CN105513029A - 一种两段式红外热像仪自动增益控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外成像技术领域,具体涉及一种两段式红外热像仪自动增益控制方法。与现有技术相比较,本发明技术方案实现不同场景红外图像输出增益的自动控制,相对于传统自动增益控制方式,要求显著提高输出8位图像的对比度,抑制坏元干扰,增强场景中高亮区域的图像表现力。
Description
技术领域
本发明属于红外成像技术领域,具体涉及一种两段式红外热像仪自动增益控制方法。
背景技术
在红外成像器设计过程中,红外探测器输出的原始模拟信号通常被14位或16位AD采样为高动态范围数字红外图像,而大多数的显示系统仅接受8位数据格式的图像信号输入,因此需要将高动态范围图像数据转换为适合显示的8位图像数据格式。这一过程被称为动态范围变换(也称之为色调映射-tonemapping)。
在多种动态范围变换高动态图像显示方法中,增益偏置控制方法是最常用的图像显示方法之一,具有适应场景广泛,占用资源少,处理速度快的优点。
增益偏置控制方法的关键问题在于增益系数k的自动获取方法,目前增益的自动获取方式主要依据图像中的灰度最大值pmax和最小值pmin,计算方法为k=255/(pmax-pmin),全图采用同一个增益进行计算。在红外图像中有坏元干扰时,上述自动增益控制方法会造成计算得到的增益系数k偏低,使输出图像对比度不够。若采用先验设置,提高k值,会造成图像中的饱和区域增多,图像表现力下降。为解决以上问题,需要一种新型的自动增益控制方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何提供一种两段式的红外热像仪输出图像自动增益控制方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供一种两段式红外热像仪自动增益控制方法,其包括如下步骤:
步骤S1:计算输入高动态范围图像的直方图H;
步骤S2:如公式(1)所示,计算图像的像素总数N;取像素总数N的1%作为阈值Npe1,并设定Npe1的上限不大于1200,如公式(2)所示;在直方图H中,寻找一个最大的灰度值pe1,使直方图中由灰度值pe1到最大灰度值pmax的像素总数不小于Npe1,具体表述参见公式(3);
N=w*h(1)
式中,w为以像素为单位的图像宽度,h为图像高度,pmax为图像中的灰度最大值;
步骤S3:依据步骤S2的计算过程,取像素总数N的3%作为阈值Npe2,如公式(4)所示;在直方图H中,寻找一个最大的灰度值pe2,使直方图中由灰度值pe2到最大灰度值pmax的像素总数不小于Npe2,具体表述参见公式(5);
Npe2=0.03*N(4)
步骤S4:计算高动态范围图像的均值u;
步骤S5:根据pe1和u计算第一段增益系数k1;
k1=128/(pe1-u)(7)
通过公式(7)计算得到第一段增益系数k1,通过公式(8)对k1进行了边界限定,使k1的范围在[0.05,kmax]之间,其中kmax为预设的允许最大增益值,通常取kmax=1.5;
步骤S6:根据pe2和u计算第二段增益系数k2;
k2=128/(pe2-u)(9)
通过公式(9)可计算得到第二段增益系数k2,公式(10)是为防止k1与k2相距过大时,映射曲线不能平缓过渡,依据k1对k2的上限值进行了限定。公式(11)的作用与步骤S5的公式(8)一致,用于限定k2的范围在[0.05,kmax]之间。
步骤S7:由增益偏置公式yij=k*(xij-u)+b,逐像素计算输出8位图像的灰度值yij,xij表示输入高动态范围图像中坐标位置(i,j)点的灰度值;k为增益系数,b为偏置系数,b通常取b=128;增益系数k依据均值u和k1、k2分三段计算得到,如公式(12)、公式(13)所示,其中,d为k1与k2之间的过渡宽度,通常取d=10。
对步骤S7中输出的yij取整到[0,255]之间,得到最终的8位图像灰度值。
(三)有益效果
与现有技术相比较,本发明技术方案实现不同场景红外图像输出增益的自动控制,相对于传统自动增益控制方式,要求显著提高输出8位图像的对比度,抑制坏元干扰,增强场景中高亮区域的图像表现力。
附图说明
图1为高动态范围输入图像的直方图。
图2-1至图2-3为单段式AGC与两段式AGC的效果对比示意图;
其中,图2-1为单段式AGC1;图2-2为单段式AGC2;
图2-3为两段式AGC。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题,本发明提供一种两段式红外热像仪自动增益控制方法,其包括如下步骤:
步骤S1:计算输入高动态范围图像的直方图H;
步骤S2:如公式(1)所示,计算图像的像素总数N;取像素总数N的1%作为阈值Npe1,并设定Npe1的上限不大于1200,如公式(2)所示;在直方图H中,寻找一个最大的灰度值pe1,使直方图中由灰度值pe1到最大灰度值pmax的像素总数不小于Npe1,具体表述参见公式(3);
N=w*h(1)
式中,w为以像素为单位的图像宽度,h为图像高度,pmax为图像中的灰度最大值;
步骤S3:依据步骤S2的计算过程,取像素总数N的3%作为阈值Npe2,如公式(4)所示;在直方图H中,寻找一个最大的灰度值pe2,使直方图中由灰度值pe2到最大灰度值pmax的像素总数不小于Npe2,具体表述参见公式(5);
