CN105737990A - 一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法，通过图像增益校正系数和采集的均匀背景图像，计算探测器在不同探测器温度点下的偏置本底，进一步地，根据偏置本底和探测器当前工作温度的对应变化趋势以插值方法估算探测器在当前工作温度下的偏移校正参数，最后利用图像增益校正系数和偏移校正参数对红外图像进行两点校正。相应地，本发明还提出了一种对应的校正系统。本发明无需红外探测器温控系统及调零挡片，根据探测器在不同温度点下的偏置本底和当前探测器的温度及时有效地计算校正参数，在保证红外图像校正效果的同时，有效降低了算法复杂度，增加了实时性。

Description

一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法及系统

技术领域

本发明属于红外图像处理领域，更具体地，涉及一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法及系统。

背景技术

在连续工作时，红外探测器的温度容易受环境温度、工作时间的影响，由探测器温度变化而导致的红外图像的非均匀性也会产生明显的变化，严重地影响着红外探测器的成像质量。

现有的技术对于解决红外图像非均匀性问题，通常采用温控系统来控制红外探测器的工作温度，并通过调零挡片周期性地获取均匀背景图片，用来计算并更新校正参数。温控系统和调零挡片不仅增加了红外探测器成本，而且会中断红外探测器的成像过程，不利于红外探测器的连续工作。因此，本领域亟需寻找一种能够根据探测器温度自适应调整校正参数的非均匀性校正技术，既保证红外成像质量，又具有实时性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或不足，提供一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法及系统，克服了现有技术中非均匀性校正参数不能随探测器温度及时有效地更新等技术问题。本发明无需探测器温控系统及调零挡片，根据实时的探测器温度，结合已经保存的温度点和偏置本底估计出探测器在当前温度下的偏移校正参数，对红外图像进行实时地非均匀性校正。

为实现上述目的，按照本发明一个方面，提出了一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法，所述方法包括：

(1)在探测器工作范围内采集多幅均匀背景图像，并记录对应的探测器温度点；

(2)计算探测器的图像增益校正系数，再根据采集的均匀背景图像进一步计算并保存探测器在不同探测器温度点下的偏置本底；

(3)读取探测器的当前工作温度，从保存的探测器温度点及其对应的偏置本底中选取距离探测器温度最近的N个探测器温度点及其对应的偏置本底，采用插值方式估算探测器当前工作温度下的偏移校正参数；

(4)利用得到的所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正。

作为进一步优选的，所述探测器在不同探测器温度点t_n下的偏置本底为offset(t_n)，其在坐标(i,j)处的表达式具体为：

${\mathrm{offset}}_{ij}\left(t_n\right)=\stackrel{\‾}{f}\left(t_n\right)/{\mathrm{Gain}}_{ij}-f_{ij}\left(t_n\right)$

其中，(i,j)表示图像坐标位置，offset_ij(t_n)是偏置本底offset(t_n)在图像坐标(i,j)处的像素值，是探测器在温度点t_n下的均匀背景图像的均值，Gain_ij是图像坐标(i,j)处的增益校正系数，f_ij(t_n)是图像坐标(i,j)在探测器温度为t_n时的像素灰度值。

作为进一步优选的，所述探测器当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数offset_ij(t)具体为：

offset_ij(t)＝K₁(t)×offset_ij(T₁)+K₂(t)×offset_ij(T₂)+...+K_N(t)×offset_ij(T_N)

其中，t为探测器的当前工作温度，offset_ij(T₁),...,offset_ij(T_N)为距离探测器温度最近的N个探测器温度点T₁,…T_N下的偏置本底分别在图像坐标(i,j)处的像素值，K_n(t)为探测器温度点T_n对应的插值基函数， $K_n\left(t\right)=\underset{m\≠n}{\overset{N}{\underset{m=1}{\mathrm{\Π}}}}\frac{(t-T_m)}{(T_n-T_m)},n=1,2,3,...,N.$

作为进一步优选的，所述利用得到的所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正具体为：

Y_ij＝Gain_ij×(X_ij+offset_ij(t))

