CN103335716B - 基于变积分时间的面阵红外相机定标与非均匀性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法，包括以下步骤：红外面阵相机成像系统上电后，微型电机驱动遮光片将光路遮挡；时序驱动模块产生3个不同的积分时间T₁，T₂，T₃，同时图像采集模块采集F(F≥50)帧不同积分时间下的响应数据n＝1～50，(i，j)为像元坐标，并计算出各自的均值X₁(i，j)，X₂(i，j)，X₃(i，j)；本发明基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法，该方法实现过程简单，不依赖于黑体及其控温装置，所需的积分时间点少，且易于集成在红外成像处理硬件系统中。

Description

基于变积分时间的面阵红外相机定标与非均匀性校正方法

技术领域

本发明属于面阵红外相机成像技术中图像处理技术领域，具体是一种基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法。

背景技术

红外面阵相机因为其凝视成像、高帧频的优点，广泛应用于测绘遥感、夜视侦察、温度监控等各类红外成像系统中。由于现阶段制造水平的限制，红外面阵相机各探测元之间普遍存在响应的非均匀性，这种非均匀性形成了固定图案噪声，影响了系统的成像质量。对面阵红外相机各探测元进行非均匀性校正，是提高图像质量，提高系统空间分辨率和温度分辨率的必要措施。

非均匀校正方法主要有两大类：一类是基于参考辐射源定标的校正方法，另一类是基于场景的校正方法。基于参考辐射源定标的方法具有步骤清晰、算法简单的优点，但是无法适应相机参数的漂移，需要周期性地定标来消除参数漂移的影响。基于场景的校正方法不需要参考辐射源，利用实际的红外场景数据提取校正系数，具有自适应的优点，但是算法复杂，计算量与存储量巨大，在红外相机的硬件平台上实时实现较为困难。

目前在各类面阵红外相机中，基于参考辐射源定标的非均匀性校正方法仍然是主流应用。尤其是各大红外相机生产商在相机出厂时，普遍采用黑体定标的方式将校正系数存储于相机的存储空间内，以供非均匀校正时调用。基于黑体辐射的定标方法通过改变均匀黑体的温度，得到不同入射辐射下的响应数据，利用经典的校正系数计算公式计算出每个探测元对应的校正系数。

常用的基于黑体辐射定标的校正方法包括了一点校正、两点校正、多点校正和多项式拟合校正。一点校正只对相机探测元的偏置进行了校正，两点校正同时对偏置和增益进行了校正。多点校正则是在响应非线性区间内分段进行两点校正。多项式拟合校正则是采用一个多项式来拟合单个探测元的响应特性曲线，而后进行校正的方法。从校正效果来看，一点校正效果最差，多项式拟合校正效果最好。但是多项式拟合校正算法需要严格的相机定标测试数据，需要标定的数据量巨大，因此在工程应用中目前最常用的算法仍然是两点校正算法。

虽然基于黑体定标的校正方法具有算法简单，易于实现的优点，但是其最大的缺陷在于依赖于黑体以及相关的控温装置。在某些特殊的应用场合下，例如机载、弹载和星载环境下，无法搭载黑体及其控温装置，对其进行定标操作时需要等到设备回到地面后方可进行，因而在使用上存在诸多不便。

经典的基于黑体定标的两点校正算法只需要两帧相异的响应图像就可以实现校正系数的计算，但是将该计算公式直接应用于积分时间校正时，校正效果不佳，残留的非均匀噪声仍然对图像的质量有着重要的影响。专利CN1187589C公开了一种适用于红外焦平面(IRFPA)成像系统的非均匀性测量和校正的方法及装置。通过选择IRFPA的15～20个积分时间点，采用最小二乘法将输出数据进行线性拟合，从而计算出各探测元的校正系数。该方法存在的缺陷在于一是最小二乘法所需的积分时间点过多，二是算法中未曾考虑对IRFPA盲元的检测与补偿。文献[2]探讨了通过调整积分时间利用最小二乘法获得两点校正系数，以及在一点校正的基础上利用小波分解实现两点校正的算法，同样存在积分时间点过多以及小波分解硬件平台实现复杂的缺点。文献[3]在黑体定标的基础上将经典的两点校正公式运用于多个积分时间下获得的定标图像，探讨了其在低温段定标的效果。其缺点在于积分时间的选取依赖于黑体定标的结果，未曾摆脱对黑体的依赖。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法，该方法实现过程简单，不依赖于黑体及其控温装置，所需的积分时间点少，且易于集成在红外成像处理硬件系统中。

