CN111462028A - 基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法 - Google Patents

基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法；首先，使用拉普拉斯金字塔对源图像进行多尺度分解得到高低频子带；然后，对于高频子带，采用相位一致性提取图像特征图，使用特征图计算权重矩阵进而得出融合的高频子带；对于低频子带，首先根据显著性构造初始权重矩阵，然后把红外低频子带的权重矩阵和由低频子带特征图计算出的修正项相加，得到最终的红外低频子带权重矩阵，从而得出融合的低频子带；最后，通过拉普拉斯金字塔逆变换重建得到融合图像。本发明能够有效地反映出融合图像的边缘和纹理信息，较好的保留红外目标的显著性，同时也具有良好的对比度和视觉效果。

Description

基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法。
背景技术
红外(IR)与可见光图像的融合在其中起着重要的军事作用和民用应用，如目标探测、监视和情报收集红外成像传感器可以捕获物体发出的热辐射，受影响较小黑暗或恶劣的天气条件。然而，获得的IR图像通常缺乏足够的背景细节的场景。在对比之下，可见图像通常包含更多的细节和纹理信息，并具有较高的空间分辨率相应的红外图像。红外与可见光图像融合可以产生为人类观察提供更多信息的合成图像或计算机视觉任务。
基于多尺度分解的融合方法在过去几十年里被广泛研究，多尺度融合方法的本质是利用多尺度分解的方法将空间重叠的特征分离到不同的尺度上然后分别进行融合。有很多的多尺度分解方法已经应用到了图像融合领域，如：拉普拉斯金字塔变换、离散小波变换、非亚采样轮廓波变换、引导滤波器等等，这些基于多尺度分解的算法可以简单概括为以下几个步骤：(1)对源图像进行多尺度分解，以得到含有不同频率信息的子图像；(2)根据不同频率子图像的特点，选取不同的融合规则分别进行融合；(3)采用对应的逆变换获取最终的融合图像。
然而，现有的融合算法得出的融合结果存在纹理细节丢失、红外目标不够显著、对比度较低导致视觉效果不尽人意等缺点。
发明内容
为了解决传统的拉普拉斯金字塔融合方法纹理细节丢失、对比度差以及红外目标显著性损失的问题，本发明提供了一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，主要包括以下步骤：
S101：使用拉普拉斯金字塔把输入图像进行多尺度分解得到输入图像的高频子带和低频子带；
S102：对于高频子带：利用根据相位一致性提取的特征图建立权重矩阵，从而得到高频融合图像；
S103：对于低频子带：首先利用低频子带建立初始的权重矩阵，然后在红外图像低频权重矩阵中加入由低频子带特征图计算出的修正项，得出最终的权重矩阵，从而得出低频融合图像；
S104：通过拉普拉斯金字塔逆变换将所述高频融合图像和所述低频融合图像重构得出重构的融合图像。
进一步地，步骤S101中，所述的输入图像包括：同一目标场景获取的红外图像和可见光图像。
进一步地，步骤S101中，使用拉普拉斯金字塔把输入图像进行多尺度分解得到输入图像的高频子带和低频子带，如公式(1)所示：
[Bn,Dn]＝lp_dec(In) (1)
上式中，n＝1,2分别代表红外图像和可见光图像：B1和D1分别表示红外图像的低频子带和高频子带，B2和D2分别表示可见光图像的低频子带和高频子带，I1和I2分别表示红外图像和可见光图像。
进一步地，所述的红外图像和可见光图像提前经过严格的配准且图片大小严格一致。
进一步地，步骤S102中，对于高频子带：利用根据相位一致性提取的特征图建立权重矩阵，从而得到高频融合图像；具体包括：
S201：利用相位一致性提取红外图像的特征图P1和可见光图像的特征图P2；
S202：分别对P1和P2使用“absolute max”原则构造P1和P2对应的权重矩阵W1和W2，以保留目标的显著性；
S203：结合高频子带D1和D2融合得到高频融合图像D，具体如公式(2)所示：
D＝W1.*D1+W2.*D2 (2)。
进一步地，步骤S103中，对于低频子带：首先利用低频子带建立初始的权重矩阵，然后在红外图像低频权重矩阵中加入由低频子带特征图计算出的修正项，得出最终的权重矩阵，从而得出低频融合图像；具体包括：
S301：利用低频子带B1和B2分别建立红外图像和可见光图像初始的权重矩阵W11和W22，具体由如公式(3)所示：
Figure BDA0002412381710000031
S302：把红外图像的低频子带的权重矩阵W11和由低频子带特征图计算出的修正项ΔP相加，得到最终的红外图像的低频子带权重矩阵W1'，可见光图像的低频子带权重矩阵W2'保持不变；W1'、W2'由公式(4)得出：
Figure BDA0002412381710000032
