CN105987758B - 一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，首先根据基底温度范围将基底温度分为M个区间，每个温度区间拍摄不同温度黑体，同时将探测器原始输出也分为N个区间，标定出M×N帧图像，存储起来；然后，探测器工作时根据基底温度将标定的此基底温度上下的各M帧图像读出；接下来，根据每个像素点的响应值确定对应于基底温度上下两个温度曲线的对应值，再结合基底温度加权计算出最终输出值。本发明在标定时将基底温度的分区间，成功剔除挡片，还考虑了探测器输出非线性带来的非均匀性，将探测器原始输出也进行分区间，这样在标定完所有图像后不需进行第二次标定，一劳永逸，同时也解决了红外探测器非线性响应带来的非均匀性影响。

Description

一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法

技术领域

本发明属于视频图像增强领域，具体涉及一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法。

背景技术

18世纪早期发现可见光谱以外的红外光，经过两百多年的发展研究，红外光谱的应用已经取得了很大的进展。从早期粗糙的单像素探测设备到上世纪80年代晚期更加先进的液氮或复杂的制冷微测辐射热计系统，红外成像系统缓慢发展，那时的系统造价居高不下且不便于携带，使得机芯的应用多年来一直停留在国防、航空航天等重要领域。

随着技术的发展，探测器、机芯和软件系统在性能方面都获得一定的发展，并且入门级产品的价格也在下降，机芯逐渐变得更小、更轻并且更节能。随着邻近的电子元件产生的热量或容器温度的变化，或视野中的目标本身辐射热量的变化，探测器的增益和标准值将发生固有的漂移而偏离稳定区，并导致图像不均匀。红外制造商在探测器前面安装一个机械控制校正挡片，用于阻隔来自目标的所有辐射能量，以此来校正探测器的非均匀性，重新校正的时间间隔在几秒钟到几分钟不等。红外探测器制造商还利用直接安装在探测器上的热电(帕尔贴效应)加热器或制冷器来稳定探测器的温度，试图以此来减少探测器的偏移量。然而，这两种方法只能在有限的工作条件下提供局部解决方法，并且严重消耗成像系统中的电力预算。

采用繁琐的挡片进行非均匀性校正的红外探测系统，在校正的时候阻隔了入射信号，探测器对场景会有几秒钟的盲视，在目标追踪、在线机器视觉、消防搜救、电力排查等危险环境中，盲视效应是不能被接受的，特别在一些红外制导导弹飞行的过程中，“盲视”效应会严重影响导引头对目标方向的判断，使导弹击中错误目标，从而带来极为可怕的后果。另外，挡片校正过程可能耗时数秒并且可能频繁发生，这取决于机芯和它的工作环境，由于机械部件的存在使得整个探测器系统变重，同时挡片的频繁校正声学噪声，在隐蔽或者秘密进行的任务中有可能导致不可思量的结果。因此挡片的拆除给非制冷红外热像仪带来了广阔的应用前景。

目前国际市场上，美国FLIR公司、法国ULIS公司、英国LAND公司都推出了一系列无挡片热像仪产品，国内市场上，杭州兆晟公司也拥有同类型产品。这些无挡片热像仪产品均是建立在环境温度和焦平面基底温度一致的假设上，是一种基于定标的非均匀性校正方法。标定时，将红外机芯放置在高低温箱或者其他可控温环境中，高低温箱温度划分成不同区间，高低温箱温度调整为区间温度端点，让机芯拍摄高低温箱内均匀目标，待焦平面温度稳定下来后采集一帧图像进行存储，作为该温度端点的背景值，变换高低温箱温度，采集存储多帧图像。热像仪工作时，根据基底温度信息值，判断该基底温度落在标定过程的那两个温度端点内，将此两帧图像读出并线性计算出该基底温度所对应的背景图像，因此，探测器的输出图像减去计算出的背景值便能够完成挡片的校正。通过这种方式，能够将环境温度也考虑在内，即基底温度漂移时，环境温度也在漂移，此时需要重新校正背景，于是无挡片技术完成了随时校正背景的工作，克服了温度漂移的影响，但该方法没有考虑不同真实目标对红外探测器输出响应的影响，任然没有解决红外探测器非线性带来的问题，仅能看做是一点定标算法，在真实目标温度与基底温度相差较大时，这种非线性带来的非均匀性越加明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，成功剔除了非制冷型红外热像仪的挡片，减小系统体积、重量和功耗，提高了设备的可靠性，同时也解决了红外探测器非线性响应带来的非均匀性影响。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，包括以下步骤：

