红外图像处理算法研究及其FPGA实现(4)

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外

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测处理。ｌ圆胯履呆７Ｉ一”一。’Ｉｌ像

图２．１红外图像产生过程

从图２．１中可以看出：目标和背景的红外辐射需经过大气传输、光学成像、

光电转换和电子处理等过程，才被转换成为红外图像。由于红外图像感受和反映的是目标与背景物自身向外红外辐射能量的差异。而可见光图像感受和反映的是目标及背景反射来自太阳或其它物体光线强弱的差异。前者属于被动成像而后者属于主动成像，并且都与构成目标及背景物的材料、颜色及表面光亮度有关。因此，红外成像和可见光成像存在着本质上的差异。红外热图像具有以

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下的特点１１２】：

（１）红外图像空间相关性强、对比度低、视觉效果模糊

在对比度上，由于红外热像仪是利用目标与背景间的温差成像，而大多数

情况下，景物和环境的温差比较小，再加上经过大气传输、热像仪中光学部分和电子处理部分过程中损失的灰度级，所以红外图像的对比度比较低，不利于人眼的观察。

（２）红外热图像是灰度图像，故对人眼而言，分辨率低、分辨潜力差

在分辨率方面，红外成像系统由于探测器阵列数目有限及探测单元尺寸的

限制，空间采样频率无法满足采样定理，图像空间分辨率低，混频现象有时很严重。按照傅立叶光学的观点，光学成像系统是一个低通滤波器，由于受到光学衍射的影响，其传递函数在由衍射极限分辨率所决定的某个截止频率以上，其权值均为０。而大多数自然景物空间频率较丰富，包括各种高频信息，红外成像系统由于光学衍射和有限的探测器尺寸，成像过程中，图像信号的高频部分（细节）会有所丢失，造成图像的模糊和变形。所以目前的红外热像仪输出的红外图像分辨率较低Ｉｌｏｌ。

（３）红外图像的清晰度低于可见光图像，信噪比比普通电视图像低

红外图像噪声情况非常复杂，不论是外界环境的随机干扰，还是内部物理

量的随机变化均可产生图像噪声。仅红外探测器输出的基本噪声就有热噪声、散粒噪声、产生复合噪声、１／ｆ噪声、光子电子涨落噪声等。噪声来源多样，类型繁多，这些都造成红外热图像上噪声的不可预测的分布复杂性。

（４）红外图像具有非均匀性，体现为图像的固定图案噪声、串扰、畸变等

由于红外焦平面阵列成像技术放弃了放大器与探测器单元一一对应的工作

模式，对探测器的空间均匀性提出了更高的要求。由于许多无法控制的因素和工艺水平的限制，每个光敏元的响应率不可能完全一致，其直流偏置也不同，这种响应和偏置的非均匀性，使成像系统即使在均匀背景照射下输出的图像亮度也不一致，出现许多亮斑或条纹，即红外焦平面探测器中各探测单元辐射响应随空间位置发生变化，称为红外焦平面阵列的非均匀性（ＮＵ），也称为空间噪声、固定图像噪声【ｌ¨。

以上的四个方面是影响红外图像显示的几个特点，有系统本身的缺点，如

工艺等，也有红外图像自身的特点造成的影响，要想得到适合人们观察的图像，必须对其进行相应的处理。

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２．２红外图像处理算法研究及改进

红外图像存在着图像分辨率低、图像对比度不高、有噪声、具有非均匀性

以及图像是黑白图像（对人眼而言，分辨潜力差）等缺陷，要想得到适宜人们观测的图像必须经过相应的处理。因此，红外图像实时处理的算法也主要集中在图像增强、去噪、非均匀性校正和伪彩色变换等方面。现今己经有很多有关图像处理的成熟算法，但大多过于复杂，计算量大，不利于将其实时化和模块化，因此只有在对图像效果影响不大的基础上对现有的算法进行改进，使之在硬件上易于实现，才是目前红外图像实时处理的关键所在。对红外图像的处理的一般流程为图２．２所示。

噪声

去除

ｌ－＿■灰度变换＿－◆伪彩色变换Ｉ图像显示ＩｌＩ＿………羔燮塑季簦………．：

图２－２红外图像处理流程图Ｉ

从图上可以看出，首先对红外探头进来的图像进行非均匀性校正，为了便

于后面的处理，接着要对图像进行去噪处理，本文主要对红外图像进行了平滑滤波，然后针对图像对比度不高的问题，对图像进行了灰度变换，增强了图像的对比度，最后，为了便于观察，进行了伪彩色变换，经过这四步的处理，红外图像得到了增强，可直接送显示电路显示。

２．２．１非均匀性校正

红外焦平面阵列的图像信号输出非均匀性是光敏元、读出电路、放大电路

及半导体特性等各种因素综合的结果。由于红外信号的特点是高背景、低反差，红外目标图像的对比度很低，这样ＩＲＦＰＡ的非均匀性产生的影响就不可忽视，

它严重影响了目标图像的清晰度，甚至有可能将目标完全淹没【１３１。为了能够从红外图像中正确地识别出目标并且在终端显示，必须在红外图像进行非均匀校正后再对其进行增强处理。

目前红外非均匀性校正有很多方法，主要有两大类：基于参考辐射源的和

基于场景的非均匀性校正。基于场景的非均匀性校正具有自适应性，但计算量

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比较大，不利于实时实现，所以工程上一般不常用。基于参考辐射源的非均匀性校正实时性比较好，工程上一般采用这种方法。基于参考辐射源的方法主要有两点校正法、多点校正法、非线性拟合校正法和低次插值校正法等。两点校正以及多点校正法都是基于探测器光敏单元是线性定常的假设之上进行的【１４１，故无法避免光敏单元的非线性对校正效果的影响，造成了较大的剩余非均匀性的存在。由于非线性拟合校正法和低次插值校正法考虑到了红外焦平面阵列的非线性，所以精度较前两种高。本文采用非线性拟合校正法进行探讨。

据文献【１５】表明：一般探测元的响应近似为二次曲线。假设探测元的响应是

二次曲线，并且具有时间上的稳定性，这样ＩＲＦＰＡ的单元响应就可以表示为：

＆（咖＝ａｉｆｐ２＋６ｆ缈＋Ｄ（２．１）

其中：Ｓｉ（Ｑ）为探测元的响应输出，对于不同的探测元，ａｉ、ｂｉ和Ｃｉ是不同

的，也就是说对于同一入射辐射通量，其输出Ｓｉ（Ｑ）是不同的。

Ｓｉ（９）Ｓｉ（叩）

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