CN110763342A - 一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，涉及红外图像处理领域，步骤为：1.获取探测器采集到的相互正交的任意两组偏振角度的像元数据，并对其进行预处理，得到M×N阶偏振数据矩阵，通过对偏振数据矩阵进行分割，得到四个偏振强度数据；2.对偏振数据矩阵进行卷积处理，得到四个相关梯度矩阵，利用四个相关梯度矩阵求取偏振数据矩阵对应的相关梯度因子矩阵；3.对四个偏振强度数据分别进行双线性插值，得到四个偏振光强矩阵，利用相关梯度因子矩阵对四个偏振光强矩阵进行梯度修正，得到四个偏振角度的还原矩阵；4.利用四个还原矩阵计算出探测器的辐射光强图像。本方法解决了现有方法对偏振光图像分辨率还原度差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及红外图像处理领域，具体涉及一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法。
背景技术
红外偏振成像技术是利用物体在发射、散射、反射以及透射电磁波的过程中产生的偏振信息进行成像，不同物体或同一物体的不同状态(如粗糙度、含水量、材料理化特性特征等)在热红外波段往往具有不同的偏振状态。该技术能很好地区分热辐射相同但偏振特性不同的目标和背景，能有效地揭示目标表面的形状结构、纹理、粗糙度等特点。
红外偏振探测常用的技术手段包括分时偏振成像系统、分束偏振成像系统和集成微偏振片阵列红外成像系统。其中，分时偏振成像系统通过在同一场景下旋转红外探测器前的偏振片，从而获取不同角度的偏振光输入，该系统可以获得和红外探测器相同分辨率的四幅偏振强度图像，但其缺陷在于实时性很差，多用于实验室，很难适应实际应用需求。分束偏振成像系统通过分波前或分振幅等手段将输入光分为多束，通过多个偏振片和红外探测器获得不同角度的偏振光输入，该系统可以实现实时解析，获得的辐射光强图像分辨率也和探测器分辨率一致，但其缺陷在于使用成本非常高，设备体积大，同样很难适应实际应用需要。
集成微偏振片阵列红外成像系统是目前市场应用的主流方法，该方法通过在红外探测阵列的阵列元前周期性集成不同角度的微偏振片，从而实现实时获取不同角度的偏振光输入。该方法的缺陷在于获取的每个角度的偏振光图像分辨率只有探测器分辨率的四分之一，通过传统的双线性插值将其分辨率还原得到的图像边缘较为模糊，不连续且锯齿感强烈，原因是双线性插值是取相邻像元灰度的均值作为插值结果，没有考虑灰度的变化趋势，在梯度变化较大的区域容易出现不连续或锯齿状，使图像边缘界限不清晰，观感模糊且锯齿感强烈。目前还没有一种理想的插值算法可以很好的对偏振光图像进行分辨率还原。
发明内容
本发明的目的在于：为解决现有的集成微偏振片阵列红外成像系统利用传统的双线性插值法对偏振光图像分辨率还原度差的问题，提供了一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法。本方法利用超像元中不同角度偏振信息的梯度相关性，还原出了高质量的辐射光强图像。且后续偏振度偏振角图像的计算是基于插值后的四个角度的图像，插值结果更准确可以提升偏振度偏振角图像的质量。
本发明采用的技术方案如下：
一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，包括以下步骤：
步骤1：获取探测器采集到的相互正交的任意两组偏振角度的像元数据，并对其进行预处理，得到M×N阶偏振数据矩阵O(M,N)，通过对偏振数据矩阵O(M,N)进行分割，得到偏振强度数据其中，偏振强度数据中标注的上标表示超像元中偏振光栅角度对应的位置、下标表示读取或计算出的偏振角度；
步骤2：对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积处理，得到相关梯度矩阵，利用相关梯度矩阵求取偏振数据矩阵O(M,N)对应的相关梯度因子矩阵；
步骤3：对偏振强度数据
分别进行双线性插值，得到偏振光强矩阵
利用相关梯度因子矩阵对偏振光强矩阵进行梯度修正，得到四个偏振角度的还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4；
步骤4：利用还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4计算出探测器的辐射光强图像S0。
进一步地，步骤1的具体方法如下：
