CN111080523B - 红外周视搜索系统及基于角度信息的红外周视图像拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于角度信息的红外周视图像拼接方法，其中,包括：S1：通过周视红外搜索系统获取多个待拼接平面红外图像，并将编码器实时获得的方位角度和俯仰角度叠加到对应的待拼接平面红外图像中；S2:获得球体世界坐标系，并将球体世界坐标系展开为平面坐标系，将待拼接平面红外图像转变为待拼接球面平面化红外图像；S3:对待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标进行解算；S4：将获得的待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标与周视红外图像的像素位置坐标一一对应，完成红外图像的拼接；S5：对拼接后的红外图像进行修正。本实现红外周视图像的快速拼接，提高了拼接图像的成功率和效率。

Description

红外周视搜索系统及基于角度信息的红外周视图像拼接方法

技术领域

本发明属于图像拼接技术领域，涉及一种基于角度信息的红外周视图像拼接方法。

背景技术

红外图像相对于可见光图像，具有对比度低、灰度范围窄和噪声多等的特征，这些特征源自于红外图像成像机制的特殊性，红外图像被广泛应用于军事、安防和医疗领域。红外探测技术中，由于单一的红外图像分辨率低，视场角小，为了满足大场景实时探测，通常采用多个红外探测器对该场景同时进行成像，并对多个探测器获得的红外图像进行拼接，从而获得高分辨率、大视场的红外图像。由于使用多个红外探测其，使得红外探测系统结构复杂，成本较高。同时，一般图像拼接技术依赖于图像中的特征点，但红外图像信息维度少，特征点不明显或无特征信息，拼接成功率低，拼接效率低，使得图像拼接效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于角度信息的红外周视图像拼接方法，用于解决拼接成功率低，拼接效率低，使得图像拼接效果不佳的问题。

本发明一种基于角度信息的红外周视图像拼接方法，其中,包括：S1：通过周视红外搜索系统获取多个待拼接平面红外图像，并将编码器实时获得的方位角度和俯仰角度叠加到对应的待拼接平面红外图像中；S2:将待拼接平面红外图像中的方位角度和俯仰角度转化为空间方位和俯仰位置坐标值，对空间水平和俯仰位置的坐标值进行球面坐标投影解算，获得球体世界坐标系，并将球体世界坐标系展开为平面坐标系，将待拼接平面红外图像转变为待拼接球面平面化红外图像；S3:对待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标进行解算；S4：红外周视搜索系统可实现方位360°周视红外图像，根据单帧红外图像的大小，推导周视红外图像中每个像素位置；将获得的待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标与周视红外图像的像素位置坐标一一对应，完成红外图像的拼接；S5：对拼接后的红外图像进行修正。

根据本发明的拼接方法的一实施例，其中，步骤S1包括：将360°红外周视扫描区域划分为N个探测区域，每个探测区域大小为单帧红外成像视场，默认相邻帧红外图像重叠区域为m个像素；转台旋转至相应的扫描位置，触发红外探测器对相应的探测区域进行同步成像，获得多个待拼接平面红外图像，同时通过编码器获取多个待拼接平面红外图像的俯仰角度α_i和方位角度β_i，并将俯仰角度和方位角度叠加至相应的待拼接红外平面图像中。

根据本发明的拼接方法的一实施例，其中，步骤S2包括：

获取待拼接平面红外图像的数据信息，将待拼接平面红外图像的俯仰角度α_i和方位角度β_i转化为平面红外图像的空间位置坐标L_i(x_i,y_i)；

建立平面红外图像的空间位置坐标向球面坐标的投影关系，通过三角关系转换，得到成像球体半径计算公式：

R＝△x/(2tan(△β/2)) (1-1)

其中，R为球体半径，△x为两幅图像投影前的像素偏移数，△β两幅图像位置的水平偏转角；

将平面红外图像的空间位置坐标转化成球体世界坐标系，如下公式所示：

其中，α和β为搜索系统成像时的俯仰角度和方位角度，x和y为图像平面的方位和俯仰坐标，x_w，y_w，z_w为球体世界坐标系坐标值，进而得到经纬坐标为：

将经纬坐标转化为球面展开平面坐标：

其中，x’和y’为球面展开平面坐标；

将公式(1-3)代入公式(1-4)最终得到投影公式为：

公式(1-5)只和红外探测器的俯仰角度有关。

根据本发明的拼接方法的一实施例，其中，步骤S3包括：

根据360°红外周视扫描区域的划分和单帧红外成像视场的尺寸，推导待拼接球面平面化红外图像的像素位置解算公式如下：

其中，(w_x，w_y)为单帧红外图像大小，为单帧红外图像视场角度大小，(θ_x，θ_y)为求解的待拼接球面平面化红外图像的像素位置解算值。

根据本发明的拼接方法的一实施例，其中，步骤S4包括：

根据单帧红外图像的大小，可得到w_x·N·w_y分辨率的周视红外图像，并推导周视红外图像中每个像素位置公式如下：

其中，(γ_x，γ_y)为周视红外图像的每个像素的角度。

根据本发明的拼接方法的一实施例，其中，将中得到的待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标与得到的周视红外图像的像素位置坐标一一对应，完成红外图像的拼接。