其中，Gain_ij是图像坐标(i,j)处的增益校正系数，offset_ij(t)是探测器当前工作温度下图像坐标像素(i,j)处的偏移校正参数，X_ij是图像坐标(i，j)处的原始输入值，Y_ij是对应的的校正输出值。

作为进一步优选的，所述插值方式为分段低次的拉格朗日插值方法。

按照本发明的另一方面，提出了一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正系统，其特征在于，所述系统包括：

采集模块，用于在探测器工作范围内采集多幅均匀背景图像，并记录对应的探测器温度点；

第一计算模块，用于计算探测器的图像增益校正系数，再根据采集的均匀背景图像进一步估计并保存探测器在不同探测器温度点下的偏置本底；

第二计算模块，用于读取探测器的当前工作温度，从保存的探测器温度点及其对应的偏置本底中选取距离探测器温度最近的N个探测器温度点及其对应的偏置本底，采用插值方式估算探测器当前工作温度下的偏移校正参数；

校正模块，用于利用所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正。

作为进一步优选的，所述探测器在不同探测器温度点t_n下的偏置本底为offset(t_n)，其在坐标(i,j)处的表达式具体为：

${\mathrm{offset}}_{ij}\left(t_n\right)=\stackrel{\‾}{f}\left(t_n\right)/{\mathrm{Gain}}_{ij}-f_{ij}\left(t_n\right)$

其中，(i,j)表示图像坐标位置，offset_ij(t_n)是偏置本底offset(t_n)在图像坐标(i,j)处的像素值，是探测器在温度点t_n下的均匀背景图像的均值，Gain_ij是图像坐标(i,j)处的增益校正系数，f_ij(t_n)是图像坐标(i,j)在探测器温度为t_n时的像素灰度值。

作为进一步优选的，所述探测器当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数offset_ij(t)具体为：

offset_ij(t)＝K₁(t)×offset_ij(T₁)+K₂(t)×offset_ij(T₂)+...+K_N(t)×offset_ij(T_N)

其中，t为探测器的当前工作温度，offset_ij(T₁),...,offset_ij(T_N)为距离探测器温度最近的N个探测器温度点T₁,…T_N下的偏置本底分别在图像坐标(i,j)处的像素值，K_n(t)为探测器温度点T_n对应的插值基函数， $K_n\left(t\right)=\underset{m\≠n}{\overset{N}{\underset{m=1}{\mathrm{\Π}}}}\frac{(t-T_m)}{(T_n-T_m)},n=1,2,3,...,N.$

作为进一步优选的，所述利用得到的所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正具体为：

Y_ij＝Gain_ij×(X_ij+offset_ij(t))

其中，Gain_ij是图像坐标(i,j)处的增益校正系数，offset_ij(t)是探测器当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数，X_ij是图像坐标(i，j)处的原始输入值，Y_ij是对应的的校正输出值。

作为进一步优选的，所述插值方式为分段低次的拉格朗日插值方法。

总体而言，按照本发明点的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过偏移校正参数和采集的均匀背景图像，估计探测器在不同温度点下的偏置本底，进一步地根据偏置本底和探测器温度的对应变化趋势以插值方法估计探测器在当前温度下的偏移校正参数；与传统技术相比，本方法无需温控系统及调零挡片，能根据探测器工作温度及时有效地调整校正参数；

2、此外，按照本发明方法及对应系统，在保证红外图像校正效果的基础上，并未存在过多的计算复杂度，同时，显著改善了红外图像校正的实时性，便于操控，因而具有一定的可实施性及实用推广价值。

附图说明

图1是本发明基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法流程图；

图2是本发明基于探测器温度的红外图像非均匀性校正的系统结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法具体实施方式如下：

1、均匀背景图像的采集

在探测器工作范围(-40℃到60℃)内，每隔5℃采集一幅均匀背景图像，记为f(t₁),f(t₂),f(t₃),...，并记录与其对应的探测器温度点t₁,t₂,t₃,...。所采集探测器温度点需要覆盖探测器的工作范围。

2、偏置本底的计算

把某个探测器温度点下的均匀背景图像的均值作为探测器在该温度点下的理想输出，结合图像增益校正系数通过两点校正的方法计算探测器在该探测器温度点t_n下的偏置本底offset(t_n)，其在坐标(i,j)处的表达式具体为：