步骤1-1：读取探测器采集的四个不同偏振角度的图像大小为M×N的像元数据，并对其进行图像两点校正、去坏点和滤波处理，得到M×N阶偏振数据矩阵O(M,N)；其中，M表示图像的宽度，N表示图像的高度；
步骤1-2：使用矩阵分片方法分别读取a1、a2、a3、a4四个不同偏振角度的像元数据，得到四个不同偏振角度的图像大小为m×n的偏振强度数据
即得到四个偏振数据子矩阵；其中，M＝2×m，N＝2×n。
进一步地，探测器中相邻四个像元构成一个超像元，即偏振强度数据中对应位置的元素组合构成一个超像元灰度矩阵s0，超像元灰度矩阵s0的计算公式如下：
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
进一步地，步骤2中，得到四个相关梯度矩阵的方法具体为：
利用水平梯度算子[-1 0 1]对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到水平相关梯度矩阵TCP；利用竖直梯度算子[-1 0 1]T对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到竖直相关梯度矩阵TCZ；利用左对角梯度算子[1 0 0；0 0 0；0 0 -1]对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到左对角相关梯度矩阵TZX；利用右对角梯度算子[0 0 1；0 0 0；1 0 0]对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到右对角相关梯度矩阵TYX。
进一步地，步骤2中，相关梯度因子矩阵包括水平梯度因子矩阵TSP、竖直梯度因子矩阵TSZ、对角梯度因子矩阵TDZ；
利用水平相关梯度矩阵TCP、竖直相关梯度矩阵TCZ、左对角相关梯度矩阵TZX、右对角相关梯度矩阵TYX计算水平梯度因子矩阵TSP、竖直梯度因子矩阵TSZ、对角梯度因子矩阵TDZ，计算方法如下：
TSPi，j＝TCPi，j-1-TCPi，j+1
TSZi，j＝TCZi-1，j-TCZi+1，j
TDZi，j＝TZXi+1，j+1-TZXi-1，j-1+TYXi+1，j-1-TYXi-1，j+1
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
进一步地，步骤3中，对偏振强度数据分别进行双线性插值，得到对应大小为M×N的偏振光强矩阵其计算方法如下：
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
进一步地，利用相关梯度因子矩阵对偏振光强矩阵
进行梯度修正，得到四个偏振角度的还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4，还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4的计算公式如下：
其中，1≤i≤0.5×M-1，1≤j≤0.5×N-1。
进一步地，步骤4的具体方法为：对还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4进行矩阵边缘处理，得到变换矩阵I_a1′、I_a2′、I_a3′、I_a4′，利用变换矩阵I_a1′、I_a2′、I_a3′、I_a4′计算探测器的辐射光强图像S0。
进一步地，对各还原矩阵进行矩阵边缘处理的方法为：将还原矩阵的第1行和第(M-1)行分别替换其第2行和第M行，第1列和第(N-1)列分别替换其第2列和第N行。
进一步地，辐射光强图像S0的计算方法如下：
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，首先对四个偏振角度的偏振光分别进行八个方向的梯度计算，根据同一超像元不同角度像元梯度变化趋势一致的原理，在进行分辨率插值还原时，引入超像元偏振光图像的相关梯度因子进行修正，得到四个不同偏振角度下和探测器分辨率一致的灰度图像，并可以进一步计算出和探测器分辨率一致的辐射光强图像。通过本方法还原后的辐射光强图像边界清晰连续，细节特征更为明显，有效地解决了传统方法边缘模糊断裂、锯齿感强烈的问题。
