射光谱的变化，然而红外探测单元对光谱的响应是一个复杂的过程，当场景辐射光谱变化时，不能够保证探测元仍然具有相同的均匀性，即便是它对辐射总量响应均匀。 这一类非均匀性是由外部环境影响引入的，很难通过探测系统自身进行消除。 遮光罩的影响响应非线性放大器阵列响应非一致性移位读出电路的影响响应非一致性响应非线性1 / f 噪声光学系统部分 焦平面阵列元 读出机构 信号放大部分 图 非均匀性的产生 红外焦平面阵列空间响应非均匀性的定量评价 目前有多种关于非均匀性的定义方法，每一种方式都有不同侧重点。 由于在非均匀性的定义中用到了平均 响应率的概念，为了便于理解，我们首先给出平均响应率的概念：焦平面各有效像第二章 红外成像非 均匀性产生的原因和定义 11 元响应率的平均值，计算公式如下： 111 ( , )() MNijR R i jM N d h      （ 21） 式中： ,MN— 分别是焦平面阵列的行和列数。 ,dh— 分别为无效像元中的过热像元和死像元个数。 需要注意的是求和的过程不包括无效像元。 非均匀性定义 1：在均匀入射条件下，焦平面阵列有效像元对辐射 响应的最大值与最小值之差，同各有效像元响应率平均值的百分比。 m a x m in 100%RRNU R （ 22） 定义 2：在均匀入射条件下，焦平面阵列有效像元对辐射响应的最大值与最小值之差的 2 倍，与它们和的百分比。 m a x m inm a x m in( ) 2 100%RRNU RR （ 23） 定义 3：在均匀入射条件下，焦平面阵列有效像元响应率输出值的均方差与平均响应率 R 的百分比 [32]。 21111 ( ) 1 0 0 %() MN ijijN U R RM N d hR       （ 24） 以上式（ 22）、（ 23）、（ 24）中， ijR 是焦平面上第 i 行、第j 列像元所对应的响应率， R 是平均响应率， M、 N 分别是焦平面阵列的行和列数， d 和 h 分别为焦平面阵列中过热像元数和死像元数。 其中，式（ 24）是 1999 年中华人民共和国国家标准“红外焦平面阵列特性参数测试技术规范”中对非均匀性 的定义 [33]。 本章小结 本章首先分析了红外成像系统工作的特点，然后列出了几种常见的非均匀性产生的原因，及引入噪声的类型，只有明确了非均匀性的来源，才能更好的预防和校正，最后给出了几种关于红外图像非均匀性的定义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 12 第三章 红外图像非均匀性校正算法 目前国内外存在多种非均匀性校正算法，根据校正方式不同可以两大类：基于定标和基于场景的非均匀性校正算法。 基于定标的非均匀性校正算法复杂度低、精确度高、利于工程中实时实现 [34]。 基于场景的非均匀性校正算法提高了系统的自适应能力，能够根据响应参数的漂移 调整校正系数，是目前研究的主要方向[35]。 在介绍具体的校正算法之前，首先做一个假设：假设红外焦平面阵列每个探测元在响应范围内，对红外辐射的响应都为线性响应。 对于焦平面阵列中处于第 i 行、 j 列的阵列元，在 n 时刻的输出响应模型，可以表示为： ( ) ( ) ( ) ( ) ( 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— 为第 ij 个阵列元在 n 时刻接收到的辐射量 ()ijXn— 为第 ij 个阵列元在 n 时刻的响应输出 ()ijkn— 为第 ij 个阵列元在 n 时刻的增益因子 ()ijbn— 为第 ij 个阵列元在 n 时刻的偏置因子 在理想的情况下，各探测元的增益因子 ()ijkn都是相同的，并且偏置因子 ()ijbn 都为 0，这样， ()ijXn 就可以真实的反映出输入图像。 但是在实际情况中，各像元的 ()ijkn不完全相同，并且 ()ijbn也不一定都为 0，这就产生了非均匀性。 上式又可表示为： ( ) ( ) ( ) ( ) ( 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 为第 ij 个阵列元在 n 时刻的增益校正因子 ( ) ( ) / ( )ij ij ijO n b n k n 为第 ij 个阵列元在 n 时刻的偏移量校正因子 式（ 32）即为对阵列元的非均匀性校正公式 [36]。 基于定标的非均匀性校正算法 目前，基于定标的校正方法中比较成熟和广泛应用的是一点校 正法和两点校正法，其他的像多点校正算法、分段线性算法等，都是以这两种校正算法为基础的，原理都是一样的。 这一节主要讨论这两种校正算法，并对它们的优缺点进行分析。 第三章 红外图像非均匀性校正算法 13 一点温度定标法 一点定标算法最早是在 1995 年由 Schulz M 和 Caldwell L 提出的，一点定标校正算法原理是：将阵列元对某一特定温度的均匀黑体的响应校正为一致 [37]。 它可以从两个方面进行校正：一方面是对偏置不均匀性的校正，另一方面是对增益不均匀性的校正。 如图 所示： XT123tXT123t 图 一点校正算法示意图 （ 1） 针对偏置因子的校正算法 当焦平面阵列增益不均匀性可忽略不计，并且偏置带来的不均匀性比较明显时，这种校正算法效果较好。 假设选取温度为 T的黑体作为辐射源，所有的 MN 个阵列元在 n 时刻的输出响应为()ijXT，求其平均值 ()XT ： 11( ) ( ) / (0。 0 )MNijijX T X T M N i M j N     （ 33） 则它的偏置校正因子为： ( ) ( ) ( ) ( 0。 0 )i j i jb T X T X T i M j N      （ 34） 校正过后阵列元在任一辐照度 t 下响应输出 ()ijSt 为： ( ) ( ) ( )ij ij ijS t X t b T （ 35） 由图 可以看出，这一算法主要是对偏置因子的校正。 对于增益因子非均匀性较大的情况就不适用了，这就要用到另一种算法：增益因子的一点校正算法。 （ 2） 针对增益因子的校正算法 选取温度为 T 的黑体作为辐射源，在时刻 n 对所有阵列元的输出响应 ()ijXT求平均 ()XT（见式（ 33）），对各阵列元的增益因子哈尔滨工程大学硕士学位论文 14 进行校正，则增益校正因子为： ( ) ( ) / ( )ij ijk T X T X T （ 36） 于是，根据校正因子可以对阵列元输出进行校正： ( ) ( ) ( )ij ij ijS t k T X t （ 37） 上式中 ()ijSt为非均匀性校正后阵列元的输出值， ()ijXt为阵列元对温度为 t 的目标的实际响应率。 一点校正算法虽然可以对偏移非均匀性和增益非均匀性进行校正，但是它对二者的校正不能同时进行，在对其中一个校正的时候，实际上是假设另一个为可忽略的，这就造成了非均匀性的残留。