步骤1)标定非制冷型无挡片红外热像仪：

将非制冷型无挡片红外热像仪放置在可控温环境中，根据探测器工作温度范围将基底温度平均分为M个区间，M≥1，每个区间端点拍摄黑体标定，改变黑体温度将非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应平均分为N个区间，N≥1，即一个基底温度对应一个探测器原始输出响应均值，得到M×N帧图像，同时记下每帧图像对应的基底温度与探测器原始输出响应。

步骤2)上述非制冷型无挡片红外热像仪拍摄图像，图像分辨率为A×B,A为行数，B为列数，上述标定的M×N帧图像、每帧图像对应的基底温度和探测器原始输出响应共同构建M个曲线组，每个曲线组对应一个基底温度，且每个曲线组均由A×B条当前响应值与实际响应值构成的曲线组成。

步骤3)非制冷型无挡片红外热像仪工作时，根据探测器当前基底温度T判断其所属基底温度区间，即所属温度曲线组，获得输出图像。

上述步骤2)中，当前响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器每个像素点的原始输出响应值，实际响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应均值。

上述步骤3)中，判断探测器当前基底温度T所属基底温度区间分为两种情况：

第一种，当前基底温度T落在任意一个标定的基地温度上：根据非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值D_i确定该值对应Tl曲线组中该点对应的曲线TL_i上的实际响应值Dl_i，由当前基底温度T和实际响应值Dl_i确定任意一个像素点i对应的实际输出Y_i，则{Y_i}所组成的整幅图像即为最后输出图像。

第二种，当前基底温度T落在标定的两个相邻的基地温度之间，根据非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值D_i确定该值对应Tl曲线组中该点对应的曲线Tl_i上的实际响应值Dl_i以及Th曲线组中该点对应的曲线Th_i上的实际响应值Dh_i，由基底温度T、实际响应值Dl_i和实际响应值Dh_i确定任意一个像素点i对应的实际输出Y_i，则{Y_i}所组成的整幅图像即为最后输出图像。

上述第二种情况，若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底温度T落在标定的两相邻的基底温度Tl、Th之间，则由图像的任意一个像素点i的当前输出值D_i找出Tl_i曲线段对应的两个端点(Dl_a，D_ia)和(Dl_b，D_ib)，以及Th_i曲线段对应的两个端点(Dh_c，D_ic)和(Dh_d，D_id)，则当前输出值D_i满足下述关系式：

由此得到D_i对应于Tl_i曲线的实际响应值Dl_i和对应于Th_i曲线的实际响应值Dh_i；

则任意一个像素点i对应的实际输出Y_i由下述公式加权得到：

。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)增加了标定图像的数量，实际背景计算时结果更加精确；(2)考虑了不同真实目标对探测器输出响应值的影响，解决了探测器输出响应非线性带来的非均匀性；(3)本发明完成所有标定图像存储后，不需要二次标定，一劳永逸。

附图说明

图1是本发明无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法的流程图。

图2是真实场景的红外视频序列图像和各种无挡片算法效果图，其中图(a)为探测器输出未经过无挡片算法的图像；图(b)为经过传统无挡片算法处理的图像；图(c)为经过本发明的无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法处理后的图像。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明。

在红外视频图像序列中，由于探测器像元对相同的辐射源产生的响应不一致，导致在图像上出现明显的固定图案噪声，即非均匀性，严重影响了图像质量。为了校正非均匀性，非制冷型红外热像仪会在探测器前面加上挡片，以挡片挡下时的那一帧图像作为背景与探测器实际输出进行运算。挡片校正实质其实是一种单点校正方法，就是用探测器实际的输出值减去挡片挡下时的一帧图像，那么我们可以模拟挡片的这种校正过程，预先将多帧不同基底温度下的图像存储在flash等不掉电存储器里，待有效数据来临时根据当前温度信息判断从flash里读出相应的两帧图像，由这两帧图像来计算出背景再与实际数据流进行运算来校正非均匀性，这样就可以去掉挡片。这种无挡片的方法其实质是多区段的单点校正，任然没有解决红外探测器非线性带来的非均匀性问题。

若在传统多区段单点校正的无挡片校正方法基础上，考虑红外探测器输出响应的非线性，即在将基底温度分为不同区间的基础上将探测器输出响应也分为不同区间，一个基底温度对应一个探测器原始输出响应进行标定，然后在有效数据来临时计算每个像素点的输出，便能校正掉红外探测器输出响应非线性带来的非均匀性问题。

结合图1，一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，包括以下步骤：

步骤1)标定非制冷型无挡片红外热像仪：

将非制冷型无挡片红外热像仪放置在可控温环境中，根据探测器工作温度范围将基底温度平均分为M个区间，M≥1，每个区间端点拍摄黑体标定，改变黑体温度将非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应平均分为N个区间，N≥1，即一个基底温度对应一个探测器原始输出响应均值，得到M×N帧图像，同时记下每帧图像对应的基底温度与探测器原始输出响应。

