CN111076821B - 一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法，依据红外图像响应曲线特性，按红外热像仪观察场景的动态范围预先设置温度范围，依据温度范围分段并设置每温度段所对应的积分时间，使不同的温度段内红外焦平面探测器处于近线性段响应曲线范围，在使用过程中红外热像仪根据观察场景的温度范围实现积分时间的自适应切换并完成红外图像的非均匀性校正。本发明在无人工干预且不增加任何硬件资源消耗的条件下，可根据观察场景自适应完成积分时间的切换实现红外图像非均匀性的两点校正，解决以往仅有一组校正系数时，在红外焦平面探测器观察场景离标定点较远的情况下,经校正后红外图像残留非均匀性大,校正效果差等问题。

Description

一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，涉及一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法。
背景技术
红外焦平面探测器受材料、工艺和环境的影响，红外焦平面阵列各阵列单元存在着响应的非均匀性，它会导致红外成像系统的性能显著下降，以至使其难以满足红外成像系统的使用要求，因而工程中使用的红外焦平面阵列几乎毫无例外地都采用非均匀性校正技术。
传统基于温度标定的两点校正算法建立在红外焦平面阵列元响应是线性的这种理想化假设下的,但实际情况并非如此。对于非均匀性较大或离标定点较远的部分,经两点校正后残留的非均匀性大,校正的效果差。同时,该方法校正后的动态范围小,当观察场景温度动态范围较大时,会引入较大的误差。
若采用多点分段校正算法可更准确的模拟探测器的非线性响应，进而在热像仪观察较大温度动态场景时仍可保持良好的均匀性，但该方法由于需存储多组两点系数会大大增加硬件消耗，进而提高产品成本。
发明内容
鉴于现有红外图像校正存在的弊端，本发明提出一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法，该方法在不增加任何硬件资源消耗的基础上，可有效减小红外焦平面探测器响应非线性带来的误差，提高校正精度，扩大红外焦平面观察场景的动态范围，具有良好的工程实用性。
本发明的技术方案为：
所述一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据红外焦平面探测器的观察场景设置温度动态范围；
步骤2：将步骤1中的温度动态范围分为低温段、常温段及高温段三段，且相邻两段之间有重叠的温度区域；
步骤3：通过调整三个温度段各自的积分时间，使三个温度段内的探测器响应处于近线性段内，所述近线性段为探测器响应曲线中的一段斜率变化小于设定值的响应曲线：
调整常温段的积分时间，使得常温段的探测器响应处于探测器响应曲线的近线性段内；以常温段的积分时间为基准，以设定时长为步长，增加积分时间，计算低温段内的探测器响应，得到使低温段内的探测器响应处于所述近线性段内的积分时间，并作为低温段的积分时间；以常温段的积分时间为基准，以设定时间为步长，减小积分时间，计算高温段内的探测器响应，得到使高温段内的探测器响应处于所述近线性段内的积分时间，并作为高温段的积分时间；
步骤4：选择低温段与常温段重叠区域中的某一温度TL，以及高温段与常温段重叠区域中的某一温度TH，采用红外焦平面探测器采集标准黑体在TL和TH下的红外原始图像yij(φL)和yij(φH)，根据公式
Figure BDA0002313906240000021
Figure BDA0002313906240000022
计算红外图像的两点校正系数增益Gij和偏置Oij；其中i＝0,1,...,M-1；j＝0,1,...,N-1，
Figure BDA0002313906240000023
M，N为红外焦平面探测器阵列大小；
步骤5：采用以下过程设置积分时间切换灰度阈值；
当观察场景从低温段向常温段转换时，以标准黑体在低温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在低温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第一转换阈值；
当观察场景从常温段向低温段转换时，以标准黑体在低温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在常温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第二转换阈值；
当观察场景从高温段向常温段转换时，以标准黑体在高温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在高温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第三转换阈值；
当观察场景从常温段向高温段转换时，以标准黑体在高温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在常温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第四转换阈值；
步骤6：红外焦平面探测器实际工作过程中，实际计算红外焦平面探测器采集画面中各像素点灰度值，并根据红外焦平面探测器的观察场景的变化趋势，通过以下过程进行积分时间切换：
当观察场景从低温段向常温段变化时，计算画面中灰度值大于第一转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由低温段的积分时间切换到常温段的积分时间；
当观察场景从常温段向低温段转换时，计算画面中灰度值小于第二转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由常温段的积分时间切换到低温段的积分时间；
当观察场景从高温段向常温段转换时，计算画面中灰度值小于第三转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由高温段的积分时间切换到常温段的积分时间；
当观察场景从常温段向高温段转换时，计算画面中灰度值大于第四转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由常温段的积分时间切换到高温段的积分时间；
