CN109060140A - 基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法 - Google Patents
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Abstract
针对现有采用两点定标法进行非均匀性校正的红外热像仪需要增加温控电路和快门组件，增加了红外热像仪机芯的体积、功耗、硬件成本，降低了红外热像仪的工作可靠性以及工作应用场合受限的问题，本发明提供基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，包括以下步骤：1)通过多本底拟合的方法获取Gij以及通过标定的方法获取Oij；Gij为像元(i,j)的增益系数，Oij为像元(i,j)的偏移系数；2)根据获取的Gij和Oij，通过校正公式Yij＝Gij×Xij+Oij，计算得到校正后的输出图像；其中，Xij为像元(i,j)校正前的输出图像；Yij为像元(i,j)校正后的输出图像。
Description
技术领域
本发明涉及图像校正技术领域，具体涉及基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法。
背景技术
长波非制冷红外热像仪已经广泛应用于安防、医疗、森林防火救灾、电力系统巡检等方面，其核心器件是红外焦平面探测器。理想情况下，红外焦平面探测器上每一个像元的响应都应该是完全相同。然而实际情况中，在均匀红外辐射入射的情况下，探测器各个像元具有不同的响应特性，表现出明显的差异，也就是响应非均匀性。
红外热像仪的各个部分都会对输出图像的均匀性造成影响。其中，由探测器自身的半导体材料、工艺上的缺陷和信号读出电路(ROIC)的不一致性引起的非均匀性是最主要的，直接决定了红外图像的非均匀性噪声水平，其次是光学系统、工作环境和后端处理电路的影响。
红外热像仪输出的原始图像需要经过非均匀性校正才能有效提高图像质量，是红外热像仪必需的预处理算法。常见的非均匀校正方法分为基于定标的方法和基于场景的方法两大类。
基于场景的自适应校正方法计算量大、实时性差，适用于在上位机上处理，难以在小型化红外热像仪上应用。
基于定标的方法中，两点定标法简单、实用，是目前工程上应用最为广泛的方法。图1(a)和图1(b)为两点定标法校正前后探测器像元响应示意图。但长波非制冷探测器随开机时间和工作环境温度的变化输出会发生明显的漂移，引起图像质量严重下降。因此一般增加温控电路控制探测器焦平面工作温度稳定，再通过快门校正补偿输出漂移对非均匀性校正效果带来的影响。这种常规的应用需要增加温控电路和快门组件(含校正挡片、电机及驱动电路)，存在以下缺点：
1、显著增加了红外热像仪机芯的体积、功耗、硬件成本；
2、快门组件的电机在低温下工作可靠性会明显下降；
3、校正的短暂时间无法输出图像，因此这种校正方法不能用于跟踪等应用场合。
发明内容
针对现有采用两点定标法进行非均匀性校正的红外热像仪需要增加温控电路和快门组件，增加了红外热像仪机芯的体积、功耗、硬件成本，降低了红外热像仪的工作可靠性以及工作应用场合受限的问题，本发明提供基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法。本方法在红外热像仪没有温控电路和快门组件的情况下，能补偿其探测器输出漂移，可有效保证红外热像仪输出图像的质量，达到较好的非均匀性校正效果。
本发明提供的技术方案是：基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)分别获取Gij和Oij；Gij为像元(i,j)的增益系数，Oij为像元(i,j)的偏移系数；
1.1)获取Gij的过程具体包括以下步骤：
1.11)在室温环境下，将红外热像仪正对面源黑体，分别采集黑体的高温、低温本底图像，黑体的高温、低温温度范围设定在红外热像仪的有效响应范围内，且高温与低温之差在15℃之内；
1.12)通过高温、低温本底图像计算得到增益系数Gij，将Gij存储在红外热像仪的EPROM中；
1.2)获取Oij的过程具体包括以下步骤：
1.21)将红外热像仪和黑体放置在环境温度试验箱内，使红外热像仪正对黑体；
1.22)调节环境温度试验箱的箱内温度最低至-20℃；保持环境温度试验箱内温度稳定并持续T小时后开启红外热像仪，2≥T≥1；
1.23)持续监测红外热像仪的探测器焦平面温度数据，待温度数据稳定后，记录探测器焦平面温度数据并采集定标图像；
1.24)以相同的n℃为间隔上调环境温度试验箱的箱内温度，箱内温度每上调一次后，重复步骤1.23)，n取3～7以内的任一整数，上调后的箱内最高温度最接近50℃且不超过50℃；
1.25)将步骤1.23)至1.24)中，多个像元分别对探测器焦平面温度数据和定标图像灰度值进行高阶拟合(高阶是指三阶以上，通常采用三阶、四阶或五阶)；得到不同恒定温度下，定标图像灰度值与探测器焦平面温度数据的拟合系数F；将拟合系数F存储在红外热像仪的EPROM中；