本发明的技术解决方案是：基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)红外面阵相机成像系统上电后，微型电机驱动遮光片将光路遮挡；

2)时序驱动模块产生3个不同的积分时间T₁，T₂，T₃，同时图像采集模块采集F(F≥50)帧不同积分时间下的响应数据n＝1～50，(i，j)为像元坐标，并计算出各自的均值X₁(i，j)，X₂(i，j)，X₃(i，j)；

3)利用相邻积分时间下的响应数据以及两点校正系数公式计算初步的增益校正系数G_k(i，j)和偏置校正系数B_k(i，j)，k＝1，2，公式如下：

$G_1(i,j)=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_1(i,j)-{\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)}{X_1(i,j)-X_2(i,j)}$

$G_2(i,j)=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)-{\stackrel{\‾}{X}}_3(i,j)}{X_2(i,j)-X_3(i,j)}$

$B_1(i,j)=\frac{X_1(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)-X_2(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_1(i,j)}{X_1(i,j)-X_2(i,j)}$

$B_2(i,j)=\frac{X_2(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_3(i,j)-X_3(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)}{X_2(i,j)-X_3(i,j)}$

其中，为X_k(i，j)的均值，k＝1，2，3；

4)对G₁(i，j)和G₂(i，j)进行加权均值修正，得到增益校正系数G(i，j)，对B₁(i，j)和B₂(i，j)进行均值修正，得到偏置校正系数B(i，j)；

5)对增益校正系数G采用5×5的局部滑动窗口进行盲元检测；

6)对X₁(i，j)，X₂(i，j)，X₃(i，j)进行初步校正，公式如下：

X′_k(i，j)＝X_k(i，j)×G(i，j)+B(i，j)

7)设X′_k(i，j)的均值为求各探测元与均值的偏差，公式为：

$\mathrm{\Δ}{B}_k(i,j)=X_k^{\′}(i,j)-{\stackrel{\‾}{X}}_k^{\′}(i,j),k=\mathrm{1,2,3};$

8)求ΔB_k(i，j)的均值

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{B}(i,j)=(\mathrm{\Δ}{B}_1(i,j)+\mathrm{\Δ}{B}_2(i,j)+\mathrm{\Δ}{B}_3(i,j))/3$

9)打开遮光片，采集场景图像S(i，j)，按照下式执行两点非均匀校正，S′(i，j)＝S(i，j)×G(i，j)+B(i，j)

10)对校正后的图像S′(i，j)进行盲元补偿，补偿算法采用5×5邻域非盲元的均值进行替换。

上述步骤4)中具体计算公式是：

$G(i,j)=\frac{G_1^2(i,j)+G_2^2(i,j)}{G_1(i,j)+G_2(i,j)}$

上述步骤5)的具体步骤是设窗口中心值为G(i，j)，窗口内各增益系数的均值为按照以下准则进行盲元检测：若或则G(i，j)判定为盲元。

本发明提出一种基于变积分时间的红外面阵相机快速定标与非均匀性校正方法，该方法只需要IRFPA选择3个积分时间进行定标，便可同时快速实现盲元检测与非均匀校正的功能。与现有的基于积分时间定标的两点校正的系数计算方法相比，本发明计算出的校正系数更加合理，校正后的残留非均匀噪声更低，而且本方法易于集成于硬件平台中进行快速实现。

