CN105513029B - 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

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-tone mapping)。
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2-2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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