${\mathrm{offset}}_{ij}\left(t_n\right)=\stackrel{\‾}{f}\left(t_n\right)/{\mathrm{Gain}}_{ij}-f_{ij}\left(t_n\right)$

其中，(i,j)表示图像坐标位置，offset_ij(t_n)是偏置本底offset(t_n)在图像坐标(i,j)处的像素值，是探测器在温度点t_n下的均匀背景图像的均值，Gain_ij是图像坐标(i,j)处的增益校正系数，f_ij(t_n)是图像坐标(i,j)在探测器温度为t_n时的像素灰度值。

Gain_ij的获取是根据同一环境温度下的两幅不同辐射强度下的均匀辐射体图像获取对应的图像增益校正系数。本发明的具体实施方式中，若同一环境温度下的两幅不同辐射强度下的均匀辐射体图像为BlackH和BlackL，图像增益校正系数Gain_ij具体为：

${\mathrm{Gain}}_{ij}=\frac{\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BlackH}}_{ij}}{M\×N}-\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BlackL}}_{ij}}{M\×N}}{{\mathrm{BlackH}}_{ij}-{\mathrm{BlackL}}_{ij}}$

其中，(i,j)表示图像坐标位置，M,N分别表示图像的行数和列数，BlackH_ij是均匀辐射体图像BlackH在图像坐标(i,j)处的像素值，BlackL_ij是均匀辐射体图像BlackL在图像坐标(i,j)处的像素值。

3、实时偏移校正参数的估计

根据偏置本底随探测器温度的变化趋势，通过插值方式估算偏移校正参数，本发明实施例中优选以分段低次的拉格朗日插值方式。首先读取探测器的当前工作温度t，然后从保存的探测器温度点及其对应的偏置本底中选取与探测器当前工作温度相近的N个温度点及其对应的偏置本底。

在实际应用中，用来插值的本底数目和温度点越多，则插值函数的次数就越高，计算量越大，但并不是插值的次数越高，精度就越高。因此，为了简化算法同时保证需要的插值精度，本发明方法使用了分段低次的拉格朗日插值方法，即插值时，并不使用所有的探测器温度点，而是只选取与当前探测器温度最近的N个温度点进行插值计算。

插值温度点个数N的选取需要根据采集均匀本底时的温度间隔和探测器本身的特性而定。由实验经验可知，当采集本底的温度间隔是5℃-10℃时，一般令N＝5，便可取得处理时间和图像质量的均衡。

通过分段低次的拉格朗日插值方法估算探测器在当前工作温度下的偏移校正参数，当N＝5时，插值公式为：

offset_ij(t)＝K₁(t)×offset_ij(T₁)+K₂(t)×offset_ij(T₂)+...+K₅(t)×offset_ij(T₅)

其中，offset_ij(t)即为探测器当前工作温度t下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数，offset_ij(T₁),...,offset_ij(T₅)为距离探测器温度最近的5个探测器温度点T₁,…T₅下的偏置本底分别在图像坐标(i,j)处的像素值，K_n(t)为探测器温度点T_n对应的插值基函数， $K_n\left(t\right)=\underset{m\≠}{\overset{5}{\underset{m=1}{\mathrm{\Π}}}}\frac{(t-T_m)}{(T_n-T_m)},n=1,2,3,...,5.$

4、红外图像的实时非均匀性校正

用图像增益校正系数和插值得到的偏移校正参数对红外图像进行两点校正：

Y_ij＝Gain_ij×(X_ij+offset_ij(t))

其中，Gain_ij为图像坐标(i,j)处的增益校正系数，offset_ij(t)是探测器当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数，可以随探测器的温度变化而更新。

如图2所示，为与本发明方法对应的系统示意图，所述系统包括：

采集模块，用于在探测器工作范围内采集多幅均匀背景图像，并记录对应的探测器温度点；

第一计算模块，用于计算探测器的图像增益校正系数，再根据采集的均匀背景图像进一步计算并保存探测器在不同探测器温度点下的偏置本底；

所述探测器的图像增益校正系数具体为：

${\mathrm{Gain}}_{ij}=\frac{\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BlackH}}_{ij}}{M\×N}-\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BlackL}}_{ij}}{M\×N}}{{\mathrm{BlackH}}_{ij}-{\mathrm{BlackL}}_{ij}}$

