CN112102217B - 一种可见光图像与红外图像快速融合方法及系统 - Google Patents

一种可见光图像与红外图像快速融合方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可见光图像与红外图像快速融合方法及系统,方法包括以下步骤:S1、判断可见光图像与红外图像是否配准;S2、调节源图像或重新选择源图像;S3、获取转换到频域空间的可见光图像与红外图像;S4、将转换到频域空间的可见光图像与红外图像相加后进行逆变换;S5、对视觉图像进行灰度归一化;S6、将灰度归一化后的图像与可见光图像相加;S7、将相加后的图像分别与可见光图像和红外图像进行差值最小化处理,更新相加后图像中的像素值,完成可见光图像与红外图像的快速融合。本发明不需要进行大量的训练,整个过程运算量小,因此本发明既保证了融合效果,又加快了处理速度。

Description

一种可见光图像与红外图像快速融合方法及系统
技术领域
本发明涉及图像处理领域,具体涉及一种可见光图像与红外图像快速融合方法及系统。
背景技术
可见光图像与红外图像的融合可以实现信息互补,使融合后的图像包含了更为全面、丰富的信息,其更符合人或机器的视觉特性、更有利于对图像的进一步分析处理以及自动目标识别。
如今关于可见光与红外图像的融合算法有很多,包括多尺度分解、主成分分析、金字塔变换以及神经网络的相关方法等。金字塔变换是一种经典的融合算法,早在1983年,Peter J.Burt等人就已经提出拉普拉斯金字塔变换LPT的融合算法。在1989年研究人员又针对LPT提出了基于形态金字塔的算法,并在1994年应用在了医学领域。到了1992年,BurtP.J.提出了基于梯度金字塔的图像融合算法GPT。后来发现,与金字塔相比,小波提供了良好的时频表示,因此离散小波变换DWT被提出来。这些经典算法为图像融合领域带来了极大的进展,但同时存在融合速度慢以及融合程度不够高的缺点。
近年来,Zhizhong Fu等人提出了一种新的红外和可见光图像融合算法,它利用了稳健的主成分分析(RPCA)和非下采样轮廓波变换(NSCT)。Jiayi Ma等提出了一种新的融合算法,称为梯度转移融合(GTF),它基于梯度转移和总变化(TV)最小化,他们将融合问题公式化为1-TV最小化问题,其中数据保真度项保持了红外图像中的主要强度分布。为了获得包含明显的目标信息和高空间分辨率背景信息的集成图像,Tan Wei提出了一种基于多级高斯曲率滤波(MLGCF)图像分解的融合算法。这些方法有一定的融合效果,但或多或少存在一部分伪影或失真。目前,神经网络已经渗透到各个领域,并且在图像融合方面有许多相关的研究。例如,Wen-bo An提出了一种基于监督卷积神经网络(CNN)的红外和可见图像融合算法。Jing Li等人提出了端到端的双重鉴别器Wasserstein生成对抗网络,称为D2WGAN。然而,神经网络需要大量的训练,并且在融合处理速度上没有竞争优势,这在战场上对态势感知的实时要求是极为不利的。TSSD方法拥有较为明显的融合优势,在多项图像对比实验中有着出色的性能,但在处理速度上没有良好的表现。Hui Li等人提出的快速融合方法虽然在速度和融合性能上都有良好的表现,但在某些处理过程中会比拉普拉斯金字塔更慢,这与其快速融合的描述不太相符。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种可见光图像与红外图像快速融合方法及系统解决了现有可见光图像与红外图像融合速度慢的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
提供一种可见光图像与红外图像快速融合方法,其包括以下步骤:
S1、获取待融合的可见光图像与红外图像,并判断可见光图像与红外图像是否配准,若是则进入步骤S3,否则进入步骤S2;
S2、调节源图像或重新选择源图像,并返回步骤S1;
S3、通过图像傅里叶变换将可见光与红外图像转换到频域空间,分别得到转换到频域空间的可见光图像与红外图像;
S4、将转换到频域空间的可见光图像与红外图像相加后进行逆变换,得到视觉图像;
S5、对视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像;
S6、将灰度归一化后的图像与可见光图像相加,得到相加后的图像;
S7、将相加后的图像分别与可见光图像和红外图像进行差值最小化处理,更新相加后图像中的像素值,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
进一步地,步骤S1中判断可见光图像与红外图像是否配准的具体方法为:
判断可见光图像与红外图像的像素分辨率是否一致,若是则为已配准,否则为未配准。
进一步地,步骤S3的具体方法为:
根据公式:
Figure BDA0002692241000000031
Figure BDA0002692241000000032
分别得到转换到频域空间的可见光图像mf1(u,v)与红外图像mf2(u,v);其中m1(x,y)为可见光图像,(x,y)表示像素坐标;e为自然常数;j为虚数;π为180°;m2(x,y)为红外图像。
进一步地,步骤S5的具体方法为:
采用Matlab中的mat2gray函数将视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像。
进一步地,步骤S7的具体方法为:
将相加后的图像与可见光图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Ai;将相加后的图像与红外图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Bi;若Ai<Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为可见光图像中对应像素点的像素值;若Ai=Bi,则保留相加后的图像中的第i个像素点的像素值;若Ai>Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为红外图像中对应像素点的像素值;遍历相加后的图像中的每个像素点,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
提供一种可见光图像与红外图像快速融合系统,其包括图像挑选模块、图像转换模块、图像合并模块、图像灰度归一化模块和图像融合模块;
图像挑选模块,用于判断可见光图像与红外图像的像素分辨率是否一致,若是则将可见光图像与红外图像挑选出来备用,否则调节源图像或重新选择源图像;
图像转换模块,用于通过图像傅里叶变换将可见光与红外图像转换到频域空间,分别得到转换到频域空间的可见光图像与红外图像;
图像合并模块,用于将转换到频域空间的可见光图像与红外图像相加后进行逆变换,得到视觉图像;
图像灰度归一化模块,用于对视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像,并将灰度归一化后的图像与可见光图像相加,得到相加后的图像;
