CN114184284B - 一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正方法及系统 - Google Patents

一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正方法及系统，属于红外成像领域。其中，方法的实现包括：在红外热像仪开机阶段进行辅助校正，使得红外热像仪能够正常出图；在使用阶段，从校正后的图像中提取上部若干行数据，计算该若干行数据的均值与标准差，以评估该若干行数据的均匀性；若该若干行数据的均匀性满足要求，则将校正前的图像上部若干行数据的纵向均值向量用于偏移系数的修正，其中，所取的校正前的图像上部数据行数与所取的校正后的图像上部数据行数一致；使用修正后的偏移系数以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正。通过本发明可以实现不中断视频校正。

Description

一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正方法及系统
技术领域
本发明属于红外成像领域，具体涉及红外图像非均匀校正技术，更具体的，涉及一种用于制冷型线阵纵向扫描红外热像仪的实时场景校正方法及系统。
背景技术
随着光电成像技术的发展，红外成像技术被广泛的应用到各个领域。制冷型线阵探测器兼具高灵敏度与低成本的特点，在特定的光电设备中具有不可替代的作用。该类型探测器成像往往都需要配备专门的高速扫描振镜组件将外部场景逐行分时反射到探测器焦平面上，通过成像电路处理后，形成一幅完整图像输出。对于采用768×8长波探测器的红外热像仪，通过将扫描振镜组件设计为纵向扫描，可实现768×576分辨率100Hz高帧频成像，在对空警戒领域具有重要应用前景。
由于红外探测器响应的不均匀性，红外图像均需要进行校正，才能供人眼观测。传统的一点校正与两点校正方法均需要一个热辐射均匀的校正装置或场景用于辅助校正，而该过程必会导致当前的成像视频中断。此外，由于热像仪内部机械运动以及电子元器件的工作散热，往往会导致设备内部结构件以及镜头温度升高，在设备内部对探测器辐射一部分能量，导致已经校正好的本底图像偏移，从而使得热像仪输出图像质量下降。一般而言，当出现该现象时再重新对热像仪进行校正即可，但该动作又不可避免的造成视频中断，可能会对关键任务造成不良影响。
对于上述的纵向扫描红外热像仪，为满足系统工作环境与任务要求，设计一种不中断视频的实时校正方法具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于为制冷型线阵纵向扫描红外热像仪提供一种不中断视频的校正方法及系统，该方法实现简单，占用资源小，具备场景自适应能力，处理的图像质量好，且无鬼影现象。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正方法，包括：
在红外热像仪开机阶段进行辅助校正，使得红外热像仪能够正常出图；
在使用阶段，从校正后的图像中提取上部若干行数据，计算该若干行数据的均值与标准差，以评估该若干行数据的均匀性；
若该若干行数据的均匀性满足要求，则将校正前的图像上部若干行数据的纵向均值向量用于偏移系数的修正，其中，所取的校正前的图像上部数据行数与所取的校正后的图像上部数据行数一致，偏移系数为开机时进行辅助校正获得的本底偏置矩阵；
使用修正后的偏移系数以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，其中，增益系数为红外热像仪标定获得的本底增益矩阵。
在一些可选的实施方案中，所述在使用阶段，从校正后的图像中提取上部若干行数据，计算该若干行数据的均值与标准差，以评估该若干行数据的均匀性，包括：
在使用阶段，从校正后的图像中提取上部N行数据，记为Y1:N，计算Y1:N的均值μ与标准差σ，根据统计学的3·σ准则，通过判断|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T是否同时满足，以此作为Y1:N均匀性的评估标准，其中，α表示标准差倍率系数，T表示标准差阈值，N表示均匀性判据取用的图像行数。
在一些可选的实施方案中，所述若该若干行数据的均匀性满足要求，则将校正前的图像上部若干行数据的纵向均值向量用于偏移系数的修正，包括：