2、本发明中，巧妙地引入具体位置相邻其他角度像元的灰度梯度，作为该位置灰度的变化趋势对插值结果进行补偿，使插值结果更为准确。利用相邻超像元中不同角度偏振信息的梯度相关性，对超像元中每个位置不同角度的偏振光强度进行合理的预测，将超像元中一组偏振光强度还原成四组。本方法可以有效地对探测器超像元的偏振信息进行预测补充，适用于偏振探测器的偏振超像元辐射光强图像的分辨率还原。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的超像元示意图；
图3为本发明实施例一得到的0°方向的偏振光强图像；
图4为基于传统双线性差值法得到的0°方向的偏振光强图像；
图5为本发明实施例一得到的辐射光强图像S0；
图6为基于传统双线性差值法得到的辐射光强图像。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
本发明的较佳实施例，提供了一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：获取相互正交的任意两组偏振角度的像元数据，并对其进行预处理，得到M×N阶偏振数据矩阵O(M，N)，通过对偏振数据矩阵O(M，N)进行分割，得到偏振强度数据
本实施例中，相互正交的任意两组偏振角度的值具体为0、45、90、135。本步骤的具体方法如下：
步骤1-1：读取非制冷红外焦平面微偏振阵列探测器采集的四个不同偏振角度的像元数据，该数据即为焦平面像元获得的图像大小为M×N的原始红外强度数据，并对其进行图像两点校正、去坏点和滤波处理，得到M×N阶偏振数据矩阵O(M，N)。本实施例中，M的取值为512，N的取值为640。
步骤1-2：因非制冷红外焦平面微偏振阵列探测器集成的偏振光栅角度为行和列交错排列，因此使用矩阵分片方法分别读取0°、45°、90°、135°四个不同偏振角度的像元数据(即：将读取的像元数据按照焦平面像元刻蚀的不同偏振角度进行分割)，得到四个不同偏振角度的图像大小为m×n的偏振强度数据
即得到四个偏振数据子矩阵。
其中，非制冷红外焦平面微偏振阵列探测器中相邻四个像元构成一个超像元，即偏振强度数据
中对应位置的元素组合构成一个超像元灰度矩阵s0，超像元灰度矩阵s0的计算公式如下：
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标，偏振强度数据中标注的上标表示超像元中偏振光栅角度对应的位置、下标表示读取或计算出的偏振角度。M＝2×m，N＝2×n，即像元数据经矩阵分片方法分割后的偏振强度数据的图像大小为256×320。
步骤2：利用四个相关方向梯度算子对偏振数据矩阵O(M，N)进行卷积操作，得到四个相关梯度矩阵，并利用四个相关梯度矩阵求取偏振数据矩阵O(M，N)对应的相关梯度因子矩阵。具体方法如下：
步骤2-1：
偏振数据矩阵O(M，N)的相关梯度定义为：偏振数据矩阵O(M，N)中任一元素Oi，j，和该点偏振光栅角度相同的最邻近点有8个，其中，与Oi，j同一列的2个点与Oi，j的灰度差，分别称为Oi，j-1、Oi，j+1的竖直相关梯度；与Oi，j同一行的2个点与Oi，j的灰度差，分别称为Oi-1，j、Oi+1，j的水平相关梯度，Oi-1，j-1、Oi+1，j+1两个点与Oi，j的灰度差，分别称为Oi-1，j-1、Oi+1，j+1的左对角相关梯度，Oi+1，j-1、Oi-1，j+1两个点与Oi，j的灰度差，分别称为Oi+1，j-1、Oi-1，j+1的右对角相关梯度。
通过差分求取偏振数据矩阵O(M，N)在上、下、左、右、左上、右上、左下、右下八个方向的梯度，即利用水平梯度算子[-1 0 1]对偏振数据矩阵O(M，N)进行卷积操作，得到水平相关梯度矩阵TCP；利用竖直梯度算子[-1 0 1]T对偏振数据矩阵O(M，N)进行卷积操作，得到竖直相关梯度矩阵TCZ；利用左对角梯度算子[1 0 0；0 0 0；0 0 -1]对偏振数据矩阵O(M，N)进行卷积操作，得到左对角相关梯度矩阵TZX；利用右对角梯度算子[0 0 1；0 0 0；10 0]对偏振数据矩阵O(M，N)进行卷积操作，得到右对角相关梯度矩阵TYX。
步骤2-2：
偏振数据矩阵O(M，N)的相关梯度因子定义为：偏振数据矩阵O(M，N)中任一元素Oi，j，和该点偏振光栅角度相同且在同一直线上的最邻近点的梯度之和。特别的，两条对角线视为同一直线。每个元素Oi，j对应三个相关梯度因子，具体为相关梯度因子矩阵包含的水平梯度因子矩阵TSP、竖直梯度因子矩阵TSZ、对角梯度因子矩阵TDZ。
利用水平相关梯度矩阵TCP、竖直相关梯度矩阵TCZ、左对角相关梯度矩阵TZX、右对角相关梯度矩阵TYX计算水平梯度因子矩阵TSP、竖直梯度因子矩阵TSZ、对角梯度因子矩阵TDZ的方法如下：