图像融合模块,用于将相加后的图像与可见光图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Ai;将相加后的图像与红外图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Bi;若Ai<Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为可见光图像中对应像素点的像素值;若Ai=Bi,则保留相加后的图像中的第i个像素点的像素值;若Ai>Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为红外图像中对应像素点的像素值;遍历相加后的图像中的每个像素点,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
本发明的有益效果为:本发明首先通过傅里叶变换使得两个源图像的高低频信息可以被反映出来,可以避免特征信息的丢失,能够最大限度的保留图像真实性;然后通过差值最小化处理将图像融合,使最终图像在结合两种源图像特征信息的同时能够最大程度的还原源图像信息;且由于本发明不需要进行大量的训练,整个过程运算量小,因此本发明既保证了融合效果,又加快了处理速度。
附图说明
图1为本发明的流程示意图;
图2为本发明与其他方法的融合效果对比图;
图3为本发明与其他方法的融合时间对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示,该可见光图像与红外图像快速融合方法(FFVI)包括以下步骤:
S1、获取待融合的可见光图像与红外图像,并判断可见光图像与红外图像是否配准,若是则进入步骤S3,否则进入步骤S2;
S2、调节源图像或重新选择源图像,并返回步骤S1;
S3、通过图像傅里叶变换将可见光与红外图像转换到频域空间,分别得到转换到频域空间的可见光图像与红外图像;
S4、将转换到频域空间的可见光图像与红外图像相加后进行逆变换,得到视觉图像;
S5、对视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像;
S6、将灰度归一化后的图像与可见光图像相加,得到相加后的图像;
S7、将相加后的图像分别与可见光图像和红外图像进行差值最小化处理,更新相加后图像中的像素值,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
步骤S1中判断可见光图像与红外图像是否配准的具体方法为:判断可见光图像与红外图像的像素分辨率是否一致,若是则为已配准,否则为未配准。
步骤S3的具体方法为:根据公式:
Figure BDA0002692241000000061
Figure BDA0002692241000000062
分别得到转换到频域空间的可见光图像mf1(u,v)与红外图像mf2(u,v);其中m1(x,y)为可见光图像,(x,y)表示像素坐标;e为自然常数;j为虚数;π为180°;m2(x,y)为红外图像。
步骤S5的具体方法为:采用Matlab中的mat2gray函数将视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像。
步骤S7的具体方法为:将相加后的图像与可见光图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Ai;将相加后的图像与红外图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Bi;若Ai<Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为可见光图像中对应像素点的像素值;若Ai=Bi,则保留相加后的图像中的第i个像素点的像素值;若Ai>Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为红外图像中对应像素点的像素值;遍历相加后的图像中的每个像素点,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
该可见光图像与红外图像快速融合系统包括图像挑选模块、图像转换模块、图像合并模块、图像灰度归一化模块和图像融合模块;
图像挑选模块,用于判断可见光图像与红外图像的像素分辨率是否一致,若是则将可见光图像与红外图像挑选出来备用,否则调节源图像或重新选择源图像;
图像转换模块,用于通过图像傅里叶变换将可见光与红外图像转换到频域空间,分别得到转换到频域空间的可见光图像与红外图像;
图像合并模块,用于将转换到频域空间的可见光图像与红外图像相加后进行逆变换,得到视觉图像;
图像灰度归一化模块,用于对视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像,并将灰度归一化后的图像与可见光图像相加,得到相加后的图像;
图像融合模块,用于将相加后的图像与可见光图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Ai;将相加后的图像与红外图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Bi;若Ai<Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为可见光图像中对应像素点的像素值;若Ai=Bi,则保留相加后的图像中的第i个像素点的像素值;若Ai>Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为红外图像中对应像素点的像素值;遍历相加后的图像中的每个像素点,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
在本发明的一个实施例中,基于相同的数据将本方法与现有的部分算法进行融合效果对比,对比结果如图2所示,由图2可知,本申请在像素互信息和边缘信息方面效果最好,在交叉熵和结构相似度方面效果与最优值差距非常小,因此本方法的整体融合效果好。图2中四个参数都是客观指标:MI是像素互信息,值越大融合效果越好;QABF是边缘信息,值越大融合效果越好;CE是交叉熵,值越小融合效果越好;SSIM是结构相似度,值越大融合效果越好。LPT、DWT、GPT、LBP、TSSD分别表示拉普拉斯金字塔算法、离散小波变换、梯度金字塔算法、LBP纹理特征算法、TSSD算法,FFVI是本方法。
基于相同的数据将本方法与现有的部分算法进行融合速度对比,对比结果如图3所示,由图3可知,本方法的融合速度最快。图3中LPT、DWT、GPT、LBP、TSSD分别表示拉普拉斯金字塔算法、离散小波变换、梯度金字塔算法、LBP纹理特征算法、TSSD算法,FFVI是本方法。
综上所述,本发明首先通过傅里叶变换使得两个源图像的高低频信息可以被反映出来,可以避免特征信息的丢失,能够最大限度的保留图像真实性;然后通过差值最小化处理将图像融合,使最终图像在结合两种源图像特征信息的同时能够最大程度的还原源图像信息;且由于本发明不需要进行大量的训练,整个过程运算量小,因此本发明既保证了融合效果,又加快了处理速度。

