CN114841884B - 增强红外偏振图像与局部细节的方法、设备及储存介质 - Google Patents

增强红外偏振图像与局部细节的方法、设备及储存介质 Download PDF

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CN114841884B CN202210485529.1A CN202210485529A CN114841884B CN 114841884 B CN114841884 B CN 114841884B CN 202210485529 A CN202210485529 A CN 202210485529A CN 114841884 B CN114841884 B CN 114841884B
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Abstract

本发明公开了一种增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法、设备及储存介质，其主要步骤包括：对目标进行红外偏振数据采集，得到具有四个偏振方向的原始红外偏振图像数据；以其中一个偏振方向的像元为中心像元，对其余三个偏振方向的像元分别进行插值处理，获得对应像元插值后的图像数据，进而得到偏振图像数据I；依次将原始红外偏振图像数据中四个偏振方向的像元分别作为中心像元进行插值，得到四组各自偏振方向下的偏振图像数据I；利用不同的偏振图像数据I，计算偏振图像的斯托克斯矢量，得到描述插值后偏振图像的红外偏振信息，实现了红外偏振图像分辨率的提升和细节增强。

Description

增强红外偏振图像与局部细节的方法、设备及储存介质
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法、设备及储存介质。
背景技术
红外偏振成像技术探测目标利用物体的偏振特性进行目标探测，由于自然物和人造物偏振特性差别较大，因此利用红外偏振信息可以区分偏振特性不同的两种物体，显著提高对伪装目标的识别能力。但红外偏振成像系统是由四个不同偏振度的小像元组成的超级像元，造成了红外偏振图像有效分辨率降低，进而影响成像质量。为实现对红外偏振图像分辨率重建，亟需一种偏振图像插值方法，在恢复图像分辨率的同时，提高图像的对比度与细节清晰度。
传统红外偏振图像插值采用双线性插值方法，虽然可以解决红外偏振成像系统分辨率降低的问题，但在插值过程中没有考虑到微偏振阵列的分布特点，导致图像边沿区域有很大概率出现伪偏振边沿，图像质量降低。
发明内容
鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法，能够显著提升红外偏振图像的对比度，增强图像细节。
本发明的技术方案是，一种增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法，包括以下步骤：
(S1)对目标进行红外偏振数据采集，得到具有四个偏振方向的原始红外偏振图像数据；
(S2)以其中一个偏振方向的像元为中心像元，对原始红外偏振图像数据中的其余三个偏振方向的像元分别进行插值处理，获得对应像元插值后的图像数据，并由插值后的像元的图像数据组成该偏振方向下的偏振图像数据I；
(S3)依次将原始红外偏振图像数据中四个偏振方向的像元分别作为中心像元进行插值，得到四组各自偏振方向下的偏振图像数据I；
(S4)利用步骤(S2)中不同偏振方向插值后得到的偏振图像数据I，计算插值后偏振图像的斯托克斯矢量，得到描述插值后偏振图像的红外偏振信息，得到插值后的偏振度图像。
本发明的另一个目的是提供一种增强红外偏振图像光强与局部细节的设备，包括，
处理器；
获取模块，用于获取红外偏振图像数据；
储存模块，储存有可在所述处理器上运行的用于增强红外偏振图像光强与局部细节的程序，其中，用于增强红外偏振图像光强与局部细节的程序被所述处理器执行时实现如上述的增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法所描述的步骤；
输出模块，用于输出计算结果。
本发明的另一个目的是提供一种计算机可读储存介质，其内储存有处理器可执行的程序代码，所述计算机可读储存介质包括多条指令，所述多条指令被配置为使处理器执行上述的增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法。
本发明的技术效果在于：
本发明通过计算目标像元周边相同偏振方向的像元影响，利用目标像元周围5×5像元进行插值计算，实现了红外偏振图像分辨率的提升，同时实现了的细节增强，提升了图像的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明中插值方法计算的具体流程图；
图2为本发明中像元位置分布图；
图3为处理前后偏振度图像效果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法，具体包括如下步骤：
(S1)通过红外偏振相机对目标进行红外偏振数据采集，得到具有四个偏振方向的原始红外偏振图像数据；
