CN114184283A - 基于温度分区的红外热成像宽动态方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法：将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个区间内的灰度等级个数为M；统计每个温度区间内部对应的红外像元的个数；对热像仪的任一次成像，保留含有该次成像像元的温度区间，剔除不含像元的温度区间；对存在成像像元的温度区间重新排列，以达到红外热像输出图像宽动态的目的。

Description

基于温度分区的红外热成像宽动态方法及系统

技术领域

本发明涉及一种红外热成像的宽动态方法及系统，尤其涉及一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法及系统。

背景技术

在红外热成像领域，红外热像仪在同一场景中对最热区域及较冷区域的表现是存在局限的，最热的区域往往会表现为白白的一片，即，灰度值已达到最大或者溢出，较冷的区域又表现为灰色或者黑色的一片，即，灰度值较小或者已经变为0，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。现有技术在红外热像仪对于成像效果影响极大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法及系统，克服现有技术红外图像中“动态范围”影响图像质量的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法，包括如下步骤：

对温度进行分区：将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；

获取像元个数：获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中X表示任意区，X∈[1,N]；

剔除温度区域并重新排序：剔除不含像元响应的温度区域，对于含有像元的温度区域重新排序；

重新映射：对含有像元的区域按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，对含有像元的区域按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；

输出图像：重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。

本发明的进一步技术方案是：模数转换后的热响应值，取值范围为0至A,选取灰度间隔值M，将热响应值范围分为N个灰度间隔值为M的区域，其中M、N为自然数，并且M*N＝A+1。

本发明的进一步技术方案是：对于已经划分好的灰度间隔值为M的N个温度区间，遍历热响应灰度阵列的N个温度区间，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，其中区号X为区间号，X∈[1,N]，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止；

本发明的进一步技术方案是：剔除N个温度区间中Num_X＝0的区，定义含有像元区的总个数为K，其中K≤N，定义含有像元区的区号为Y，其中Y∈[0,K-1],定义任意含有像元区的像元个数为Num_Y；

本发明的进一步技术方案是：当对于任意区Y,其中Y∈[0,K-1]，当Num_Y大于或等于T时，S_Y＝M，当Num_Y小于T时，S_Y＝f(T，Num_Y)*M,其中f(T,Num_Y)∈(0,1)，其中：S_Y表示映射的温度区的灰度间隔。

本发明的进一步技术方案是：对灰度等级进行排序：含有像元的的任意温度区Y，其中Y∈[0,K-1]，第0区的灰度间隔为1到S₀，第1区灰度间隔为S₀到S₀+S₁，依次类推，第K-1区灰度间隔为S₀+S₁+...+S_k-3+S_k-2到S₀+S₁+...+S_k-2+S_k-1。

本发明的进一步技术方案是：对整幅二维灰度阵列的灰度重新排序工作完成之后将二维阵列的像元值都映射到1-255之间。

本发明的技术方案是：构建一种基于温度分区的红外热成像宽动态系统，包括分区模块、像元个数获取模块、排序模块、映射模块、输出模块，所述分区模块将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；所述像元个数获取模块获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中：X表示任意区，X∈[1,N]；所述排序模块剔除不含像元响应的温度区间，对于含有像元的温度区间重新排序；所述映射模块对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；所述输出模块重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。

本发明的进一步技术方案是：所述映射模块包括以下工作：当对于任意区Y,其中Y∈[0,K-1]，当Num_Y大于或等于T时，S_Y＝M，当Num_Y小于T时，S_Y＝f(T，Num_Y)*M,其中f(T,Num_Y)∈(0,1)其中：S_Y表示重新映射的温度区的灰度间隔。

本发明的进一步技术方案是：所述排序模块对灰度等级进行排序包括以下工作：含有像元的的任意温度区Y，其中Y∈[0,K-1]，第0区的灰度间隔为1到S₀，第1区灰度间隔为S₀到S₀+S₁，依次类推，第K-1区灰度间隔为S₀+S₁+...+S_k-3+S_k-2到S₀+S₁+...+S_k-2+S_k-1。

本发明的技术效果是：提供一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法，包括如下步骤：对温度进行分区：将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；获取像元个数：获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中X表示任意区，X∈[1,N]；剔除温度区间并重新排序：剔除不含像元响应的温度区间，对于含有像元的温度区间重新排序；重新映射：对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区间内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；输出图像：重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。本发明通过剔除不含像元响应的温度区间并重新排序，对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，红外热像仪热响应信号获得的最热和最冷像元区域都能在显示设备上看见，不会溢出，可以大大提高红外图像的显示效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