TSPi，j＝TCPi，j-1-TCPi，j+1
TSZi，j＝TCZi-1，j-TCZi+1，j
TDZi，j＝TZXi+1，j+1-TZXi-1，j-1+TYXi+1，j-1-TYXi-1，j+1。
步骤3：对偏振强度数据
分别进行双线性插值，得到偏振光强矩阵，利用相关梯度因子矩阵对偏振光强矩阵进行梯度修正，得到四个偏振角度的还原矩阵I_0、I_45、I_90、I_135。具体方法如下：
步骤3-1：对偏振强度数据
分别进行双线性插值，得到对应大小为M×N的偏振光强矩阵
其计算方法如下：
步骤3-2：利用水平梯度因子矩阵TSP、竖直梯度因子矩阵TSZ和对角梯度因子矩阵TDZ对偏振光强矩阵进行梯度修正，得到四个偏振角度的还原矩阵I_0、I_45、I_90、I_135，修正原则具体如下：
将偏振光强矩阵
中第一个元素平移至偏振数据矩阵O(M,N)中第一个超像元中对应角度元素所在位置，将四个偏振数据子矩阵中每个水平方向插值得到的元素加上偏振数据矩阵O(M,N)中对应位置的水平相关梯度因子、竖直方向插值得到的元素加上偏振数据矩阵O(M,N)中对应位置的竖直相关梯度因子、对角方向插值得到的元素加上偏振数据矩阵O(M,N)中对应位置的对角相关梯度因子。
修正后得到的四个偏振角度的输出矩阵记为还原矩阵I_0、I_45、I_90、I_135，还原矩阵I_0、I_45、I_90、I_135的计算公式如下：
其中，1≤i≤0.5×M-1，1≤j≤0.5×N-1。
步骤4：利用还原矩阵I_0、I_45、I_90、I_135计算非制冷红外焦平面微偏振阵列探测器的辐射光强图像S0。具体方法如下：
步骤4-1：对还原矩阵I_0、I_45、I_90、I_135分别进行矩阵边缘处理，具体方法为：将还原矩阵I_0的第1行和第(M-1)行分别替换其第2行和第M行，第1列和第(N-1)列分别替换其第2列和第N行；将还原矩阵I_45的第1行和第(M-1)行分别替换其第2行和第M行，第1列和第(N-1)列分别替换其第2列和第N行；将还原矩阵I_90的第1行和第(M-1)行分别替换其第2行和第M行，第1列和第(N-1)列分别替换其第2列和第N行；将还原矩阵I_135的第1行和第(M-1)行分别替换其第2行和第M行，第1列和第(N-1)列分别替换其第2列和第N行，得到变换矩阵I_0′、I_45′、I_90′、I_135′。
步骤4-2：利用变换矩阵I_0′、I_45′、I_90′、I_135′计算非制冷红外焦平面微偏振阵列探测器的辐射光强图像S0，计算方法如下：
S0i，j＝0.5×(I_0i，j+I_45i，j+I_90i，j+I_135i，j)。
如图5和图6所示，将本发明获得的辐射光强图像与传统的先计算低分辨率辐射光强图像、再进行双线性插值的方法相比，本发明边缘清晰连续，细节纹理完整，图像质量得到了大大提高。
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)
1.一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取探测器采集到的相互正交的任意两组偏振角度的像元数据，并对其进行预处理，得到M×N阶偏振数据矩阵O(M,N)，通过对偏振数据矩阵O(M,N)进行分割，得到偏振强度数据
其中，偏振强度数据中标注的上标表示超像元中偏振光栅角度对应的位置、下标表示读取或计算出的偏振角度；
步骤2：对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积处理，得到相关梯度矩阵，利用相关梯度矩阵求取偏振数据矩阵O(M,N)对应的相关梯度因子矩阵；
步骤3：对偏振强度数据分别进行双线性插值，得到偏振光强矩阵
利用相关梯度因子矩阵对偏振光强矩阵进行梯度修正，得到偏振角度的还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4；
步骤4：利用还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4计算出探测器的辐射光强图像S0。
2.根据权利要求1所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：
步骤1-1：读取探测器采集的四个不同偏振角度的图像大小为M×N的像元数据，并对其进行图像两点校正、去坏点和滤波处理，得到M×N阶偏振数据矩阵O(M,N)；其中，M表示图像的宽度，N表示图像的高度；