利用长波红外偏振成像系统对目标场景采集具有四个偏振方向信息的红外偏振图像，偏振方向分别为0°、45°、90°、135°，红外偏振成像系统中不同偏振像元的分布如图2所示，其中，四个相邻的不同方向的偏振像元可以方形结构组成一组超级像元。
本实施例中，用于红外偏振图像采集的设备和方法均为本领域常见的设备与方法，能够实现本发明中的红外偏振图像采集的目的设备与方法均可应用于本发明中，对其具体类型和方式在此不做额外限制。
由于不同偏振方向的像元存在，导致每个偏振方向的像元个数为探测器系统分辨率的四分之一，因此需要通过插值方法对图像分辨率进行重建，得到偏振方向分别为0°、45°、90°、135°的偏振图像数据，定义为I0°、I45°、I90°、I135°。并根据不同偏振方向的偏振图像数据最终计算出插值后偏振图像的信息。
(S2)以其中一个偏振方向的像元为中心像元，对原始红外偏振图像数据中的其余三个偏振方向的像元分别进行插值处理，获得对应像元插值后的图像数据，并由插值后的像元的图像数据组成该偏振方向下的偏振图像数据I；
步骤(S1)中四个不同偏振度的像元被组合视为了一个超级像元，以其中一个偏振方向的像元为中心像元，如偏振方向为0°的像元作为中心像元时，则需要对于超级像元中的其他三个原偏振角度45°、90°、135°的像元分别进行周向插值，包括垂直方向插值、水平方向插值以及对角方向插值。
因此选择偏振方向为0°的像元作为中心像元，指定其像素坐标为(a,b)，则偏振方向45°、90°、135°的像元坐标可以分别表示为(a,b-1)、(a-1,b-1)、(a-1,b)，其中，a-1表示中心像元左侧的最接近像元的水平坐标，a+1表示中心像元右侧最接近像元的水平坐标，b-1表示中心像元上侧的最近接像元的竖直坐标，b+1表示中心像元下侧的最接近像元的竖直坐标，且像素坐标的表示方式均可依次外推；
之后依次选择偏振方向为45°、90°、135°的像元进行插值处理，进一步得到不同偏振方向下对应像元插值后的图像数据，下面对于不同偏振方向的像元插值过程进行详细叙述：
1、偏振方向45°的像元的插值过程
以偏振方向为0°的像元作为中心像元，其像元坐标为(a,b)，首先对所述原偏振方向为45°的像元(a,b-1)进行插值，指定45°像元周围偏振方向为0°的像元位置分别为(a-2,b-2)，(a-2,b)，(a,b-2)，(a,b)，(a+2,b-2)，(a+2,b)，其中位置为(a-2,b-2)，(a-2,b)，(a+2,b-2)，(a+2,b)的像元距离目标像元(a,b-1)距离相等，对目标像元具有相同影响，通过Bilinear插值可以充分考虑这四个像元数据对目标像元的影响，提高插值准确度。通过Bilinear插值得到
Figure GDA0004096536090000031
Figure GDA0004096536090000032
且有：
Figure GDA0004096536090000033
其中，I0°(a-2，b-2)、I0°(a-2，b)、I0°(a+2，b-2)、I0°(a+2，b)分别为对应坐标位置下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure GDA0004096536090000041
为竖直方向插值后的像元的图像数据结果。
对位于水平方向上的像元(a，b-2)，(a，b)，距离目标像元(a，b-1)，且距离更近，进行linear插值得到
Figure GDA0004096536090000042
且有：
Figure GDA0004096536090000043
其中，I0°(a，b-2)、I0°(a，b)分别为对应坐标下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure GDA0004096536090000044
为水平方向插值后像元的图像数据结果。
由于选取的6个像元距离中心像元的距离不同，因此需要对插值得到的图像数据结果设置不同的权重。
因此，针对竖直方向上的0°偏振像元构建像元矩阵：
Figure GDA0004096536090000045
并利用竖直梯度算子
Figure GDA0004096536090000046
对其进行卷积计算得到权重α1，使得水平方向上的0°偏振像元所占权重为1-α1，最终得到坐标为(a，b-1)的45°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a，b-1)，即：
Figure GDA0004096536090000047
此外，本实施例中使用的竖直梯度算子针对像元矩阵进行卷积计算的过程，以及针对中心像元的Bilinear插值和linear插值为本领域现有技术，其具体过程在此不再赘述。
2、偏振方向90°的像元的插值过程
由于当目标像元为原偏振方向为90°的像元时，其周围存在四个偏振方向为0°的像元(a-2，b-2)，(a-2，b)，(a，b-2)，(a，b)，且距离相同，通过Bilinear可以充分考虑到其对目标像元的影响，由此本实施例中采用Bilinear插值法对90°像元进行插值。