本发明的技术方案是：提供一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法，包括如下步骤：

对温度进行分区：将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数。

具体实施过程如下：红外焦平面阵列可以把接收到的热信号转换为电信号；红外焦平面阵列每个像元对应的电信号，可以通过AD(模拟信号量化为数字信号)模块转化为14bit的数字信号或者16bit的数字信号(视AD模块的精度而定)，该数字信号也被称为灰度信号；最终可以将红外焦平面阵列接收到的热信号转化为二维的灰度图像阵列，输出到图像显示设备上。由于图像显示设备一般只能显示8bit的二维灰度阵列，所以我们需要将通过AD模块14bit或者16bit的信号压缩到8bit；这个压缩过程其实是对有效信息进行损耗、合并的过程，在信息压缩的过程中，如何使更多的有效信息能够保留下来，并能得到一定程度的放大？本专利的方法是首先对灰度信号进行分区(即温度分区)，以14bit信号为例，14bit信号对应的灰度等级为0～16383；每个灰度等级都会对应表达相应的热响应程度。具体实施例中，首先将红外热像仪温度区间的内部温度等级个数设置为M＝16，由于16为2的4次幂,M的值越小，温度区间的个数越多，得到的宽动态映射图像的细节越多，但计算量越大；根据确定的M值可以得到温度分区的个数N＝16384/16＝1024。

获取像元个数：获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中，X为区间号，比如：第X区，X∈[1,N]。

具体实施过程如下：由红外焦平面阵列得到的热响应二维灰度阵列，是14bit信号范围的任意值(0～16383)，则当前所得到的二维阵列不一定会含有所有的灰度级(0～16383)，在已经分区的1-N个区里，统计每个区含有像元的个数。对1-N区中任意区号X(X∈[1,N])，则X区内对应的灰度范围为16X～(16X+16)；遍历热响应的二维灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数记录下来，标记为Num_X，其中X∈[1,N]。重复该操作，直至1-N区，每个区的像元个数记录完成为止。

剔除温度区域并重新排序：剔除不含像元响应的温度区间，对于含有像元的温度区间重新排序。

具体实施过程如下：统计Num_X≠0的温度区的个数K，并重新定义Num_X≠0温度区的区号。按照区号由小到大的顺序，将区号定义为0到K-1，定义重新排列的温度区的像元个数表示为Num_Y。

重新映射：对含有像元的区域按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，对含有像元的区域按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数。

具体实施过程如下：对于14bit信号热响应像元灰度值的范围原本是0至16383，进行温度分区后，剔除了Num_X＝0的区域。含有像元的区域按顺序0到K-1排序；区域内，按像元个数与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，T为规定的像元个数，按照探测器阵列像元总个数的比例或者根据规定的数学表达式计算，对任意Num_Y的区域，对应的灰度(温度)等级重新映射为Num_Y∈[16*Y，16*Y+S]，期中Y∈[0,K-1]，S∈[1,15]。例如第一个非0区域，像元个数为Num₀，如果Num₀的值大于等于T那么第一个非0区域的灰度等级个数则仍旧保持为16个，如果Num₀小于T，那么第一个非0区域的灰度等级个数为一个把灰度等级控制在1-16个灰度等级之间的数学方法，例如S₀＝Num₀/T*16，其中S₀表示第一个非0区灰度等级个数；当对于任意区Y,其中Y∈[0，K-1]，当Num_Y大于或等于T时，S_Y＝16，当Num_Y小于T时，S_Y＝Num_Y/T*16。完成0到K-1区每个非零区的灰度等级重新定义后，对灰度等级进行排序：第一个非0区的灰度等级排序为0到S₀，第二个非0区灰度等级排序为S₀到S₀+S₁，第K-1区排序为S₀+S₁+...+S_k-2到S₀+S₁+...+S_k-2+S_k-1.。

输出图像：重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。

具体实施过程如下：对重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射成8bit，传送给显示设备。具体如下：对红外焦平面阵列得到的热响应二维灰度阵列中的任一像元，获得其14bit灰度值后，根据四的步骤找到自己重新排序后的区，得到相应的灰度值。对整幅二维灰度阵列的灰度重新排序工作完成之后，找出二维灰度阵列中的最大灰度值，求最大灰度值与256(因为2⁸＝256)的比值

Max表示最大灰度值。二维阵列中的每一个像元在根据步骤四找到重新排序的灰度值后，都除以K_map，保证计算后的像元灰度值都在[1，255]的范围内，完成从14bit灰度到8bit灰度的映射，传送给显示设备。

本发明优选实施方式是：模数转换后的热响应值，取值范围为0至A,选取灰度间隔值M，将热响应值范围分为N个灰度间隔值为M的区域，其中M、N为自然数，并且M*N＝A+1。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于温度分区的红外热成像宽动态系统，包括分区模块1、像元个数获取模块2、排序模块3、映射模块4、输出模块5，所述分区模块1将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；所述像元个数获取模块2获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中：X为区间号，X∈[1,N]；所述排序模块3剔除不含像元响应的温度区间，对于含有像元的温度区间重新排序；所述映射模块4对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区间内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；所述输出模块5重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。