步骤2)上述非制冷型无挡片红外热像仪拍摄图像，图像分辨率为A×B,A为行数，B为列数，上述标定的M×N帧图像、每帧图像对应的基底温度和探测器原始输出响应共同构建M个曲线组，每个曲线组对应一个基底温度，且每个曲线组均由A×B条当前响应值与实际响应值构成的曲线组成；分辨率为A×B的图像中包含A×B个像素点，一个像素点对应一条曲线，且每条曲线均是由M段线段组成。

上述当前响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器每个像素点的原始输出响应值，实际响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应均值。

步骤3)非制冷型无挡片红外热像仪工作时，根据探测器当前基底温度T判断其所属基底温度区间，即所属温度曲线组，获得输出图像。

判断探测器当前基底温度T所属基底温度区间分为两种情况：

第一种，当前基底温度T落在任意一个标定的基地温度上：根据非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值D_i确定该值对应Tl曲线组中该点对应的曲线Tl_i上的实际响应值Dl_i，由此实际响应值Dl_i即为任意一个像素点i对应的实际输出Y_i，则{Y_i}所组成的整幅图像即为最后输出图像；

若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底温度T落在任意一个标定的基地温度Tl上，则由图像的任意一个像素点i的当前输出值D_i找出Tl_i曲线段对应的两个端点(Dl_a，D_ia)和(Dl_b，D_ib)，则当前输出值D_i满足下述关系式：

由此得到D_i对应于Tl_i曲线的实际响应值Dl_i，则此时则任意一个像素点i对应的实际输出Y_i＝Dl_i。

第二种，当前基底温度T落在标定的两个相邻的基地温度之间，根据非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值D_i确定该值对应Tl曲线组中该点对应的曲线Tl_i上的实际响应值Dl_i以及Th曲线组中该点对应的曲线Th_i上的实际响应值Dh_i，由基底温度T、实际响应值Dl_i和实际响应值Dh_i确定任意一个像素点i对应的实际输出Y_i，则{Y_i}所组成的整幅图像即为最后输出图像。

若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底温度T落在标定的两相邻的基底温度Tl、Th之间，则由图像的任意一个像素点i的当前输出值D_i找出Tl_i曲线段对应的两个端点(Dl_a，D_ia)和(Dl_b，D_ib)，以及Th_i曲线段对应的两个端点(Dh_c，D_ic)和(Dh_d，D_id)，则当前输出值D_i满足下述关系式：

由此得到D_i对应于Tl_i曲线的实际响应值Dl_i和对应于Th_i曲线的实际响应值Dh_i；

则任意一个像素点i对应的实际输出Y_i由下述公式加权得到：

实施例1

一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，具体方法步骤如下：

采用336×256像素的非制冷型氧化钒红外热像仪采集红外图像，帧频为25帧每秒。

首先，将此红外热像仪放在可控温环境中，根据探测器工作温度范围将温度分为20个区间，调节环境温度使其处于温度区间的某一端点，待探测器工作稳定后基底温度便于环境温度相同，也就相应的将探测器基底温度划分为20个区间。然后，让热像仪拍摄温度可变的均匀物体(比如黑体)，改变黑体温度，探测器输出响应值也相应作出改变，通过调节黑体温度将探测器输出响应值也分为20个区间(以探测器所有像素输出响应的均值为标准)，这样一个基底温度对应一个探测器输出响应，待探测器输出值稳定将一帧图像存储起来，同时记下此时的基底温度值和探测器所有像素输出响应的均值。分别改变基底温度和探测器输出响应值，得到400帧图像存储起来，同时分别记下每次对应的基底温度值和探测器所有像素输出响应的均值。由于探测器的不同像素点对同一均匀目标的响应有所差异，则对于行为336列为256的一副图像而言，这400帧图像和每次对应的基底温度值和探测器所有像素输出响应的均值可看做是相同基底温度下的当前响应值与实际响应值(均值)的336×256条温度曲线(折线，每条都有20段)，不同的基底温度对应不同的曲线组，总共有20个这样的曲线组。

接下来，非制冷型红外热像仪开始工作时，能通过专门引脚将探测器基底温度T读出，判断其落在哪两个基底温度区间内，如Tl，Th内，由此可将之前标定的Tl和Th分别对应的各20帧图像读出。与上述类似，这40帧图像可看做是2个曲线组Tl曲线组和Th曲线组，Tl曲线组表示基底温度为Tl的当前响应值与实际响应值(均值)的336×256条温度曲线，Th曲线组表示基底温度为Th的当前响应值与实际响应值(均值)的336×256条温度曲线，这样，任意一个像素点i有两条曲线Tl_i和Th_i与之对应。