其中，(i,j)表示图像坐标位置，M,N分别表示图像的行数和列数，BlackH_ij是均匀辐射体图像BlackH在图像坐标(i,j)处的像素值，BlackL_ij是均匀辐射体图像BlackL在图像坐标(i,j)处的像素值。

所述探测器当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数offset_ij(t)具体为：

offset_ij(t)＝K₁(t)×offset_ij(T₁)+K₂(t)×offset_ij(T₂)+...+K_N(t)×offset_ij(T_N)

其中，t为探测器的当前工作温度，offset_ij(T₁),...,offset_ij(T_N)为距离探测器温度最近的N个探测器温度点T₁,…T_N下的偏置本底分别在图像坐标(i,j)处的像素值，K_n(t)为探测器温度点T_n对应的插值基函数， $K_n\left(t\right)=\underset{m\≠n}{\overset{N}{\underset{m=1}{\mathrm{\Π}}}}\frac{(t-T_m)}{(T_n-T_m)},n=1,2,3,...,N.$

第二计算模块，用于读取探测器的当前工作温度，从保存的探测器温度点及其对应的偏置本底中选取距离探测器温度最近的N个探测器温度点及其对应的偏置本底，采用插值方式估算探测器当前工作温度下的偏移校正参数；在实际应用中，用来插值的本底数目和温度点越多，则插值函数的次数就越高，计算量越大，但并不是插值的次数越高，精度就越高。因此，为了简化算法同时保证需要的插值精度，本发明使用了分段低次的拉格朗日插值方法，即插值时，并不使用所有的温度点，而是只选取与当前探测器温度相近的N个温度点进行插值计算。

插值温度点个数N的选取需要根据采集均匀本底时的温度间隔和探测器本身的特性而定。由实验经验可知，当采集本底的温度间隔是5℃-10℃时，一般令N＝5，便可取得处理时间和图像质量的均衡。

所述探测器当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数offset_ij(t)具体为：

offset_ij(t)＝K₁(t)×offset_ij(T₁)+K₂(t)×offset_ij(T₂)+...+K_N(t)×offset_ij(T_N)

其中，t为探测器的当前工作温度，offset_ij(T₁),...,offset_ij(T_N)为距离探测器温度最近的N个探测器温度点T₁,…T_N下的偏置本底分别在图像坐标(i,j)处的像素值，K_n(t)为探测器温度点T_n对应的插值基函数， $K_n\left(t\right)=\underset{m\≠n}{\overset{N}{\underset{m=1}{\mathrm{\Π}}}}\frac{(t-T_m)}{(T_n-T_m)},n=1,2,3,...,N.$

校正模块，用于利用所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正，具体为：

Y_ij＝Gain_ij×(X_ij+offset_ij(t))

其中，Gain_ij是图像坐标(i,j)处的增益校正系数，offset_ij(t)是探测器当前工作温度下图像坐标像素(i,j)处的偏移校正参数，X_ij是图像坐标(i，j)处的原始输入值，Y_ij是对应的的校正输出值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)在探测器工作范围内采集多幅均匀背景图像，并记录对应的探测器温度点；

(2)计算探测器的图像增益校正系数，再根据采集的均匀背景图像进一步计算并保存探测器在不同探测器温度点下的偏置本底；

(3)读取探测器的当前工作温度，从保存的探测器温度点及其对应的偏置本底中选取距离探测器当前工作温度最近的N个探测器温度点及其对应的偏置本底，采用插值方式估算探测器当前工作温度下的偏移校正参数；

(4)利用得到的所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器在不同探测器温度点t_n下的偏置本底为offset(t_n)，其在坐标(i，j)处的表达式具体为：

${\mathrm{offset}}_{ij}\left(t_n\right)=\stackrel{\‾}{f}\left(t_n\right)/{\mathrm{Gain}}_{ij}-f_{ij}\left(t_n\right)$