对所述偏振方向为90°的像元(a-1，b-1)的插值的具体方法为：选取坐标为(a-2，b-2)，(a-2，b)，(a，b-2)，(a，b)进行Bilinear插值，得到坐标为(a-1，b-1)的90°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a-1，b-1)，且有：
Figure GDA0004096536090000048
其中，I0°(a-2，b-2)、I0°(a，b)、I0°(a-2，b)、I0°(a，b-2)分别为对应坐标下，偏振度为0°的像元的图像数据。
3、偏振方向135°的像元的插值过程
以偏振方向为0°的像元作为中心像元，其像元坐标为(a，b)，首先对所述原偏振方向为135°的像元(a-1，b)进行插值，指定135°像元周围偏振方向为0°的像元位置分别为(a-2，b-2)，(a，b-2)，(a-2，b)，(a，b)，(a-2，b+2)，(a，b+2)，其中位置为(a-2，b-2)，(a，b-2)，(a-2，b+2)，(a，b+2)的像元距离目标像元(a-1，b)距离相等，对目标像元具有相同影响，为提高插值准确度，因此在处同样采用Bilinear插值对135°像元进行插值。通过Bilinear插值得到
Figure GDA0004096536090000051
且有
Figure GDA0004096536090000052
其中，I0°(a-2，b-2)、I0°(a，b-2)、I0°(a-2，b+2)、I0°(a，b+2)分别为对应坐标位置下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure GDA0004096536090000053
为水平方向插值后的像元的图像数据结果。
对位于竖直方向上的像元(a-2，b)，(a，b)进行linear插值得到
Figure GDA0004096536090000054
Figure GDA0004096536090000055
其中I0°(a-2，b)、I0°(a，b)为对应坐标下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure GDA0004096536090000056
Figure GDA0004096536090000057
为竖直方向插值后像元的图像数据结果。
同样的，此处6个像元距离中心像元的距离也不尽相同，依然需要对插值得到的图像数据结果设置不同的权重，具体设置步骤如下：
针对水平方向上的0°偏振像元构建像元矩阵：
Figure GDA0004096536090000058
并利用水平梯度算子
Figure GDA0004096536090000059
对其进行卷积计算得到权重α2，使得竖直方向上0°偏振像元所占权重为1-α2，最终得到坐标为(a-1，b)的135°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a-1，b)：
Figure GDA00040965360900000510
同样的，此处使用的水平梯度算子针对像元矩阵进行卷积计算的过程，以及针对中心像元的Bilinear插值和linear插值均为本领域现有技术，其具体过程在此不再赘述。
根据不同偏振方向的像元插值过程，可以看到，偏振方向为0°的偏振图像数据I0°可由45°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a，b-1)、90°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a-1，b-1)、135°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a-1，b)，三者与未经插值处理的0°偏振像元的图像数据结果组合得到，其组合方法为本领域现有技术，在此不再赘述。
(S3)依次将原始红外偏振图像数据中四个偏振方向的像元分别作为中心像元进行插值，得到四组各自偏振方向下的偏振图像数据I；
步骤(S2)中插值计算得到的是超级像元中一个偏振方向的像元作为中心像元时的偏振度图像数据I，而超级像元中还存在另外三个偏振方向的像元，需要一一插值计算出另外三个偏振方向的像元分别作为中心像元时的偏振度图像数据，才能够获得所有偏振方向插值后的偏振度图像数据，并将其用于后续偏振图像的计算，因此，需要将另外三个偏振方向的像元分别作为中心像元，并将步骤(S2)中指出的第一个中心像元的插值方法带入到各自不同的三个偏振方向像元的插值计算中去，以此获得另外三个偏振方向像元的偏振度图像数据，其具体步骤如下：