本发明的具体实施过程是：所述分区模块1将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数。所述分区模块1将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；所述像元个数获取模块2获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中：X为区间号，X∈[1,N]；所述排序模块3剔除不含像元响应的温度区间，对于含有像元的温度区间重新排序；所述映射模块4对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区间内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；所述输出模块5重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。

具体实施过程如下：红外焦平面阵列可以把接收到的热信号转换为电信号；红外焦平面阵列每个像元对应的电信号，可以通过AD(模拟信号量化为数字信号)模块转化为14bit的数字信号或者16bit的数字信号(视AD模块的精度而定)，该数字信号也被称为灰度信号；最终可以将红外焦平面阵列接收到的热信号转化为二维的灰度图像阵列，输出到图像显示设备上。由于图像显示设备一般只能显示8bit的二维灰度阵列，所以我们需要将通过AD模块14bit或者16bit的信号压缩到8bit；这个压缩过程其实是对有效信息进行损耗、合并的过程，在信息压缩的过程中，如何使更多的有效信息能够保留下来，并能得到一定程度的放大？本专利的方法是首先对灰度信号进行分区(即温度分区)，以14bit信号为例，14bit信号对应的灰度等级为0～16383；每个灰度等级都会对应表达相应的热响应程度。具体实施例中，首先将红外热像仪温度区间的内部温度等级个数设置为M＝16，由于16为2的4次幂,M的值越小，温度区间的个数越多，得到的宽动态映射图像的细节越多，但计算量越大；根据确定的M值可以得到温度分区的个数N＝16384/16＝1024。

具体实施过程如下：由红外焦平面阵列得到的热响应二维灰度阵列，是14bit信号范围的任意值(0～16383)，则当前所得到的二维阵列不一定会含有所有的灰度级(0～16383)，在已经分区的1-N个区里，统计每个区含有像元的个数。对1-N区中任意区号X(X∈[1,N])，则X区内对应的灰度范围为16X～(16X+16)；遍历热响应的二维灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数记录下来，标记为Num_X，其中X∈[1,N]。重复该操作，直至1-N区，每个区的像元个数记录完成为止。

具体实施过程如下：统计Num_X≠0的温度区的个数K，并重新定义Num_X≠0温度区的区号。按照区号由小到大的顺序，将区号定义为0到K-1，定义重新排列的温度区的像元个数表示为Num_Y。

具体实施过程如下：对于14bit信号热响应像元灰度值的范围原本是0至16383，进行温度分区后，剔除了Num_X＝0的区域。含有像元的区域按顺序0到K-1排序；区域内，按像元个数与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，T为规定的像元个数，按照探测器阵列像元总个数的比例或者根据规定的数学表达式计算，对任意Num_Y的区域，对应的灰度(温度)等级重新映射为Num_Y∈[16*Y，16*Y+S]，期中Y∈[0,K-1]，S∈[1,15]。例如第一个非0区域，像元个数为Num₀，如果Num₀的值大于等于T那么第一个非0区域的灰度等级个数则仍旧保持为16个，如果Num₀小于T，那么第一个非0区域的灰度等级个数为一个把灰度等级控制在1-16个灰度等级之间的数学方法，例如S₀＝Num₀/T*16，其中S₀表示第一个非0区灰度等级个数；当对于任意区Y,其中Y∈[0，K-1]，当Num_Y大于或等于T时，S_Y＝16，当Num_Y小于T时，S_Y＝Num_Y/T*16。完成0到K-1区每个非零区的灰度等级重新定义后，对灰度等级进行排序：第一个非0区的灰度等级排序为0到S₀，第二个非0区灰度等级排序为S₀到S₀+S₁，第K-1区排序为S₀+S₁+...+S_k-2到S₀+S₁+...+S_k-2+S_k-1.。

具体实施过程如下：对重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射成8bit，传送给显示设备。具体如下：对红外焦平面阵列得到的热响应二维灰度阵列中的任一像元，获得其14bit灰度值后，根据四的步骤找到自己重新排序后的区，得到相应的灰度值。对整幅二维灰度阵列的灰度重新排序工作完成之后，找出二维灰度阵列中的最大灰度值，求最大灰度值与256(因为2⁸＝256)的比值

Max表示最大灰度值。二维阵列中的每一个像元在根据步骤四找到重新排序的灰度值后，都除以K_map，保证计算后的像元灰度值都在[1，255]的范围内，完成从14bit灰度到8bit灰度的映射，传送给显示设备。