其中，(i，j)表示图像坐标位置，offset_ij(t_n)是偏置本底offset(t_n)在图像坐标(i，j)处的像素值，是探测器在温度点t_n下的均匀背景图像的均值，Gain_ij是图像坐标(i，j)处的增益校正系数，f_ij(t_n)是图像坐标(i，j)在探测器温度为t_n时的像素灰度值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探测器当前工作温度下图像坐标像素(i,j)处的偏移校正参数offset_ij(t)具体为：

offset_ij(t)＝K₁(t)×offset_ij(T₁)+K₂(t)×offset_ij(T₂)+...+K_N(t)×offset_ij(T_N)

其中，t为探测器的当前工作温度，offset_ij(T₁),...,offset_ij(T_N)为距离探测器温度最近的N个探测器温度点T₁,…T_N下的偏置本底分别在图像坐标(i，j)处的像素值，K_n(t)为探测器温度点T_n对应的插值基函数，

$K_n\left(t\right)=\underset{m\≠n}{\overset{N}{\underset{m=1}{\Π}}}\frac{(t-T_m)}{(T_n-T_m)},n=1,2,3,...,N.$

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用得到的所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正具体为：

Y_ij＝Gain_ij×(X_ij+offset_ij(t))

其中，Gain_ij是图像坐标(i,j)处的增益校正系数，offset_ij(t)是探测器当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏移校正参数；X_ij是图像坐标(i，j)处的原始输入值，Y_ij是对应的的校正输出值。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述插值方式为分段低次的拉格朗日插值方法。

6.一种基于探测器温度的红外图像非均匀性校正系统，其特征在于，所述系统包括：

采集模块，用于在探测器工作范围内采集多幅均匀背景图像，并记录对应的探测器温度点；

第一计算模块，用于计算探测器的图像增益校正系数，再根据采集的均匀背景图像进一步计算并保存探测器在不同探测器温度点下的偏置本底；

第二计算模块，用于读取探测器的当前工作温度，从保存的探测器温度点及其对应的偏置本底中选取距离探测器温度最近的N个探测器温度点及其对应的偏置本底，采用插值方式估算探测器当前工作温度下的偏移校正参数；

校正模块，用于利用所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述探测器在不同探测器温度点t_n下的偏置本底为offset(t_n)，其在坐标(i，j)处的表达式具体为：

${\mathrm{offset}}_{ij}\left(t_n\right)=\stackrel{\‾}{f}\left(t_n\right)/{\mathrm{Gain}}_{ij}-f_{ij}\left(t_n\right)$

其中，(i,j)表示图像坐标位置，offset_ij(t_n)是偏置本底offset(t_n)在图像坐标(i，j)处的像素值，是探测器在温度点t_n下的均匀背景图像的均值，Gain_ij是图像坐标(i，j)处的增益校正系数，f_ij(t_n)是图像坐标(i，j)在探测器温度为t_n时的像素灰度值。

8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述探测器当前工作温度下图像坐标像素(i,j)处的偏移校正参数offset_ij(t)具体为：

offset_ij(t)＝K₁(t)×offset_ij(T₁)+K₂(t)×offset_ij(T₂)+...+K_N(t)×offset_ij(T_N)

其中，t为探测器的当前工作温度，offset_ij(T₁),...,offset_ij(T_N)为距离探测器温度最近的N个探测器温度点T₁,…T_N下的偏置本底分别在图像坐标(i，j)处的像素值，K_n(t)为探测器温度点T_n对应的插值基函数，

$K_n\left(t\right)=\underset{m\≠n}{\overset{N}{\underset{m=1}{\Π}}}\frac{(t-T_m)}{(T_n-T_m)},n=1,2,3,...,N.$

9.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述利用得到的所述图像增益校正系数及偏移校正参数对红外图像进行两点校正具体为：

Y_ij＝Gain_ij×(X_ij+offset_ij(t))

其中，Gain_ij是图像坐标(i，j)处的增益校正系数，offset_ij(t)是探测器当前工作温度下图像坐标像素(i,j)处的偏移校正参数；X_ij是图像坐标(i，j)处的原始输入值，Y_ij是对应的的校正输出值。

10.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述插值方式为分段低次的拉格朗日插值方法。