Npe2=0.03*N(4)
步骤S4:计算高动态范围图像的均值u;
步骤S5:根据pe1和u计算第一段增益系数k1;
k1=128/(pe1-u)(7)
通过公式(7)计算得到第一段增益系数k1,通过公式(8)对k1进行了边界限定,使k1的范围在[0.05,kmax]之间,其中kmax为预设的允许最大增益值,通常取kmax=1.5;
步骤S6:根据pe2和u计算第二段增益系数k2;
k2=128/(pe2-u)(9)
通过公式(9)可计算得到第二段增益系数k2,公式(10)是为防止k1与k2相距过大时,映射曲线不能平缓过渡,依据k1对k2的上限值进行了限定。公式(11)的作用与步骤S5的公式(8)一致,用于限定k2的范围在[0.05,kmax]之间。
步骤S7:由增益偏置公式yij=k*(xij-u)+b,逐像素计算输出8位图像的灰度值yij,xij表示输入高动态范围图像中坐标位置(i,j)点的灰度值;k为增益系数,b为偏置系数,b通常取b=128;增益系数k依据均值u和k1、k2分三段计算得到,如公式(12)、公式(13)所示,其中,d为k1与k2之间的过渡宽度,通常取d=10。
对步骤S7中输出的yij取整到[0,255]之间,得到最终的8位图像灰度值。
下面结合具体实施例来详细描述本发明。
实施例
本实施例采用一幅分辨率为640*512的非制冷型红外成像器获取的高动态(14bit)范围红外图像来说明本发明方法的应用。该图像包含了ngrey=656个有效灰阶,像素总数N=640*512=327680个,最大灰度值pmax=4904,最小灰度值pmin=3122,采集前进行了坏元处理。本实施例使用本发明处理方法的过程如下:
步骤一:计算输入高动态范围图像的直方图H;如图1所示。
步骤二:根据高动态范围图像的直方图H,应用公式(2)可计算得到Npe1=1200,应用公式(3)可计算得到,pe1最大可取3715,使直方图H中,灰度值在3715与4904之间的像素总数大于1200,即同理应用公式(4)、公式(5)可计算得到pe2=3670。
步骤三:计算图像均值u=3567.8,根据公式(7)、公式(8)计算得到k1=128/(pe1-u)=128/(3715-3567.8)=0.869,根据公式(9)至公式(11)计算得到k2=128/(pe2-u)=128/(3670-3567.8)=1.252
步骤四:根据公式(12)逐像素计算输出8位图像的灰度值;
图2-1中单段式AGC1采用背景技术中介绍的k=255/(pmax-pmin)计算增益系数,得到k=255/(4904-3122)=0.1431,该增益值明显偏小。图2-2单段式AGC2采用了改进的单段式增益计算方法k=255/ngrey=255/656=0.3887,图像效果有改善,但是增益值仍然偏小。图2-3采用了本文提出的算法,图像对比度提升效果明显,且未出现饱和区域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种两段式红外热像仪自动增益控制方法,其特征在于,其包括如下步骤:
步骤S1:计算输入高动态范围图像的直方图H;
步骤S2:如公式(1)所示,计算图像的像素总数N;取像素总数N的1%作为阈值Npe1,并设定Npe1的上限不大于1200,如公式(2)所示;在直方图H中,寻找一个最大的灰度值pe1,使直方图中由灰度值pe1到最大灰度值pmax的像素总数不小于Npe1,具体表述参见公式(3);
N=w*h(1)
式中,w为以像素为单位的图像宽度,h为图像高度,pmax为图像中的灰度最大值;
步骤S3:依据步骤S2的计算过程,取像素总数N的3%作为阈值Npe2,如公式(4)所示;在直方图H中,寻找一个最大的灰度值pe2,使直方图中由灰度值pe2到最大灰度值pmax的像素总数不小于Npe2,具体表述参见公式(5);
Npe2=0.03*N(4)
步骤S4:计算高动态范围图像的均值u;
步骤S5:根据pe1和u计算第一段增益系数k1;
k1=128/(pe1-u)(7)
通过公式(7)计算得到第一段增益系数k1,通过公式(8)对k1进行了边界限定,使k1的范围在[0.05,kmax]之间,其中kmax为预设的允许最大增益值,通常取kmax=1.5;
步骤S6:根据pe2和u计算第二段增益系数k2;
k2=128/(pe2-u)(9)
通过公式(9)可计算得到第二段增益系数k2,公式(10)是为防止k1与k2相距过大时,映射曲线不能平缓过渡,依据k1对k2的上限值进行了限定。公式(11)的作用与步骤S5的公式(8)一致,用于限定k2的范围在[0.05,kmax]之间。
步骤S7:由增益偏置公式yij=k*(xij-u)+b,逐像素计算输出8位图像的灰度值yij,xij表示输入高动态范围图像中坐标位置(i,j)点的灰度值;k为增益系数,b为偏置系数,b通常取b=128;增益系数k依据均值u和k1、k2分三段计算得到,如公式(12)、公式(13)所示,其中,d为k1与k2之间的过渡宽度,通常取d=10。
对步骤S7中输出的yij取整到[0,255]之间,得到最终的8位图像灰度值。
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