本发明的技术效果是：提供一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法，包括如下步骤：对温度进行分区：将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；获取像元个数：获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中：X为区间号，X∈[1,N]；剔除温度区间并重新排序：剔除不含像元响应的温度区间，对于含有像元的温度区间重新排序；重新映射：对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区间内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；输出图像：重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。本发明通过剔除不含像元响应的温度区间并重新排序，对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区间内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，红外热像仪热响应信号获得的最热和最冷像元区域都能在显示设备上看见，不会溢出，可以大大提高红外图像的显示效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于温度分区的红外热成像宽动态方法，其特征在于，包括如下步骤：

对温度进行分区：将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；

获取像元个数：获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中：X为区间号，X∈[1,N]；

剔除温度区间并重新排序：剔除不含像元响应的温度区间，对于含有像元的温度区间重新排序；

重新映射：对含有像元的区间按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，对含有像元的区间按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；

输出图像：重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。

2.根据权利要求1所述基于温度分区的红外热成像宽动态方法，其特征在于，模数转换后的热响应值，取值范围为0至A,选取灰度间隔值M，将热响应值范围分为N个灰度间隔值为M的区域，其中M、N为自然数，并且M*N＝A+1。

3.根据权利要求1所述基于温度分区的红外热成像宽动态方法，其特征在于,对于已经划分好的灰度间隔值为M的N个温度区间，遍历热响应灰度阵列的N个温度区间，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，其中区号X为区间号，X∈[1,N]，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止。

4.根据权利要求1所述基于温度分区的红外热成像宽动态方法，其特征在于,剔除N个温度区间中Num_X＝0的区，定义含有像元区的总个数为K，其中K≤N，定义含有像元区的区号为Y，其中Y∈[0,K-1],定义任意含有像元区的像元个数为Num_Y。

5.根据权利要求1所述基于温度分区的红外热成像宽动态方法，其特征在于，当对于任意区Y,其中Y∈[0,K-1]，当Num_Y大于或等于T时，S_Y＝M，当Num_Y小于T时，S_Y＝f(T，Num_Y)*M,其中f(T,Num_Y)∈(0,1)，其中：S_Y表示重新映射的温度区的灰度间隔。

6.根据权利要求5所述基于温度分区的红外热成像宽动态方法，其特征在于，对灰度等级进行排序：含有像元的的任意温度区Y，其中Y∈[0,K-1]，第0区的灰度间隔为1到S₀，第1区灰度间隔为S₀到S₀+S₁，依次类推，第K-1区灰度间隔为S₀+S₁+...+S_k-3+S_k-2到S₀+S₁+...+S_k-2+S_k-1。

7.根据权利要求6所述基于温度分区的红外热成像宽动态方法，其特征在于，对整幅二维灰度阵列的灰度重新排序工作完成之后将二维阵列的像元值都映射到1-255之间的过程或方法。

8.一种基于温度分区的红外热成像宽动态系统，其特征在于，包括分区模块、像元个数获取模块、排序模块、映射模块、输出模块，所述分区模块将红外热像仪像元的响应值分为N个温度区间，每个温度区间内的灰度等级个数分为M，其中：N、M为自然数；所述像元个数获取模块获取每个温度区间内所含有像元的个数，遍历N个温度区间热响应灰度阵列，把属于灰度X区的像元个数Num_X记录下来，重复该操作，直至N个温度区间中每个区的像元个数记录完成为止,其中：X表示任意区，X∈[1,N]；所述排序模块剔除不含像元响应的温度区域，对于含有像元的温度区域重新排序；所述映射模块对含有像元的区域按顺序排序，按像元个数Num_Y与阈值T的关系确定区域内的灰度间隔，对含有像元的区域按对应的灰度等级映射，其中T为规定的像元个数；所述输出模块重新排序后的红外热像仪像元灰度，按照归一化的原则映射输出。

9.根据权利要求8所述基于温度分区的红外热成像宽动态系统，其特征在于，所述映射模块包括以下工作：当对于任意区Y,其中Y∈[0,K-1]，当Num_Y大于或等于T时，S_Y＝M，当Num_Y小于T时，S_Y＝f(T，Num_Y)*M,其中f(T,Num_Y)∈(0,1)其中：S_Y表示映射的温度区的灰度间隔。

10.根据权利要求8所述基于温度分区的红外热成像宽动态系统，其特征在于，所述排序模块对灰度等级进行排序包括以下工作：含有像元的的任意温度区Y，其中Y∈[0,K-1]，第0区的灰度间隔为1到S₀，第1区灰度间隔为S₀到S₀+S₁，依次类推，第K-1区灰度间隔为S₀+S₁+...+S_k-3+S_k-2到S₀+S₁+...+S_k-2+S_k-1。

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