步骤7：积分时间自适应切换后，根据步骤4得到的两点校正系数增益Gij和偏置Oij完成红外图像的两点校正即可得到非均匀校正后的图像。
进一步的优选方案，步骤1中，当红外焦平面探测器的观察场景为夏天时节的天空到半天半地再到全地面，则其温度动态范围为-20℃～55℃。
进一步的优选方案，步骤2中，将温度动态范围划分为-20℃～10℃、5℃～30℃及25℃～55℃三个温度段，记为低温段、常温段及高温段。
进一步的优选方案，步骤4中，选择5℃和30℃作为TL和TH。
有益效果
本发明具有的优点和有益效果是：本发明在无人工干预且不增加任何硬件资源消耗的条件下，可根据观察场景自适应完成积分时间的切换实现红外图像非均匀性的校正，解决以往仅有一组校正系数时，在红外焦平面探测器观察场景离标定点较远的情况下,经校正后红外图像残留非均匀性大,校正效果差等问题，可有效减小红外焦平面探测器响应非线性带来的误差，提高校正精度，扩大红外热像仪观察场景的动态范围，具有良好的工程实用性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的具体实现程序流程示意图。
具体实施方式
本发明的目的是消除采用两点非均匀性校正及多点分段非均匀校正算法的弊端，有效减小红外焦平面探测器响应非线性带来的误差，提高校正精度，扩大红外热像仪观察场景的动态范围。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例的实现积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法包括以下步骤：
步骤1：根据红外焦平面探测器的观察场景设置温度动态范围；当某型热像仪观察场景为夏天时节的天空到半天半地再到全地面时，则设置其温度范围为-20℃～55℃。
步骤2：将步骤1中的温度动态范围分为-20℃～10℃、5℃～30℃及25℃～55℃三个温度段，记为低温段、常温段及高温段。
步骤3：为实现积分时间自适应切换后预先标定的两点系数仍可有效校正探测器响应的非均匀性，需保证在低温段、常温段及高温段三个温度段内探测器响应处于近线性段内；所以通过调整三个温度段各自的积分时间，使三个温度段内的探测器响应处于近线性段内，所述近线性段为探测器响应曲线中的一段斜率变化小于设定值的响应曲线：
利用对标准黑体进行图像采集，根据采集结果，调整常温段的积分时间，使得常温段的探测器响应处于探测器响应曲线的近线性段内；以常温段的积分时间为基准，以设定时长为步长，增加积分时间，并利用对标准黑体的采集结果计算低温段内的探测器响应，得到使低温段内的探测器响应处于所述近线性段内的积分时间，并作为低温段的积分时间；以常温段的积分时间为基准，以设定时间为步长，减小积分时间，并利用对标准黑体的采集结果计算高温段内的探测器响应，得到使高温段内的探测器响应处于所述近线性段内的积分时间，并作为高温段的积分时间。
步骤4：选择常温段的温度端点5℃和30℃分别为计算两点校正系数的低温点TL和高温点TH；采用红外焦平面探测器采集标准黑体在5℃和30℃两个温度点的红外原始图像yij(φL)和yij(φH)，根据公式
Figure BDA0002313906240000051
Figure BDA0002313906240000052
计算红外图像的两点校正系数增益Gij和偏置Oij；其中i＝0,1,...,M-1；j＝0,1,...,N-1，
Figure BDA0002313906240000053
M，N为红外焦平面探测器阵列大小。
步骤5：完成两点系数标定后，需根据观察场景进行热像仪积分时间切换灰度阈值的设置，采用以下过程设置积分时间切换灰度阈值；
当观察场景从低温段向常温段转换时，以标准黑体在低温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在低温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第一转换阈值；
当观察场景从常温段向低温段转换时，以标准黑体在低温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在常温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第二转换阈值；
当观察场景从高温段向常温段转换时，以标准黑体在高温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在高温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第三转换阈值；
当观察场景从常温段向高温段转换时，以标准黑体在高温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在常温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第四转换阈值。
步骤6：红外焦平面探测器实际工作过程中，实际计算红外焦平面探测器采集画面中各像素点灰度值，并根据红外焦平面探测器的观察场景的变化趋势，通过以下过程进行积分时间切换：
当观察场景从低温段向常温段变化时，计算画面中灰度值大于第一转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由低温段的积分时间切换到常温段的积分时间；
当观察场景从常温段向低温段转换时，计算画面中灰度值小于第二转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由常温段的积分时间切换到低温段的积分时间；
当观察场景从高温段向常温段转换时，计算画面中灰度值小于第三转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由高温段的积分时间切换到常温段的积分时间；
当观察场景从常温段向高温段转换时，计算画面中灰度值大于第四转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由常温段的积分时间切换到高温段的积分时间。
步骤7：积分时间自适应切换后，根据步骤4得到的两点校正系数增益Gij和偏置Oij完成红外图像的两点校正即可得到非均匀校正后的图像。