若|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T同时满足，则表示选取的若干行数据的均匀性满足要求；
从校正前的图像中提取上部N行数据，记为X1:N，获取X1:N的纵向均值向量Xm，使用加权和的方式将纵向均值向量Xm与偏移系数B的每一行数据进行修正。
在一些可选的实施方案中，由B(:,j)＝B(:,j)·(1-η)+Xm(j)·η对偏移系数B进行修正，其中，η为更新权重。
在一些可选的实施方案中，所述使用修正后的偏移系数以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，包括：
由
Figure BDA0003385270890000031
使用修正后的偏移系数B以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，其中，K为增益系数，/>
Figure BDA0003385270890000032
为偏移系数B的均值，X为校正前图像，Y为校正后图像，·表示哈达玛积。
按照本发明的另一方面，提供了一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正系统，包括：
开机校正模块，用于在红外热像仪开机阶段进行辅助校正，使得红外热像仪能够正常出图；
均匀性评估模块，用于在使用阶段，从校正后的图像中提取上部若干行数据，计算该若干行数据的均值与标准差，以评估该若干行数据的均匀性；
偏移系数修正模块，用于若该若干行数据的均匀性满足要求，则将校正前的图像上部若干行数据的纵向均值向量用于偏移系数的修正，其中，所取的校正前的图像上部数据行数与所取的校正后的图像上部数据行数一致，偏移系数为开机时进行辅助校正获得的本底偏置矩阵；
实时校正模块，用于使用修正后的偏移系数以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，其中，增益系数为红外热像仪标定获得的本底增益矩阵。
在一些可选的实施方案中，所述均匀性评估模块，用于在使用阶段，从校正后的图像中提取上部N行数据，记为Y1:N，计算Y1:N的均值μ与标准差σ，根据统计学的3·σ准则，通过判断|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T是否同时满足，以此作为Y1:N均匀性的评估标准，其中，α表示标准差倍率系数，T表示标准差阈值，N表示均匀性判据取用的图像行数。
在一些可选的实施方案中，所述偏移系数修正模块，用于若|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T同时满足，则表示选取的若干行数据的均匀性满足要求；从校正前的图像中提取上部N行数据，记为X1:N，获取X1:N的纵向均值向量Xm，使用加权和的方式将纵向均值向量Xm与偏移系数B的每一行数据进行修正。
在一些可选的实施方案中，由B(:,j)＝B(:,j)·(1-η)+Xm(j)·η对偏移系数B进行修正，其中，η为更新权重。
在一些可选的实施方案中，所述实时校正模块，用于由
Figure BDA0003385270890000041
使用修正后的偏移系数B以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，其中，K为增益系数，/>
Figure BDA0003385270890000042
为偏移系数B的均值，X为校正前图像，Y为校正后图像，·表示哈达玛积。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明充分利用纵向扫描成像的特点，结合红外热像仪的具体使用场景，通过评估当前图像的均匀性，判断待校正区域数据能否用来进行偏移系数的修正，根据判断结果采取必要的处理方法，实现红外图像的实时校正。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种校正方法总体流程图；
图2是本发明实施例提供的一种图像均匀性评估的实施流程图；