步骤1-2：使用矩阵分片方法分别读取a1、a2、a3、a4四个不同偏振角度的像元数据，得到四个不同偏振角度的图像大小为m×n的偏振强度数据
即得到四个偏振数据子矩阵；其中，M＝2×m，N＝2×n。
3.根据权利要求1所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，探测器中相邻四个像元构成一个超像元，即偏振强度数据
中对应位置的元素组合构成一个超像元灰度矩阵s0，超像元灰度矩阵s0的计算公式如下：
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
4.根据权利要求1所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，步骤2中，得到四个相关梯度矩阵的方法具体为：
利用水平梯度算子[-1 0 1]对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到水平相关梯度矩阵TCP；利用竖直梯度算子[-1 0 1]T对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到竖直相关梯度矩阵TCZ；利用左对角梯度算子[1 0 0；0 0 0；0 0 -1]对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到左对角相关梯度矩阵TZX；利用右对角梯度算子[0 0 1；0 0 0；1 0 0]对偏振数据矩阵O(M,N)进行卷积操作，得到右对角相关梯度矩阵TYX。
5.根据权利要求4所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，步骤2中，相关梯度因子矩阵包括水平梯度因子矩阵TSP、竖直梯度因子矩阵TSZ、对角梯度因子矩阵TDZ；
利用水平相关梯度矩阵TCP、竖直相关梯度矩阵TCZ、左对角相关梯度矩阵TZX、右对角相关梯度矩阵TYX计算水平梯度因子矩阵TSP、竖直梯度因子矩阵TSZ、对角梯度因子矩阵TDZ，计算方法如下：
TSPi,j＝TCPi,j-1-TCPi,j+1
TSZi,j＝TCZi-1,j-TCZi+1,j
TDZi,j＝TZXi+1,j+1-TZXi-1,j-1+TYXi+1,j-1-TYXi-1,j+1
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
6.根据权利要求1所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，步骤3中，对偏振强度数据
分别进行双线性插值，得到对应大小为M×N的偏振光强矩阵
其计算方法如下：
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
7.根据权利要求5所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，利用相关梯度因子矩阵对偏振光强矩阵
进行梯度修正，得到四个偏振角度的还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4，还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4的计算公式如下：
其中，1≤i≤0.5×M-1，1≤j≤0.5×N-1。
8.根据权利要求1所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，步骤4的具体方法为：对还原矩阵I_a1、I_a2、I_a3、I_a4进行矩阵边缘处理，得到变换矩阵I_a1′、I_a2′、I_a3′、I_a4′，利用变换矩阵I_a1′、I_a2′、I_a3′、I_a4′计算探测器的辐射光强图像S0。
9.根据权利要求8所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，对各还原矩阵进行矩阵边缘处理的方法为：将还原矩阵的第1行和第(M-1)行分别替换其第2行和第M行，第1列和第(N-1)列分别替换其第2列和第N行。
10.根据权利要求8所述的一种红外偏振超像元辐射光强图像分辨率还原方法，其特征在于，辐射光强图像S0的计算方法如下：
其中，下标i、j均表示矩阵中的元素位置坐标。
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