上式中，
Figure BDA0002412381710000033
λ为抑制系数，为预设值。
303：通过公式(5)得到低频融合图像B：
B＝W1'.*B1+W2'.*B2 (5)。
进一步地，步骤S104中，将高频融合图像D和低频融合图像B进行像素级的相加，确保与输入图像大小相同，即可得到重构的融合图像。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案通过计算一些常用的图像融介客观评价指标，与其他几种传统融合算法进行对比,无论从主观视觉效果还是客观评价标准上都优于其他对比图像融合算法,本发明所提出的方法可以很好的保留源图像的细节、纹理和红外特征的显著性，具有更好的对比度这使得融合后的图像更为清晰、可靠、便于人眼直观视觉观察。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法的流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法；
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法的流程图，具体包括如下步骤：
S101：使用拉普拉斯金字塔把输入图像进行多尺度分解得到输入图像的高频子带和低频子带；
S102：对于高频子带：利用根据相位一致性提取的特征图建立权重矩阵，从而得到高频融合图像；
S103：对于低频子带：首先利用低频子带建立初始的权重矩阵，然后在红外图像低频权重矩阵中加入由低频子带特征图计算出的修正项，得出最终的权重矩阵，从而得出低频融合图像；
S104：通过拉普拉斯金字塔逆变换将所述高频融合图像和所述低频融合图像重构得出重构的融合图像。
步骤S101中，所述的输入图像包括：同一目标场景获取的红外图像和可见光图像，所述的红外图像和可见光图像提前经过严格的配准且图片大小严格一致；
可见光图像中能够有效地呈现出目标场景的背景信息，红外图像具有突出目标信息的优点；
使用拉普拉斯金字塔把输入图像进行多尺度分解得到输入图像的高频子带和低频子带，如公式(1)所示：
[Bn,Dn]＝lp_dec(In) (1)
上式中，n＝1,2分别代表红外图像和可见光图像：B1和D1分别表示红外图像的低频子带和高频子带，B2和D2分别表示可见光图像的低频子带和高频子带，I1和I2分别表示红外图像和可见光图像。
高频子带主要包括局部信息，如边缘、纹理；而低频子带主要包括全局信息，如像素强度分布。
步骤S102中，对于高频子带：利用根据相位一致性提取的特征图建立权重矩阵，从而得到高频融合图像；具体包括：
S201：利用相位一致性提取红外图像的特征图P1和可见光图像的特征图P2，该特征图对于图片的亮度、噪声具有很好的鲁棒性，包含的特征也更加全面；
S202：分别对P1和P2使用“absolute max”原则构造P1和P2对应的权重矩阵W1和W2，以保留目标的显著性；
S203：结合高频子带D1和D2融合得到高频融合图像D，具体如公式(2)所示：
D＝W1.*D1+W2.*D2 (2)
步骤S103中，对于低频子带：首先利用低频子带建立初始的权重矩阵，然后在红外图像低频权重矩阵中加入由低频子带特征图计算出的修正项，得出最终的权重矩阵，从而得出低频融合图像；具体包括：
S301：利用低频子带B1和B2分别建立红外图像和可见光图像初始的权重矩阵W11和W22，具体由如公式(3)所示：
Figure BDA0002412381710000051
S302：把红外图像的低频子带的权重矩阵W11和由低频子带特征图计算出的修正项ΔP相加，得到最终的红外图像的低频子带权重矩阵W1'，可见光图像的低频子带权重矩阵W2'保持不变，W1'、W2'由公式(4)得出：
Figure BDA0002412381710000052
其中，
Figure BDA0002412381710000053
λ为抑制系数，过大会导致红外目标附近的过曝光情况，本发明实施例中，取λ＝0.5可得出理想的实验结果；
S303：通过公式(5)得到低频融合图像B：
B＝W1'.*B1+W2'.*B2 (5)
步骤S104中，将高频融合图像D和低频融合图像B进行像素级的相加，确保与输入图像大小相同，即可得到重构的融合图像。
在本发明实施例中，采用已严格配准过的TNO Human Factors数据集中的B01和Road图像对作为源输入图像；采用传统的图像质量评价指标：信息熵(InformationEntroy，EN)、标准差(Standard Deviation，SD)、互相关信息(Mutual Information，MI)、结构相似性(Structural similarity index measure，SSIM)，视觉信息逼真度(Visualinformation fidelity,VIF)。与基于目标增强的融合算法(LP_fuse)、基于低通金字塔的融合算法(RP)、基于离散小波变换的融合算法(DWT)、基于曲波变换的融合算法(CVT)、基于非亚采样轮廓波变换的融合算法(NSCT)进行比较。实验结果如表1、2所示，本发明的融合算法在各个指标上都有较好的表现，表明融合图像的对比度、和源图像的相似程度都比较高，且能有效的突出红外目标以及很好地显现融合图像的边缘和纹理信息。
