CN105513029A - 一种两段式红外热像仪自动增益控制方法 - Google Patents

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

一种两段式红外热像仪自动增益控制方法

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p_max和最小值p_min，计算方法为k＝255/(p_max-p_min)，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N_pe1，并设定N_pe1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p_e1，使直方图中由灰度值p_e1到最大灰度值p_max的像素总数不小于N_pe1，具体表述参见公式(3)；

N＝w*h(1)

$p_{e1}=\mathrm{argmax}\left(\underset{i=p_{e1}}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}H\right(i)\≥N_{pe1})---\left(3\right)$

式中，w为以像素为单位的图像宽度，h为图像高度，p_max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N_pe2，如公式(4)所示；在直方图H中，寻找一个最大的灰度值p_e2，使直方图中由灰度值p_e2到最大灰度值p_max的像素总数不小于N_pe2，具体表述参见公式(5)；

N_pe2＝0.03*N(4)

$p_{e2}=\mathrm{argmax}\left(\underset{i=p_{e2}}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}H\right(i)\≥N_{pe2})---\left(5\right)$

步骤S4：计算高动态范围图像的均值u；

$u=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}i*H\left(i\right)---\left(6\right)$

步骤S5：根据p_e1和u计算第一段增益系数k₁；

k₁＝128/(p_e1-u)(7)

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}0.05& (k_1<0.05)\\ k_{max}& (k_1>k_{\max })\end{array}\right.---\left(8\right)$

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,k_max]之间，其中k_max为预设的允许最大增益值，通常取k_max＝1.5；

步骤S6：根据p_e2和u计算第二段增益系数k₂；

k₂＝128/(p_e2-u)(9)

$k_2=\left\{\begin{array}{cc}0.05& (k_2<0.05)\\ k_{max}& (k_2>k_{\max })\end{array}\right.---\left(11\right)$

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,k_max]之间。

步骤S7：由增益偏置公式y_ij＝k*(x_ij-u)+b，逐像素计算输出8位图像的灰度值yi_j，xi_j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。

$k=\left\{\begin{array}{cc}{k}_2& (x_{ij}\&le;u-d)\\ (1-\mathrm{\&lambda;})*k_2+\mathrm{\&lambda;}*k_1& (u-d<x_{ij}<u+d)\\ k_1& (x_{ij}\&GreaterEqual;u+d)\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{x_{ij}-u+d}{2d}---\left(13\right)$

对步骤S7中输出的y_ij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N_pe1，并设定N_pe1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p_e1，使直方图中由灰度值p_e1到最大灰度值p_max的像素总数不小于N_pe1，具体表述参见公式(3)；

N＝w*h(1)

$p_{e1}=\mathrm{argmax}\left(\underset{i=p_{e1}}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}H\right(i)\&GreaterEqual;N_{pe1})---\left(3\right)$

式中，w为以像素为单位的图像宽度，h为图像高度，p_max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N_pe2，如公式(4)所示；在直方图H中，寻找一个最大的灰度值p_e2，使直方图中由灰度值p_e2到最大灰度值p_max的像素总数不小于N_pe2，具体表述参见公式(5)；

N_pe2＝0.03*N(4)

$p_{e2}=\mathrm{argmax}\left(\underset{i=p_{e2}}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}H\right(i)\&GreaterEqual;N_{pe2})---\left(5\right)$

步骤S4：计算高动态范围图像的均值u；

$u=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}i*H\left(i\right)---\left(6\right)$

步骤S5：根据p_e1和u计算第一段增益系数k₁；

k₁＝128/(p_e1-u)(7)

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}0.05& (k_1<0.05)\\ k_{max}& (k_1>k_{\max })\end{array}\right.---\left(8\right)$

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,k_max]之间，其中k_max为预设的允许最大增益值，通常取k_max＝1.5；

步骤S6：根据p_e2和u计算第二段增益系数k₂；

k₂＝128/(p_e2-u)(9)

$k_2=\left\{\begin{array}{cc}0.05& (k_2<0.05)\\ k_{max}& (k_2>k_{\max })\end{array}\right.---\left(11\right)$

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,k_max]之间。

步骤S7：由增益偏置公式y_ij＝k*(x_ij-u)+b，逐像素计算输出8位图像的灰度值y_ij，x_ij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。

$k=\left\{\begin{array}{cc}{k}_2& (x_{ij}\&le;u-d)\\ (1-\mathrm{\&lambda;})*k_2+\mathrm{\&lambda;}*k_1& (u-d<x_{ij}<u+d)\\ k_1& (x_{ij}\&GreaterEqual;u+d)\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{x_{ij}-u+d}{2d}---\left(13\right)$

对步骤S7中输出的y_ij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n_grey＝656个有效灰阶，像素总数N＝640*512＝327680个，最大灰度值p_max＝4904，最小灰度值p_min＝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N_pe1＝1200，应用公式(3)可计算得到，p_e1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p_e2＝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/(p_e1-u)＝128/(3715-3567.8)＝0.869，根据公式(9)至公式(11)计算得到k₂＝128/(p_e2-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/(p_max-p_min)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/n_grey＝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N_pe1，并设定N_pe1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p_e1，使直方图中由灰度值p_e1到最大灰度值p_max的像素总数不小于N_pe1，具体表述参见公式(3)；

N＝w*h(1)

$p_{e1}=\arg max\left(\underset{i=p_{e1}}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}H\right(i)\&GreaterEqual;N_{pe1})---\left(3\right)$

式中，w为以像素为单位的图像宽度，h为图像高度，p_max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N_pe2，如公式(4)所示；在直方图H中，寻找一个最大的灰度值p_e2，使直方图中由灰度值p_e2到最大灰度值p_max的像素总数不小于N_pe2，具体表述参见公式(5)；

N_pe2＝0.03*N(4)

$p_{e2}=\arg max\left(\underset{i=p_{e2}}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}H\right(i)\&GreaterEqual;N_{pe2})---\left(5\right)$

步骤S4：计算高动态范围图像的均值u；

$u=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{p_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}i*H\left(i\right)---\left(6\right)$

步骤S5：根据p_e1和u计算第一段增益系数k₁；

k₁＝128/(p_e1-u)(7)

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}0.05& (k_1<0.05)\\ k_{max}& (k_1>k_{\max })\end{array}\right.---\left(8\right)$

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,k_max]之间，其中k_max为预设的允许最大增益值，通常取k_max＝1.5；

步骤S6：根据p_e2和u计算第二段增益系数k₂；

k₂＝128/(p_e2-u)(9)

$k_2=\left\{\begin{array}{cc}0.05& (k_2<0.05)\\ k_{max}& (k_2>k_{\max })\end{array}\right.---\left(11\right)$

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,k_max]之间。

步骤S7：由增益偏置公式y_ij＝k*(x_ij-u)+b，逐像素计算输出8位图像的灰度值y_ij，x_ij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。

$k=\left\{\begin{array}{cc}{k}_2& (x_{ij}\&le;u-d)\\ (1-\mathrm{\&lambda;})*k_2+\mathrm{\&lambda;}*k_1& (u-d<x_{ij}<u+d)\\ k_1& (x_{ij}\&GreaterEqual;u+d)\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{x_{ij}-u+d}{2d}---\left(13\right)$

对步骤S7中输出的y_ij取整到[0,255]之间，得到最终的8位图像灰度值。