当有效数据来临时，由当前图像的任意一个像素点i当前输出值D_i先确定其对应Tl_i曲线和Th_i曲线的具体哪一段，找出Tl_i曲线该段的两个端点(Dl_a，D_ia)、(Dl_b，D_ib)和Th_i曲线该段的两个端点(Dh_c，D_ic)、(Dh_d，D_id)，则当前输出值D_i满足下述关系式：

式中，D_ia、D_ib为该像素点标定在Tl基底温度标定的响应值，Dl_a、Dl_b为标记的Tl基底温度下实际响应值(均值)，Dl_i为D_i对应于Tl_i曲线的实际响应值，Dh_i为D_i对应于Th_i曲线的实际响应值，由此可计算出Dl_i、Dh_i。

接下来，结合低温基底温度Tl、高温基底温度Th和当前图像基底温度T，与每个像素点的实际响应值Dl_i、Dh_i进行加权运算，便能得到每个像素点的实际输出Y_i，其加权公式如下：

至此，能校正掉非制冷型红外热像仪的探测器输出响应非线性所带来的非均匀性影响。

结合图2，其中，图2(a)为探测器输出未经过无挡片算法的图像，基本分不清目标和背景，竖纹和斜纹都存在，非均匀性较严重；图2(b)为经过传统无挡片算法处理的图像，能分清目标和背景，对比度清晰，一定程度上达到了非均匀性校正效果，但斜纹还是存在，探测器输出响应的非线性带来的非均匀性问题没有解决；图2(c)为经过本发明的无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法处理后的图像，能分清目标和背景，对比度清晰，斜纹和竖纹没有出现，很好的校正了探测器输出响应的非线性带来的非均匀性。

Claims (2)

1.一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)标定非制冷型无挡片红外热像仪：

将非制冷型无挡片红外热像仪放置在可控温环境中，根据探测器工作温度范围将基底温度平均分为M个区间，M≥1，每个区间端点拍摄黑体标定，改变黑体温度将非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应平均分为N个区间，N≥1，即一个基底温度对应一个黑体温度对应一个探测器原始输出响应均值，得到M×N帧图像，同时记下每帧图像对应的基底温度与探测器原始输出响应；

步骤2)上述非制冷型无挡片红外热像仪拍摄图像，图像分辨率为A×B，A为行数，B为列数，上述标定的M×N帧图像、每帧图像对应的基底温度和探测器原始输出响应均值共同构建M个曲线组，每个曲线组对应一个基底温度，且每个曲线组均由A×B条当前响应值与实际响应值构成的曲线组成；

其中，当前响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器每个像素点的原始输出响应值，实际响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应均值；

步骤3)非制冷型无挡片红外热像仪工作时，根据探测器当前基底温度T判断其所属基底温度区间，即所属温度曲线组，获得输出图像；

其中，判断探测器当前基底温度T所属基底温度区间分为两种情况：

第一种，当前基底温度T落在任意一个标定的基底温度上，该基底温度对应的曲线组为Tl曲线组：根据非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前响应值D_i确定该值对应Tl曲线组中该点对应的曲线Tl_i上的实际响应值Dl_i，由当前基底温度T和实际响应值Dl_i确定任意一个像素点i对应的实际输出Y_i，则{Y_i}所组成的整幅图像即为最后输出图像；

第二种，当前基底温度T落在标定的两个相邻的基底温度之间，其中两个相邻的基底温度中高温的基底温度对应的曲线组为Th曲线组，低温的基底温度对应的曲线组为Tl曲线组，根据非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前响应值D_i确定该值对应Tl曲线组中该点对应的曲线Tl_i上的实际响应值Dl_i以及Th曲线组中该点对应的曲线Th_i上的实际响应值Dh_i，由基底温度T、实际响应值Dl_i和实际响应值Dh_i确定任意一个像素点i对应的实际输出Y_i，则{Y_i}所组成的整幅图像即为最后输出图像。

2.根据权利要求1所述的无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，其特征在于：上述第二种情况，若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底温度T落在标定的两相邻的基底温度Tl、Th之间，则由图像的任意一个像素点i的当前响应值D_i找出Tl_i曲线中所对应的曲线段的两个端点(Dl_a，D_ia)和(Dl_b，D_ib)，以及Th_i曲线中所对应的曲线段的两个端点(Dh_c，D_ic)和(Dh_d，D_id)，则当前响应值D_i满足下述关系式：

由此得到D_i对应于Tl_i曲线的实际响应值Dl_i和对应于Th_i曲线的实际响应值Dh_i；

则任意一个像素点i对应的实际输出Y_i由下述公式加权得到：

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