表1 B01图像对融合图像
Figure BDA0002412381710000061
表2 Road图像对融合图像
Figure BDA0002412381710000062
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案通过计算一些常用的图像融介客观评价指标，与其他几种传统融合算法进行对比,无论从主观视觉效果还是客观评价标准上都优于其他对比图像融合算法,本发明所提出的方法可以很好的保留源图像的细节、纹理和红外特征的显著性，具有更好的对比度这使得融合后的图像更为清晰、可靠、便于人眼直观视觉观察。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101：使用拉普拉斯金字塔把输入图像进行多尺度分解得到输入图像的高频子带和低频子带；
S102：对于高频子带：利用根据相位一致性提取的特征图建立权重矩阵，从而得到高频融合图像；
S103：对于低频子带：首先利用低频子带建立初始的权重矩阵，然后在红外图像低频权重矩阵中加入由低频子带特征图计算出的修正项，得出最终的权重矩阵，从而得出低频融合图像；
S104：通过拉普拉斯金字塔逆变换将所述高频融合图像和所述低频融合图像重构得出重构的融合图像。
2.如权利要求1所述的一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，其特征在于：步骤S101中，所述的输入图像包括：同一目标场景获取的红外图像和可见光图像。
3.如权利要求2所述的一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，其特征在于：步骤S101中，使用拉普拉斯金字塔把输入图像进行多尺度分解得到输入图像的高频子带和低频子带，如公式(1)所示：
[Bn，Dn]＝lp_dec(In) (1)
上式中，n＝1，2分别代表红外图像和可见光图像：B1和D1分别表示红外图像的低频子带和高频子带，B2和D2分别表示可见光图像的低频子带和高频子带，I1和I2分别表示红外图像和可见光图像。
4.如权利要求2所述的一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，其特征在于：所述的红外图像和可见光图像提前经过严格的配准且图片大小严格一致。
5.如权利要求3所述的一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，其特征在于：步骤S102中，对于高频子带：利用根据相位一致性提取的特征图建立权重矩阵，从而得到高频融合图像；具体包括：
S201：利用相位一致性提取红外图像的特征图P1和可见光图像的特征图P2；
S202：分别对P1和P2使用“absolute max”原则构造P1和P2对应的权重矩阵W1和W2，以保留目标的显著性；
S203：结合高频子带D1和D2融合得到高频融合图像D，具体如公式(2)所示：
D＝W1.*D1+W2.*D2 (2)。
6.如权利要求5所述的一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，其特征在于：步骤S103中，对于低频子带：首先利用低频子带建立初始的权重矩阵，然后在红外图像低频权重矩阵中加入由低频子带特征图计算出的修正项，得出最终的权重矩阵，从而得出低频融合图像；具体包括：
S301：利用低频子带B1和B2分别建立红外图像和可见光图像初始的权重矩阵W11和W22，具体由如公式(3)所示：
Figure FDA0002412381700000021
S302：把红外图像的低频子带的权重矩阵W11和由低频子带特征图计算出的修正项ΔP相加，得到最终的红外图像的低频子带权重矩阵W1＇，可见光图像的低频子带权重矩阵W2＇保持不变；W1＇、W2＇由公式(4)得出：
Figure FDA0002412381700000022
上式中，
Figure FDA0002412381700000023
λ为抑制系数，为预设值。
303：通过公式(5)得到低频融合图像B：
B＝W1＇.*B1+W2＇.*B2 (5)。
7.如权利要求6所述的一种基于相位一致性和目标增强的红外和可见光图像融合方法，其特征在于：步骤S104中，将高频融合图像D和低频融合图像B进行像素级的相加，确保与输入图像大小相同，即可得到重构的融合图像。
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