参见图2，移动超级像元外沿的范围框，由于范围框恰好能够容纳方形分布的四个像元，无论范围框如何移动，内部总是能够填充一个超级像元，而改变中心像元的方法则是：保证中心像元始终位于超级像元的右下角的情况下，依次选择超级像元中0°、45°、90°、135°四个偏振方向的像元分别作为中心像元，例如，需要将45°偏振方向像元作为中心像元时，就将超级像元的范围框移至45°偏振方向像元位于范围框的右下角的位置处，此时位于45°偏振像元左侧的是0°偏振像元，90°偏振像元则位于45°偏振像元的上侧，位于超级像元左上角处的偏振像元是135°偏振像元；并对其余三个0°、90°和135°偏振方向像元按照步骤(S2)中所述的插值方法进行插值计算，获得对应0°、90°和135°像元插值后的图像数据，再由这些偏振像元的插值后得到的图像数据与未经过插值的45°偏振像元的数据组合得出45°偏振方向下的偏振度图像数据。以此类推，最终获得四个偏振方向下的偏振度图像数据I，偏振图像数据I在此分别对应0°、45°、90°、135°四个偏振方向，记为I0°、I45°、I90°、I135°
由此，通过一系列针对超级像元中部分像元的插值作业，得到了对应插值后的像元图像数据，并进一步通过像元图像数据得出四个偏振方向下的偏振度图像数据I0°、I45°、I90°、I135°。
(S4)利用不同偏振方向插值后得到的偏振图像数据I0°、I45°、I90°、I135°，计算插值后偏振图像的斯托克斯矢量，斯托克斯矢量中包含与偏振状态有关的所有信息，基于斯托克斯数量可以计算得到偏振度和偏振角，得到描述插值后偏振图像的红外偏振信息。
所述插值后图像斯托克斯矢量偏振态的计算方式为：
Figure GDA0004096536090000071
式中，S1代表总的光强，S2代表偏振角度在0°和90°之间的强度差，S3代表偏振角度在45°和135°直降的强度差。
并根据S1、S2、S3等图像信息计算出偏振图像的偏振度和偏振角：
Figure GDA0004096536090000072
Figure GDA0004096536090000073
本步骤中利用计算得到的偏振度和偏振角等图像信息，构建偏振度图像和偏振角图像，其中经本方法插值得到的偏振度图像，如图3所示，可以看到经插值处理后的偏振图像对比度有明显提高，有效增强了图像细节，使得图3中原本不清楚的图像信息如车牌信息，变得能够清楚辨认。
本实施例还提供了一种增强红外偏振图像光强与局部细节的设备，包括，
处理器；
获取模块，用于获取红外偏振图像数据；
储存模块，储存有可在所述处理器上运行的用于增强红外偏振图像光强与局部细节的程序，其中，用于增强红外偏振图像光强与局部细节的程序被所述处理器执行时实现如上述的增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法所描述的步骤；
输出模块，用于输出计算结果。
本实施还提供了一种计算机可读储存介质，其内储存有处理器可执行的程序代码，所述计算机可读储存介质包括多条指令，所述多条指令被配置为使处理器执行上述的增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)对目标进行红外偏振数据采集，得到具有四个偏振方向的原始红外偏振图像数据；
(S2)以其中一个偏振方向的像元为中心像元，对原始红外偏振图像数据中的其余三个偏振方向的像元分别进行插值处理，获得对应像元插值后的图像数据，并由插值后的像元的图像数据组成该偏振方向下的偏振图像数据I；
(S3)依次将原始红外偏振图像数据中其余三个偏振方向的像元分别作为中心像元进行插值，得到四组各自偏振方向下的偏振图像数据I；
(S4)利用步骤(S3)中不同偏振方向插值后得到的偏振图像数据I，计算插值后偏振图像的斯托克斯矢量，得到描述插值后偏振图像的红外偏振信息，得到插值后的偏振度图像；
其中，步骤(S2)中所述对原始红外偏振图像数据中的其余三个偏振方向的像元分别进行插值处理的具体步骤为：
将四个不同偏振度的像元方形组合视为一个超级像元；
选择偏振方向为0°的像元作为中心像元，其坐标为(a,b)，指定偏振方向45°、90°、135°的像元坐标分别为(a,b-1)、(a-1,b-1)、(a-1,b)，其中，a-1表示中心像元左侧的最接近像元的水平坐标，a+1表示中心像元右侧最接近像元的水平坐标，b-1表示中心像元上侧的最近接像元的竖直坐标，b+1表示中心像元下侧的最接近像元的竖直坐标，且坐标的表示方式均可依次外推，使得超级像元包括坐标为(a,b)、(a,b-1)、(a-1,b-1)、(a-1,b)的像元，且中心像元位于超级像元右下角处；
之后依次选择偏振方向为45°、90°、135°的像元进行插值处理，进一步得到不同偏振方向下对应像元插值后的图像数据；
其中，对偏振方向为45°的像元坐标的插值方法为：指定偏振方向为45°的像元周围偏振度为0°的像元位置分别为(a-2,b-2)，(a-2,b)，(a,b-2)，(a,b)，(a+2,b-2)，(a+2,b)，其中，对位于偏振方向为45°的像元竖直方向上的像元(a-2,b-2)，(a-2,b)，(a+2,b-2)，(a+2,b)通过Bilinear插值得到
Figure QLYQS_1
且有：
Figure QLYQS_2
其中，I0°(a-2,b-2)、I0°(a-2,b)、I0°(a+2,b-2)、I0°(a+2,b)分别为对应坐标位置下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure QLYQS_3
为经过竖直方向插值后的像元的图像数据结果；