1.26)红外热像仪根据其探测器监测到的实时温度及步骤1.25)得到的拟合系数F，计算获得Oij；
2)根据获取的Gij和Oij，通过校正公式Yij＝Gij×Xij+Oij，计算得到校正后的输出图像；
其中，Xij为像元(i,j)校正前的输出图像；
Yij为像元(i,j)校正后的输出图像。
进一步地，步骤1.11)中，高温是指35℃，低温是指20℃；
调节黑体温度为20℃，采集高低温图像命名为求出各个像元的灰度值均值为VL；
调节黑体温度为35℃，采集高低温图像命名为求出各个像元的灰度值均值为VH；
步骤1.12)中，根据公式计算得到各个像元的增益系数。
进一步地，步骤1.25)中，分别对探测器焦平面温度数据和定标图像灰度值进行三阶拟合；得到拟合系数F＝{F3,F2,F1,F0}；通过公式Oij＝F3(i,j)×T3+F2(i,j)×T2+F1(i,j)×T+F0(i,j)；计算得到Oij。
进一步地，步骤1.22)中，保持环境温度试验箱内温度稳定并持续1小时后开启红外热像仪。
进一步地，步骤1.24)中，以相同的5℃为间隔上调环境温度试验箱的箱内温度。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明采用的校正方法可以极大的简化红外热像仪的电路和结构，在没有温控电路和快门组件的情况下，能补偿探测器输出漂移，可有效保证输出图像的质量，达到较好的非均匀性校正效果，满足市场对微小型红外热像仪需求，对于红外热像仪微小型设计有重要的应用价值。
附图说明
图1(a)是红外热像仪的探测器像元采用两点定标法校正之前的响应特性；
图1(b)是红外热像仪的探测器像元采用两点定标法校正之后的响应特性；
图2是表1某像元定标图像灰度与探测器焦平面温度的拟合曲线图；
图3是表1某像元拟合误差分布图拟合曲线图；
图4是基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法的流程图；
图5是25℃室内环境温度下，红外热像仪未经校正的输出原始图像；
图6是25℃室内环境温度下，无温控的红外热像仪通过传统两点法校正后的图像；
图7是25℃室内环境温度下，无温控的红外热像仪采用本发明方法校正后的图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供的基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，如图4所示，包括以下步骤：
1)分别获取Gij和Oij；Gij为像元(i,j)的增益系数，Oij为像元(i,j)的偏移系数；
1.1)获取Gij的过程具体包括以下步骤：
1.11)在室温环境下，使红外热像仪正对面源黑体；黑体作为随环境温度变化的辐射源不需要通电。
调节黑体温度为20℃，采集高低温图像命名为求出各个像元的灰度值均值为VL；
调节黑体温度为35℃，采集高低温图像命名为求出各个像元的灰度值均值为VH；
1.12)根据公式计算得到各个像元的增益系数Gij，将Gij存储在红外热像仪的EPROM中；
1.2)获取Oij的过程包括具体以下步骤：
1.21)将红外热像仪和黑体放置在环境温度试验箱内，使红外热像仪正对黑体；黑体作为随环境温度变化的辐射源不需要通电。
1.22)调节环境温度试验箱的箱内温度至-10℃；保持环境温度试验箱内温度稳定并持续1小时后开启红外热像仪，使红外热像仪和黑体接近环境温度试验箱的箱内温度；
1.23)持续监测红外热像仪的探测器焦平面温度数据，待温度数据稳定后，记录探测器焦平面温度数据并采集定标图像；
1.24)以相同的n℃为间隔上调环境温度试验箱的箱内温度，箱内温度每上调一次后，重复步骤1.23)，n取3～7以内的任一整数，上调后的箱内最高温度最接近50℃且不超过50℃；
共采集到13副定标图像，记录为：M＝{M-10,M-5,…,M50}，对应的探测器焦平面温度数据为：T＝{T-10,T-5,…,T50}，其中M中所有元素均为m×n数组，m×n对应探测器的像元数；
1.25)将步骤1.23)至1.24)中，多个像元分别对探测器焦平面温度数据和定标图像灰度值进行三阶拟合；得到不同恒定温度下，定标图像灰度值与探测器焦平面温度数据的拟合系数F；将拟合系数F存储在红外热像仪的EPROM中；
采用MATLAB对M和T进行三阶拟合分析，得到拟合系数为：F＝{F3,F2,F1,F0}，F中所有元素均为m×n数组，每一个像元都有对应的拟合系数；
1.26)在使用红外热像仪时，红外热像仪根据其探测器监测到的实时温度及步骤1.25)得到的拟合系数F＝{F3,F2,F1,F0}，通过公式Oij＝F3(i,j)×T3+F2(i,j)×T2+F1(i,j)×T+F0(i,j)；计算得到Oij；
2)根据获取的Gij和Oij，通过校正公式Yij＝Gij×Xij+Oij，计算得到校正后的输出图像；