该方法首先在固定入射辐射的条件下，改变面阵红外相机的积分时间得到一系列的积分图像，然后按相邻的积分图像计算出一系列初步的增益校正系数和偏置校正系数。最后对这些校正系数进行加权平均，得到最终的增益校正系数和偏置校正系数。与现有的基于黑体定标的校正方法相比，该方法实施步骤简单，易于硬件集成，且无需额外的黑体辐射源，在红外相机的成像处理中具有应用和推广价值。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为室温下采集的未校正的红外场景图像；

图3为图2场景经传统黑体定标两点校正后的图像；

图4为图2场景经本发明提出的方法校正后的图像；

具体实施方式

本发明是基于变积分时间定标的面阵红外相机非均匀性校正方法，在固定入射辐射的条件下，通过FPGA软件编程，自动使面阵红外相机的积分时间等间隔递增，由t₁递增至t_n，并采集相应积分时间下的一帧图像，设为X₁(i，j)，X₂(i，j)，......X_n(i，j)，对应的积分时间为t₁，t_n，......t_n，(i，j)为像元坐标；根据经典的两点校正系数计算公式，用积分时间相邻的两帧图像分别计算出校正系数G_k(i，j)和B_k(i，j)，k＝1，2，......n-1。最终的增益校正系数G(i，j)由G_k(i，j)的加权均值得到，偏置校正系数B(i，j)由B_k(i，j)的均值得到。红外相机的盲元检测由增益校正系数G采用基于局部窗口的自适应判据给出，对盲元的补偿采用基于局部窗口的非盲元均值替换。

参见图1，具体包括以下步骤：

1)红外面阵相机成像系统上电后，微型电机驱动遮光片将光路遮挡；

2)在相机的线性积分时间区域内选择三个积分时间点T₁，T₂，T₃，三个积分时间点分别位于小积分时间区、大积分时间以及中间积分时间区。由时序驱动模块分别产生这3个积分时间，同时图像采集模块采集F(F≥50)帧不同积分时间下的响应数据，并计算出各自的均值X₁(i，j)，X₂(i，j)，X₃(i，j)；

3)利用相邻积分时间下的响应数据由如下公式计算初步的增益校正系数G_k(i，j)和偏置校正系数B_k(i，j)；

$G_1(i,j)=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_1(i,j)-{\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)}{X_1(i,j)-X_2(i,j)}$

$G_2(i,j)=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)-{\stackrel{\‾}{X}}_3(i,j)}{X_2(i,j)-X_3(i,j)}$

$B_1(i,j)=\frac{X_1(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)-X_2(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_1(i,j)}{X_1(i,j)-X_2(i,j)}$

$B_2(i,j)=\frac{X_2(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_3(i,j)-X_3(i,j){\stackrel{\‾}{X}}_2(i,j)}{X_2(i,j)-X_3(i,j)}$

其中，为X_k(i，j)的均值，k＝1，2，3；

4)对G₁(i，j)和G₂(i，j)进行加权均值修正，得到增益校正系数G(i，j)，对B₁(i，j)和B₂(i，j)进行均值修正，得到偏置校正系数B(i，j)，公式如下：

$G_1(i,j)=\frac{G_1^2(i,j)+G_2^2(i,j)}{G_1(i,j)+G_2(i,j)}$

5)对增益校正系数G采用5×5的局部滑动窗口，设窗口中心值为G(i，j)，窗口内各增益系数的均值为按照以下准则进行盲元检测：

若 $G(i,j)>1.1\&times;\stackrel{\&OverBar;}{G},$ 或 $G(i,j)<0.9\&times;\stackrel{\&OverBar;}{G},$ 则G(i，j)判定为盲元；

6)对X₁(i，j)，X₂(i，j)，X₃(i，j)进行初步校正，公式如下：

X′_k(i，j)＝X_k(i，j)×G(i，j)+B(i，j)

7)设X′_k(i，j)的均值为求各探测元与均值的偏差，公式为：

$\mathrm{\&Delta;}{B}_k(i,j)=X_k^{\&prime;}(i,j)-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^{\&prime;}(i,j),k=\mathrm{1,2,3};$