图3是本发明实施例提供的一种偏移系数修正的实施流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明总体设计方案为：考虑到红外热像仪的使用场景大多具备天空背景，且主要集中在图像的上半部分，天空相对于绝大多数的自然场景具备无穷远和均匀性好的特点，是一个天然的辅助校正装置。因此在本发明中，首先在红外热像仪开机阶段使用镜头拉虚或镜头盖进行辅助校正，使得红外热像仪可正常出图；然后在使用阶段，从校正后的图像中提取上部N行数据，记为Y1:N，计算该部分数据的均值μ与标准差σ，根据统计学的3·σ准则，当|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T同时满足时，说明该部分数据具有较好的均匀性，可将校正前的图像上部N行数据X1:N的纵向均值向量Xm用于偏移系数B的修正；最后，根据上述的判断结果，决定是否对B与Xm进行加权融合。经以上处理，B可继续参与非均匀校正工作，如此循环，完成该红外热像仪实时场景校正。经以上方法处理后，热像仪长时间连续工作，无需手动校正，图像质量不会产生明显的劣化。其中，参数α表示标准差倍率系数，T表示标准差阈值，N表示均匀性判据取用的图像行数，这三个参数均为本发明的控制参数，具体取值须以实际红外热像仪为准进行选取，是一套经验值。以下通过具体实施方式对本发明方案进行详细说明。
如图1所示，在步骤S1中，红外热像仪正常开机，并使用传统的辅助校正手段或方法进行校正，使得红外热像仪可正常成像出图。在步骤S2中，从校正后的图像中截取第1～N行图像数据Y1:N，在本实施例中，取N＝32，更具体的，在本发明红外热像仪中，截取的图像数据是一个768×32的矩阵，记为Y1:32。在步骤S3中，对该部分截取的图像数据进行均匀性评估，更具体的，在本发明红外热像仪中，需要对Y1:32进行均匀性评估，用以判断该部分数据是否满足修正要求。在步骤S4中，根据S3的评估结果，有选择的对偏移系数B进行修正。在步骤S5中，使用修正后的偏移系数B以及已有的增益系数K，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，如式(1)所示。
Figure BDA0003385270890000061
其中，
Figure BDA0003385270890000062
表示偏移系数B的均值。
其中，在步骤S2中，从校正后的图像中截取第1～N行图像数据Y1:N，此处校正后的图像，在设备开机并辅助校正后，其指代通过传统方式校正后的图像；在经过本发明的实时场景校正方法校正后，其指代经过本发明方法校正后的图像，并在后续循环执行过程中，偏移系数是一个迭代修正的过程，因此，校正后的图像指代前一次迭代过程中校正后的图像。
更具体的，在本发明红外热像仪中，增益系数K是设备标定获得的一个768×576的矩阵，存储在红外热像仪FLASH中使用，偏移系数B为红外热像仪开机时使用传统校正方法获得的一个768×576的本底偏置矩阵，且式(1)中的乘法运算符·表示哈达玛积。步骤S6表示流程控制，本发明的运转流程主要在S2～S5之间进行循环。
更具体的，如图2所示，为步骤S3的具体实施流程图。在步骤S31中，分别计算所截取的图像数据的均值与标准差，具体的，在本发明红外热像仪中，对截取数据Y1：32的均值μ与标准差σ分别计算如式(2)与式(3)所示。
Figure BDA0003385270890000071
Figure BDA0003385270890000072
在步骤S32中，判断数据的标准差是否落在设定阈值之内，即判断σ＜T是否为真，具体的，在本发明红外热像仪中，取T＝16。在步骤S33中，判断数据与均值的绝对偏差是否全部落在设定的阈值之内，即判断|Y1:N-μ|＜α·σ是否全部为真，具体的，在本发明红外热像仪中，取α＝1.5，该步骤即为判断Y1:32中的所有数据与均值μ的绝对差是否全部都小于1.5σ。在步骤S34中，判断上述两个条件是否同时满足，即为判断S32与S33的输出是否同时为真，当该条件满足时，即表示S3中的该部分数据均匀性评估通过，可转入执行步骤S4。
更具体的，如图3所示，为步骤S4的具体实施流程图。步骤S41为判断操作，承接步骤S34，用来控制S4的流程走向。在步骤S42中，从校正前的图像X中提取与S2中位置一致的部分行数据，记为X1:N，具体的，在本发明红外热像仪中，从未经非均匀校正的图像数据中截取与Y1:32空间位置一致的数据，记为X1:32。在步骤S43中，获取该部分数据的纵向均值向量，即对X1:N进行纵向平均，获得一维向量Xm，具体的，在本发明红外热像仪中，Xm的计算如式(4)所示，其本质是长度为768的一维向量。
Figure BDA0003385270890000073