其中，Xij为像元(i,j)校正前的输出图像；
Yij为像元(i,j)校正后的输出图像。
表1为按照上述步骤1.22)至1.24)，在恒定的环境温度试验箱温度下，得到的某单个像元定标图像输出灰度与探测器焦平面温度数据。
表1
| 输出灰度 | 探测器焦平面温度(℃) | 试验箱温度(℃) |
| 16940 | 5.91 | -10 |
| 17765 | 10.14 | -5 |
| 18636 | 14.32 | 0 |
| 19516 | 18.56 | 5 |
| 20450 | 22.77 | 10 |
| 21448 | 27.24 | 15 |
| 22523 | 31.76 | 20 |
| 23682 | 36.59 | 25 |
| 24917 | 41.28 | 30 |
| 26246 | 46.10 | 35 |
| 27661 | 50.87 | 40 |
| 29165 | 55.63 | 45 |
| 30762 | 59.86 | 50 |
图2是表1某像元定标图像灰度与探测器焦平面温度的拟合曲线图。
图3是表1某像元拟合误差分布图拟合曲线图，可以看出，拟合误差在-40～40范围内，平均相对误差小于0.14％，达到了较高的拟合精度。
如图5至图7所示，省去了快门组件和温控电路之后的红外热像仪进行探测图像，相对于红外热像仪的原始输出图像，传统的两点校正法校正后的图像效果并不理想，而采用本发明校正方法校正后的图像效果非常好。
Claims (5)
1.基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别获取Gij和Oij；Gij为像元(i，j)的增益系数，Oij为像元(i，j)的偏移系数；
1.1)获取Gij的过程具体包括以下步骤：
1.11)在室温环境下，将红外热像仪正对面源黑体，分别采集黑体的高温、低温本底图像，黑体的高温、低温温度范围设定在红外热像仪的有效响应范围内，且高温与低温之差在15℃之内；
1.12)通过高温、低温本底图像计算得到增益系数Gij，将Gij存储在红外热像仪的EPROM中；
1.2)获取Oij的过程具体包括以下步骤：
1.21)将红外热像仪和黑体放置在环境温度试验箱内，使红外热像仪正对黑体；
1.22)调节环境温度试验箱的箱内温度最低至-20℃；保持环境温度试验箱内温度稳定并持续T小时后开启红外热像仪，2≥T≥1；
1.23)持续监测红外热像仪的探测器焦平面温度数据，待温度数据稳定后，记录探测器焦平面温度数据并采集定标图像；
1.24)以相同的n℃为间隔上调环境温度试验箱的箱内温度，箱内温度每上调一次后，重复步骤1.23)，n取3～7以内的任一整数，上调后的箱内最高温度最接近50℃且不超过50℃；
1.25)将步骤1.23)至1.24)中，多个像元分别对探测器焦平面温度数据和定标图像灰度值进行高阶拟合；得到不同恒定温度下，定标图像灰度值与探测器焦平面温度数据的拟合系数F；将拟合系数F存储在红外热像仪的EPROM中；
1.26)红外热像仪根据其探测器监测到的实时温度及步骤1.25)得到的拟合系数F，计算获得Oij；
2)根据获取的Gij和Oij，通过校正公式Yij＝Gij×Xij+Oij，计算得到校正后的输出图像；
其中，Xij为像元(i，j)校正前的输出图像；
Yij为像元(i，j)校正后的输出图像。
2.根据权利要求1所述基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于：步骤1.11)中，高温是指35℃，低温是指20℃；
调节黑体温度为20℃，采集高低温图像命名为求出各个像元的灰度值均值为VL；
调节黑体温度为35℃，采集高低温图像命名为求出各个像元的灰度值均值为VH；
步骤1.12)中，根据公式计算得到各个像元的增益系数。
3.根据权利要求1或2所述基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于：
步骤1.25)中，分别对探测器焦平面温度数据和定标图像灰度值进行三阶拟合；得到拟合系数F＝{F3，F2，F1，F0}；通过公式Oij＝F3(i，j)×T3+F2(i，j)×T2+F1(i，j)×T+F0(i，j)；计算得到Oii。
4.根据权利要求3所述基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于：步骤1.22)中，保持环境温度试验箱内温度稳定并持续1小时后开启红外热像仪。
5.根据权利要求4所述基于多点标定及拟合的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于：步骤1.24)中，以相同的5℃为间隔上调环境温度试验箱的箱内温度。
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