根据本发明的拼接方法的一实施例，其中，步骤S5包括：

对拼接后的红外图像进行图像抽样处理，使得拼接图像适应不同显示的要求；

将拼接及抽样后的14位图像通过拉伸算法转换为8位图像进行显示，并对相邻帧图像进行边缘过渡和灰度均衡化处理，使图像显示自然。

根据本发明的拼接方法的一实施例，其中，灰度均衡化采用渐入渐出的方法。

本发明所提供的红外周视图像拼接方法，基于图像中叠加的角度信息，实现红外周视图像的快速拼接，提高拼接图像的成功率和效率。

附图说明

图1为一种基于角度信息红外周视图像拼接的流程图；

图2(a)为理论形成球面红外图像；

图2(b)为实际形成平面红外图像；

图3为球体坐标投影示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明基于角度信息红外周视图像拼接的方法包括以下步骤：

获取待拼接平面红外图像，包括：

(1)红外周视搜索系统具有一个红外探测器，红外探测器为平扫工作模式，设定红外探测器的平扫角度θ，转台承载红外探测器进行360°周视扫描，平扫角度θ可变；

(2)将360°红外周视扫描区域划分为N个探测区域，每个探测区域大小为单帧红外成像视场，默认相邻帧红外图像重叠区域为m个像素；

(3)转台旋转至相应的扫描位置，触发红外探测器对相应的探测区域进行同步成像，获得多个待拼接平面红外图像，同时通过转台的编码器获取多个待拼接平面红外图像的俯仰角度α_i和方位角度β_i，并将俯仰角度和方位角度叠加至相应的待拼接红外平面图像的像素值中。

解算待拼接平面红外图像位置坐标投影，在多个平扫角度θ下，理论形成球面红外图像，如图2(a)所示，但由于探测器自身原因，实际形成平面红外图像，如图2(b)所示；

(1)获取待拼接平面红外图像的数据信息，从相应的待拼接红外平面图像的像素值中，将待拼接平面红外图像的俯仰角度α_i和方位角度β_i转化为平面红外图像的空间位置坐标L_i(x_i,y_i)；

(2)建立平面红外图像的空间位置坐标向球面坐标的投影关系，具体如球体坐标投影示意图3所示：

通过三角关系转换，可得到成像球体半径计算公式：

R＝△x/(2tan(△β/2)) (1-1)

其中，R为球体半径，△x为两幅图像投影前的像素偏移数，△β两幅图像位置的水平偏转角；

将平面红外图像的空间位置坐标转化成球体世界坐标系，如下公式所示：

其中，α和β为搜索系统成像时的俯仰角度和水平角度，x和y为图像平面的方位和俯仰坐标，x_w，y_w，z_w为球体世界坐标系坐标值，进而得到经纬坐标为：

将经纬坐标转化为球面展开平面坐标：

其中，x’和y’为球面展开平面坐标；

将公式(1-3)代入公式(1-4)最终得到投影公式为：

公式(1-5)只和红外探测器的俯仰角度有关。

解算红外平面图像位置坐标：

根据360°红外周视扫描区域的划分和单帧红外成像视场的值，推导待拼接球面平面化红外图像位置解算公式如下：

其中，(w_x，w_y)为单帧红外图像像素值，为单帧红外图像视场角度值，(θ_x，θ_y)为求解的待拼接球面平面化红外图像的位置解算值。

红外图像拼接：

(1)红外周视搜索系统可实现方位360°周视红外图像，根据单帧红外图像像素值，可得到w_x·N·w_y分辨率的周视红外图像，并推导周视红外图像中每个像素位置公式如下：

其中，(γ_x，γ_y)为周视红外图像的每个像素的角度。

(2)将步骤3中得到的待拼接球面平面化红外图像与步骤4(1)得到的周视红外图像进行位置对应映射，形成红外拼接图像，完成红外图像拼接工作。

红外图像修正：

(1)对拼接后的图像进行图像抽样处理，使得拼接图像可以适应不同显示的要求，

(2)将拼接及抽样后的14位图像通过拉伸算法转换为8位图像进行显示，并对相邻帧图像进行边缘过渡和灰度均衡化(此处采用渐入渐出的方法)处理，使图像显示自然。

红外周视搜索系统采用单一红外探测器在某一俯仰角度水平旋转一周获取多幅具有重叠区域的图像，并利用图像拼接技术形成该俯仰角度下的红外拼接图像。红外图像拼接技术是红外周视搜索系统针对红外成像的局限性，采用一种图像拼接方法，将一组低分辨率、小视场图像，经过一定的技术处理，拼接成一幅高分辨率、大视场的新图像，拼接后的图像包含拼接前全部图像的所有信息。