本发明依据红外图像响应曲线特性，按红外热像仪观察场景的动态范围预先设置温度范围，依据温度范围合理分段并设置每温度段所对应的积分时间，使得不同的温度段内红外焦平面探测器处于近线性段响应曲线范围，在使用过程中红外热像仪可根据观察场景的温度范围实现积分时间的自适应切换并完成红外图像的非均匀性校正。本发明在无人工干预且不增加任何硬件资源消耗的条件下，可根据观察场景自适应完成积分时间的切换实现红外图像非均匀性的两点校正，解决以往仅有一组校正系数时，在红外焦平面探测器观察场景离标定点较远的情况下,经校正后红外图像残留非均匀性大,校正效果差等问题，可有效减小红外焦平面探测器响应非线性带来的误差，提高校正精度，扩大红外热像仪观察场景的动态范围，具有良好的工程实用性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据红外焦平面探测器的观察场景设置温度动态范围；
步骤2：将步骤1中的温度动态范围分为低温段、常温段及高温段三段，且相邻两段之间有重叠的温度区域；
步骤3：通过调整三个温度段各自的积分时间，使三个温度段内的探测器响应处于近线性段内，所述近线性段为探测器响应曲线中的一段斜率变化小于设定值的响应曲线：
调整常温段的积分时间，使得常温段的探测器响应处于探测器响应曲线的近线性段内；以常温段的积分时间为基准，以设定时长为步长，增加积分时间，计算低温段内的探测器响应，得到使低温段内的探测器响应处于所述近线性段内的积分时间，并作为低温段的积分时间；以常温段的积分时间为基准，以设定时间为步长，减小积分时间，计算高温段内的探测器响应，得到使高温段内的探测器响应处于所述近线性段内的积分时间，并作为高温段的积分时间；
步骤4：选择低温段与常温段重叠区域中的某一温度TL，以及高温段与常温段重叠区域中的某一温度TH，采用红外焦平面探测器采集标准黑体在TL和TH下的红外原始图像yij(φL)和yij(φH)，根据公式
Figure FDA0002313906230000011
Figure FDA0002313906230000012
计算红外图像的两点校正系数增益Gij和偏置Oij；其中i＝0,1,...,M-1；j＝0,1,...,N-1，
Figure FDA0002313906230000013
M，N为红外焦平面探测器阵列大小；
步骤5：采用以下过程设置积分时间切换灰度阈值；
当观察场景从低温段向常温段转换时，以标准黑体在低温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在低温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第一转换阈值；
当观察场景从常温段向低温段转换时，以标准黑体在低温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在常温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第二转换阈值；
当观察场景从高温段向常温段转换时，以标准黑体在高温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在高温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第三转换阈值；
当观察场景从常温段向高温段转换时，以标准黑体在高温段与常温段重叠温度范围内的某一温度值下，由红外焦平面探测器在常温段积分时间下对标准黑体响应的平均灰度值作为第四转换阈值；
步骤6：红外焦平面探测器实际工作过程中，实际计算红外焦平面探测器采集画面中各像素点灰度值，并根据红外焦平面探测器的观察场景的变化趋势，通过以下过程进行积分时间切换：
当观察场景从低温段向常温段变化时，计算画面中灰度值大于第一转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由低温段的积分时间切换到常温段的积分时间；
当观察场景从常温段向低温段转换时，计算画面中灰度值小于第二转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由常温段的积分时间切换到低温段的积分时间；
当观察场景从高温段向常温段转换时，计算画面中灰度值小于第三转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由高温段的积分时间切换到常温段的积分时间；
当观察场景从常温段向高温段转换时，计算画面中灰度值大于第四转换阈值的像素点个数，如果个数达到设定值，则将红外焦平面探测器的积分时间由常温段的积分时间切换到高温段的积分时间；
步骤7：积分时间自适应切换后，根据步骤4得到的两点校正系数增益Gij和偏置Oij完成红外图像的两点校正即可得到非均匀校正后的图像。
2.根据权利要求1所述一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法，其特征在于：步骤1中，当红外焦平面探测器的观察场景为夏天时节的天空到半天半地再到全地面，则其温度动态范围为-20℃～55℃。
3.根据权利要求2所述一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法，其特征在于：步骤2中，将温度动态范围划分为-20℃～10℃、5℃～30℃及25℃～55℃三个温度段，记为低温段、常温段及高温段。
4.根据权利要求3所述一种积分时间自适应切换的红外图像非均匀校正方法，其特征在于：步骤4中，选择5℃和30℃作为TL和TH。
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Scene-based nonuniformity correction with adaptively adjusting integration time;Jing Li 等;《IEEE》;20131231;第1288-1291页 *
一种积分时间自适应调整的非均匀性校正算法;李晶 等;《光子学报》;20130430;第42卷(第4（2013）期);第486-490页 *
高分辨率InGaAs短波红外成像系统;韩红霞等;《电光与控制》;20130228;第20卷(第2（2013）期);第66-69页 *

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