Claims (5)

1.一种可见光图像与红外图像快速融合方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、获取待融合的可见光图像与红外图像,并判断可见光图像与红外图像是否配准,若是则进入步骤S3,否则进入步骤S2;
S2、调节源图像或重新选择源图像,并返回步骤S1;
S3、通过图像傅里叶变换将可见光与红外图像转换到频域空间,分别得到转换到频域空间的可见光图像与红外图像;
S4、将转换到频域空间的可见光图像与红外图像相加后进行逆变换,得到视觉图像;
S5、对视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像;
S6、将灰度归一化后的图像与可见光图像相加,得到相加后的图像;
S7、将相加后的图像分别与可见光图像和红外图像进行差值最小化处理,更新相加后图像中的像素值,完成可见光图像与红外图像的快速融合;
步骤S7的具体方法为:
将相加后的图像与可见光图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Ai;将相加后的图像与红外图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Bi;若Ai<Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为可见光图像中对应像素点的像素值;若Ai=Bi,则保留相加后的图像中的第i个像素点的像素值;若Ai>Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为红外图像中对应像素点的像素值;遍历相加后的图像中的每个像素点,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
2.根据权利要求1所述的可见光图像与红外图像快速融合方法,其特征在于,所述步骤S1中判断可见光图像与红外图像是否配准的具体方法为:
判断可见光图像与红外图像的像素分辨率是否一致,若是则为已配准,否则为未配准。
3.根据权利要求1所述的可见光图像与红外图像快速融合方法,其特征在于,所述步骤S3的具体方法为:
根据公式:
Figure FDA0004151522270000021
Figure FDA0004151522270000022
分别得到转换到频域空间的可见光图像mf1(u,v)与红外图像mf2(u,v);其中m1(x,y)为可见光图像,(x,y)表示像素坐标;e为自然常数;j为虚数;π为180°;m2(x,y)为红外图像。
4.根据权利要求1所述的可见光图像与红外图像快速融合方法,其特征在于,所述步骤S5的具体方法为:
采用Matlab中的mat2gray函数将视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像。
5.一种可见光图像与红外图像快速融合系统,其特征在于,包括图像挑选模块、图像转换模块、图像合并模块、图像灰度归一化模块和图像融合模块;
所述图像挑选模块,用于判断可见光图像与红外图像的像素分辨率是否一致,若是则将可见光图像与红外图像挑选出来备用,否则调节源图像或重新选择源图像;
所述图像转换模块,用于通过图像傅里叶变换将可见光与红外图像转换到频域空间,分别得到转换到频域空间的可见光图像与红外图像;
所述图像合并模块,用于将转换到频域空间的可见光图像与红外图像相加后进行逆变换,得到视觉图像;
所述图像灰度归一化模块,用于对视觉图像进行灰度归一化,得到灰度归一化后的图像,并将灰度归一化后的图像与可见光图像相加,得到相加后的图像;
所述图像融合模块,用于将相加后的图像与可见光图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Ai;将相加后的图像与红外图像中的每一个像素点做差,得到第i个像素点的差值Bi;若Ai<Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为可见光图像中对应像素点的像素值;若Ai=Bi,则保留相加后的图像中的第i个像素点的像素值;若Ai>Bi,则将相加后的图像中的第i个像素点的像素值更新为红外图像中对应像素点的像素值;遍历相加后的图像中的每个像素点,完成可见光图像与红外图像的快速融合。
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