本发明基于角度信息红外周视图像拼接的方法的一实施例包括：

S1：红外周视搜索系统采用转台，根据旋转角度同步成像，获取多幅基于不同角度的待拼接平面红外图像，同时通过转台的编码器获取待拼接平面红外图像的方位角度(或称水平角度)和俯仰角度；

S2：基于S1中的多幅待拼接平面红外图像，将待拼接平面红外图像的方位角度和俯仰角度叠加在对应的待拼接平面红外图像中；

S3：将S2中待拼接平面红外图像中的方位角度和俯仰角度转化为空间方位(水平)和俯仰位置坐标值，对空间水平和俯仰位置的坐标值进行球面坐标投影解算，获得球体世界坐标系，并将球体世界坐标系展开为平面坐标系，将待拼接平面红外图像转变为待拼接球面平面化红外图像；

S4：对S3中的多幅待拼接球面平面化红外图像进行拼接，并对拼接后的红外图像进行边缘过渡和灰度处理。

本发明现有技术中存在的问题，提供一种基于角度信息红外周视图像拼接的方法，应用于红外周视搜索系统中，弥补红外探测图像分辨率低、视场小的不足，并克服现有图像拼接方法中图像拼接成功率及图像拼接效率低的缺陷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于角度信息的红外周视图像拼接方法，其特征在于,包括：

S1：通过周视红外搜索系统获取多个待拼接平面红外图像，并将编码器实时获得的方位角度和俯仰角度叠加到对应的待拼接平面红外图像中；

步骤S1包括：

将360°红外周视扫描区域划分为N个探测区域，每个探测区域大小为单帧红外成像视场，默认相邻帧红外图像重叠区域为m个像素；

转台旋转至相应的扫描位置，触发红外探测器对相应的探测区域进行同步成像，获得多个待拼接平面红外图像，同时通过编码器获取多个待拼接平面红外图像的俯仰角度α_i和方位角度β_i，并将俯仰角度和方位角度叠加至相应的待拼接红外平面图像中；

S2:将待拼接平面红外图像中的方位角度和俯仰角度转化为空间方位和俯仰位置坐标值，对空间水平和俯仰位置的坐标值进行球面坐标投影解算，获得球体世界坐标系，并将球体世界坐标系展开为平面坐标系，将待拼接平面红外图像转变为待拼接球面平面化红外图像；

S3:对待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标进行解算；

步骤S3包括：

根据360°红外周视扫描区域的划分和单帧红外成像视场的尺寸，推导待拼接球面平面化红外图像的像素位置解算公式如下：

其中，(w_x，w_y)为单帧红外图像大小，为单帧红外图像视场角度大小，(θ_x，θ_y)为求解的待拼接球面平面化红外图像的像素位置解算值；

S4：红外周视搜索系统可实现方位360°周视红外图像，根据单帧红外图像的大小，推导周视红外图像中每个像素位置；将获得的待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标与周视红外图像的像素位置坐标一一对应，完成红外图像的拼接；

步骤S4包括：

根据单帧红外图像的大小，可得到w_x·N·w_y分辨率的周视红外图像，并推导周视红外图像中每个像素位置公式如下：

其中，(γ_x，γ_y)为周视红外图像的每个像素的角度；

S5：对拼接后的红外图像进行修正。

2.如权利要求1所述的拼接方法，其特征在于，步骤S2包括：

获取待拼接平面红外图像的数据信息，将待拼接平面红外图像的俯仰角度α_i和方位角度β_i转化为平面红外图像的空间位置坐标L_i(x_i,y_i)；

建立平面红外图像的空间位置坐标向球面坐标的投影关系，通过三角关系转换，得到成像球体半径计算公式：

R＝Δx/(2tan(Δβ/2)) (1-1)

其中，R为球体半径，Δx为两幅图像投影前的像素偏移数，Δβ两幅图像位置的水平偏转角；

将平面红外图像的空间位置坐标转化成球体世界坐标系，如下公式所示：

其中，α和β为搜索系统成像时的俯仰角度和方位角度，x和y为图像平面的方位和俯仰坐标，x_w，y_w，z_w为球体世界坐标系坐标值，进而得到经纬坐标为：

将经纬坐标转化为球面展开平面坐标：

其中，x’和y’为球面展开平面坐标；

将公式(1-3)代入公式(1-4)最终得到投影公式为：

公式(1-5)只和红外探测器的俯仰角度有关。

3.如权利要求1所述的拼接方法，其特征在于，将步骤3中得到的待拼接球面平面化红外图像的像素位置坐标与步骤4中得到的周视红外图像的像素位置坐标一一对应，完成红外图像的拼接。

4.如权利要求1所述的拼接方法，其特征在于,步骤S5包括：

对拼接后的红外图像进行图像抽样处理，使得拼接图像适应不同显示的要求；

将拼接及抽样后的14位图像通过拉伸算法转换为8位图像进行显示，并对相邻帧图像进行边缘过渡和灰度均衡化处理，使图像显示自然。

5.如权利要求4所述的拼接方法，其特征在于,灰度均衡化采用渐入渐出的方法。