8)求ΔB_k(i，j)的均值

$\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{B}(i,j)=(\mathrm{\&Delta;}{B}_1(i,j)+\mathrm{\&Delta;}{B}_2(i,j)+\mathrm{\&Delta;}{B}_3(i,j))/3$

9)打开遮光片，采集场景图像S(i，j)，按照下式执行两点非均匀校正：

S′(i，j)＝S(i，j)×G(i，j)+B(i，j)

10)对校正后的图像S′(i，j)进行盲元补偿，补偿方法采用5×5邻域非盲元的均值进行替换。

为了进一步定量地考察校正前后非均匀性的改善，同时与基于黑体定标的两点校正方法进行对比，下面用常规的非均匀性度量公式进行衡量。

对于均匀背景，校正后图像的非均匀性NU表征了校正算法的性能。公式如下所示，其中为均匀背景的均值，M×N为面阵相机的大小。

$\mathrm{NU}=\frac{1}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(X(i,j)-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^2}$

对于场景图像，校正后图像的粗糙度ρ表征了校正算法的性能。公式如下所示，其中h₁＝[1，-1]，h₂＝[1，-1]^T，||||₁表示一范数，*表示卷积。

$\mathrm{\&rho;}=\frac{{\left|\right|h_1*I\left|\right|}_1+{\left|\right|h_2*I\left|\right|}_1}{{\left|\right|I\left|\right|}_1}$

表一

	校正前	黑体定标校正	本发明方法
				均匀背景	NU＝0.0618	NU＝0.0014	NU＝0.0012
场景图像	ρ＝0.2133	ρ＝0.1113	ρ＝0.1097

从表一中具体的数字可以看出，本发明提出的基于变积分时间定标的两点校正方法和基于黑体定标的两点校正方法校正效果相当。

Claims (3)

1.基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)红外面阵相机成像系统上电后，微型电机驱动遮光片将光路遮挡；

2)时序驱动模块产生3个不同的积分时间T₁,T₂,T₃，同时图像采集模块采集F帧不同积分时间下的响应数据n＝1,2,...F，F取值为50；(i,j)为像元坐标，i＝1,2,...M，j＝1,2,...N，M×N为相机的分辨率，并计算出各自的均值X₁(i,j)，X₂(i,j)，X₃(i,j)；具体计算公式是：

3)利用相邻积分时间下的响应数据以及两点校正系数公式计算初步的增益校正系数G_k(i,j)和偏置校正系数B_k(i,j)，公式如下：

其中，为X_k(i,j)的均值，k＝1,2,3；

4)对G₁(i,j)和G₂(i,j)进行加权均值修正，得到增益校正系数G(i,j)，对B₁(i,j)和B₂(i,j)进行均值修正，得到偏置校正系数B(i,j)；

5)对增益校正系数G采用5×5的局部滑动窗口进行盲元检测；

6)对X₁(i,j)，X₂(i,j)，X₃(i,j)进行初步校正，公式如下：

X'_k(i,j)＝X_k(i,j)×G(i,j)+B(i,j)；

7)设X'_k(i,j)的均值为求各探测元与均值的偏差，公式为：

8)求ΔB_k(i,j)的均值

9)打开遮光片，采集场景图像S(i,j)，按照下式执行两点非均匀校正，

S'(i,j)＝S(i,j)×G(i,j)+B(i,j)；

10)对校正后的图像S'(i,j)进行盲元补偿，补偿算法采用5×5邻域非盲元的均值进行替换。

2.根据权利要求1所述的基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法，其特征在于：所述步骤4)中具体计算公式是：

3.根据权利要求2所述的基于变积分时间的面阵红外相机快速定标与非均匀性校正方法，其特征在于：所述步骤5)的具体步骤是设窗口中心值为G(i,j)，窗口内各增益系数的均值为按照以下准则进行盲元检测：若或则G(i,j)判定为盲元。