在步骤S44中，使用加权和的方式将均值向量与偏移系数的每一行数据进行修正，具体的，取更新权重为η，偏移系数B的迭代更新模型如式(5)所示：
B(:,j)＝B(:,j)·(1-η)+Xm(j)·η (5)
更具体的，在本发明红外热像仪中，取η＝0.02，偏移系数B为768×576的矩阵，通过对其每一行数据按照式(5)处理一遍，即完成了偏移系数的修正。
本发明为制冷型线阵纵向扫描红外热像仪提供了一种实现简单、低资源占用的实时场景校正方法，该方法可根据当前场景自动决定是否进行偏移系数的修正，可以潜移默化的将内部温升导致的额外能量辐射给补偿掉，保持图像质量的长时间稳定，避免手动校正出现的视频中断现象，具有较好的应用价值。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正方法，其特征在于，包括：
在红外热像仪开机阶段进行辅助校正，使得红外热像仪能够正常出图；
在使用阶段，从开机阶段校正后的图像中提取上部N行数据，记为Y1:N，计算Y1:N的均值μ与标准差σ，根据统计学的3·σ准则，通过判断|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T是否同时满足，以此作为Y1:N均匀性的评估标准，其中，α表示标准差倍率系数，T表示标准差阈值，N表示均匀性判据取用的图像行数；
若|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T同时满足，则表示选取的若干行数据的均匀性满足要求；
若该若干行数据的均匀性满足要求，从校正前的图像中提取上部N行数据，记为X1:N，获取X1:N的纵向均值向量Xm，使用加权和的方式将纵向均值向量Xm与偏移系数B的每一行数据进行修正，偏移系数为开机时进行辅助校正获得的本底偏置矩阵；
由
Figure FDA0004261001840000011
使用修正后的偏移系数B'以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，其中，K为增益系数，/>
Figure FDA0004261001840000012
为修正后的偏移系数B'的均值，X为校正前图像，Y为校正后图像，·表示哈达玛积，增益系数为红外热像仪标定获得的本底增益矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由B'(:,j)＝B(:,j)·(1-η)+Xm(j)·η对偏移系数B进行修正，其中，η为更新权重，B'为修正后的偏移系数，(:,j)表示每一行，j表示第j列。
3.一种用于纵向扫描红外热像仪的实时场景校正系统，其特征在于，包括：
开机校正模块，用于在红外热像仪开机阶段进行辅助校正，使得红外热像仪能够正常出图；
均匀性评估模块，用于在使用阶段，从开机阶段校正后的图像中提取上部N行数据，记为Y1:N，计算Y1:N的均值μ与标准差σ，根据统计学的3·σ准则，通过判断|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T是否同时满足，以此作为Y1:N均匀性的评估标准，其中，α表示标准差倍率系数，T表示标准差阈值，N表示均匀性判据取用的图像行数；若|Y1:N-μ|＜α·σ且σ＜T同时满足，则表示选取的若干行数据的均匀性满足要求；
偏移系数修正模块，用于在该若干行数据的均匀性满足要求时，则从校正前的图像中提取上部N行数据，记为X1:N，获取X1:N的纵向均值向量Xm，使用加权和的方式将纵向均值向量Xm与偏移系数B的每一行数据进行修正，偏移系数为开机时进行辅助校正获得的本底偏置矩阵；
实时校正模块，用于由
Figure FDA0004261001840000021
使用修正后的偏移系数B'以及已有的增益系数，对后续未经非均匀校正的图像帧进行非均匀校正，其中，K为增益系数，/>
Figure FDA0004261001840000022
为修正后的偏移系数B'的均值，X为校正前图像，Y为校正后图像，·表示哈达玛积，增益系数为红外热像仪标定获得的本底增益矩阵。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，由B'(:,j)＝B(:,j)·(1-η)+Xm(j)·η对偏移系数B进行修正，其中，η为更新权重，B'为修正后的偏移系数，(:,j)表示每一行，j表示第j列。
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