对位于水平方向上的像元(a,b-2)，(a,b)进行linear插值得到
Figure QLYQS_4
且有：
Figure QLYQS_5
其中，I0°(a,b-2)、I0°(a,b)分别为对应坐标下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure QLYQS_6
为经过水平方向插值后像元的图像数据结果；
针对竖直方向上的0°偏振像元构建像元矩阵：
Figure QLYQS_7
并利用竖直梯度算子
Figure QLYQS_8
对其进行卷积计算得到权重α1，使得水平方向上的0°偏振像元所占权重为1-α1，最终得到坐标为(a，b-1)的45°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a,b-1)，为：
Figure QLYQS_9
对所述偏振方向为90°的像元坐标(a-1,b-1)的插值方法为：指定偏振方向为90°的像元(a-1,b-1)周围坐标为(a-2,b-2)，(a-2,b)，(a,b-2)，(a,b)的像元进行Bilinear插值，得到坐标为(a-1,b-1)的90°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a-1,b-1)，且有：
Figure QLYQS_10
其中，I0°(a-2,b-2)、I0°(a,b)、I0°(a-2,b)、I0°(a,b-2)分别为对应坐标下，偏振度为0°的像元的图像数据；
对所述偏振方向为135°的像元坐标的插值方法为：指定偏振方向为135°的像元周围偏振度为0°的像元位置分别为(a-2,b-2)，(a,b-2)，(a-2,b)，(a,b)，(a-2,b+2)，(a,b+2)，其中，对位于偏振方向为135°的像元水平方向上的像元(a-2,b-2)，(a,b-2)，(a-2,b+2)，(a,b+2)通过Bilinear插值得到
Figure QLYQS_11
且有：
Figure QLYQS_12
其中，I0°(a-2,b-2)、I0°(a,b-2)、I0°(a-2,b+2)、I0°(a,b+2)分别为对应坐标位置下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure QLYQS_13
为水平方向插值后的像元的图像数据结果；
对位于竖直方向上的像元(a-2,b)，(a,b)进行linear插值得到
Figure QLYQS_14
Figure QLYQS_15
其中I0°(a-2,b)、I0°(a,b)为对应坐标下，偏振度为0°的像元的图像数据，
Figure QLYQS_16
Figure QLYQS_17
为竖直方向插值后像元的图像数据结果；
针对水平方向上的0°偏振像元构建像元矩阵：
Figure QLYQS_18
并利用水平梯度算子
Figure QLYQS_19
对其进行卷积计算得到权重α2，使得竖直方向上0°偏振像元所占权重为1-α2，最终得到坐标为(a-1,b)的135°偏振像元的插值后的图像数据结果I0°(a-1,b)：
Figure QLYQS_20
2.根据权利要求1所述的插值方法，其特征在于，所述步骤(S3)中将原始红外偏振图像数据中四个偏振方向像元分别作为中心像元进行插值的具体过程为：沿超级像元外沿指定一组范围框，移动超级像元的范围框，并保持中心像元始终位于超级像元范围框中的右下角，利用所述其余三个偏振像元的插值方法对超级像元范围框移动后的中心像元周围的三个偏振像元进行插值，获得对应像元插值后的图像数据，组成该偏振方向下的偏振图像数据I，通过移动超级像元的范围框改变中心像元，使得超级像元中0°、45°、90°、135°四个偏振方向的像元轮流作为中心像元，所得到的偏振图像数据I分别对应记为I0°、I45°、I90°、I135°。
3.根据权利要求2所述的插值方法，其特征在于，所述偏振图像斯托克斯矢量偏振态的计算方式为：
Figure QLYQS_21
并根据S1、S2、S3计算出偏振图像的偏振度和偏振角：
Figure QLYQS_22
Figure QLYQS_23
式中，S1代表总的光强，S2代表偏振角度在0°和90°之间的强度差，S3代表偏振角度在45°和135°之间的强度差。
4.一种增强红外偏振图像光强与局部细节的设备，其特征在于，包括，
处理器；
获取模块，用于获取红外偏振图像数据；
储存模块，储存有可在所述处理器上运行的用于增强红外偏振图像光强与局部细节的程序，其中，用于增强红外偏振图像光强与局部细节的程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-3任一项所述的方法所描述的步骤；
输出模块，用于输出计算结果。
5.一种计算机可读储存介质，其内储存有处理器可执行的代码程序，其特征在于，所述计算机可读储存介质包括多条指令，所述多条指令被设置为使处理器执行权利要求1-3任一项所述的增强红外偏振图像光强与局部细节的插值方法。
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