CN202631114U - 红外图像处理装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种红外图像处理装置及系统，所述红外图像处理装置，设有用于红外传感器、存储模块及用于输出红外图像的图像输出模块，还包括偏移量修正模块、盲元替换模块及非均匀性校正模块。本实用新型实施例的红外图像处理装置及系统通过对常温黑体的红外图像采用两点校正法和一点校正法对标定的第一偏移量和第一增益系数再次修正，且使用修正后的参数进行非均匀性校正，从而有效提高了红外图像质量，降低了红外非均匀性，所述装置的移植性好。

Description

红外图像处理装置及系统

技术领域

本实用新型涉及红外热图像处理技术领域，尤其涉及一种红外图像处理装置及系统。

背景技术

目前，红外图像处理技术已广泛应用于军事、医疗、消防、安防、交通、电力、建筑、电子制造和石化冶金等诸多领域。对应的红外系统在理想情况下，红外焦平面阵列受均匀辐射，输出幅度应完全一样。但实际上，由于制作器件的半导体材料不均匀(杂质浓度、晶体缺陷及内部结构的不均匀性等)、掩膜误差、缺陷、工艺条件及使用环境等影响下，其输出幅度并不相同，这就是红外焦平面阵列响应的非均匀性。

红外非均匀性造成的原因有很多种，其中主要原因是热像探测元自身的非均匀性，另外红外焦平面阵列外界输入也会造成对非均匀的影响。如探测器的偏置电压、偏置电流的不同，也将造成输出的不均匀性，在图像上主要表现为空间噪声或固定图案噪声。

而常用的红外非均匀性校正技术有很多种，如基于定标的一点校正、两点校正非均匀算法及均匀滤波算法等。一点校正非均匀算法就是在同一辐射条件下把各个热成像探测元的输出信号校正为一致，即在某一入射辐射下，把不同的热成像探测元输出信号校正为其平均信号。校正过程分为标定和补偿两步，具体方法是先用预定温度下的均匀辐射黑体辐照探测器，得到此时每个探测元的响应输出，求其算术平均值；两点校正非均匀算法就是将所有探测单元的响应特性曲线通过旋转平移，变换为同一条响应特性曲线L。经校正后，在均匀的辐射输入情况下，各探测单元的输出电信号相同，从而消除了红外图像的非均匀性噪声，其不仅对器件的增益系数做补偿，还对偏置系数进行了校正。

虽然热成像的非均匀性校正算法有很多种，但是目前还没有找到一种适应性较强的算法，各种非均匀校正算法都有它的不足，例如一点校正法仅能在一个定标点处把单元的输出信号校正一致，随着相对于这个定标点的偏移越大，由于探测器各探测元响应度的非一致性，校正误差也越大，校正精度较低，两点校正法的第二个定标点的选取存在困难，适应性差，当红外传感器长时间工作或环境温度发生变化时，焦平面阵列的非均匀性也发生漂移，红外图像校正效果逐渐恶化。

实用新型内容

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种能够有效提高红外图像质量，降低红外非均匀性，适应性强且移植性好的红外图像处理装置及系统。所述系统充分利用FPGA内部资源，实现红外图像实时非均匀性校正，增益校正精度达1/1024，偏移量校正精度达1/4096。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提出了一种红外图像处理装置，设有用于感测采集低温黑体、高温黑体、常温黑体及目标物分别对应的第一、第二、第三及第四响应值的红外传感器、存储有基于对低温黑体和高温黑体标定生成的用于非均匀性校正的数据的存储模块及用于输出红外图像的图像输出模块，所述数据至少包括第一偏移量、第一增益系数、盲元地址、盲元数据、第一响应值及第二响应值，所述红外图像处理装置还包括：

用于使用所述第一偏移量和第一增益系数且采用两点校正法和一点校正法对常温黑体的第三响应值进行处理得到第二偏移量和第二增益系数的偏移量修正模块；

连接于偏移量修正模块的、用于对目标物的第四响应值中所述盲元地址对应的盲元数据用其物理地址周围多个像元的像元数据的算术平均值代替的盲元替换模块；

连接于盲元替换模块的、用于采用第二偏移量和第二增益系数对盲元替换模块处理过的目标物的第四响应值实时进行非均匀性校正并传送给图像输出模块输出的非均匀性校正模块。

进一步地，所述红外图像处理装置还设有连接于非均匀性校正模块的、用于红外图像输出的同时实时监测外界环境温度并判断温度变化是否超出预定范围以在超出预定范围时对偏移量再次校正的温度判断模块；所述存储模块、偏移量修正模块、盲元替换模块、非均匀性校正模块及温度判断模块集成于一校正单元中，所述红外图像处理装置还设有连接并用于控制红外传感器、校正单元及图像输出模块相互配合地工作的控制模块。

进一步地，所述红外图像处理装置还设有连接于偏移量修正模块的、用于依是否收到用户输入的标定指令判断是否需要进行标定的标定判断模块。

进一步地，所述红外图像处理装置还包括：

连接于标定判断模块的、用于对读取的低温黑体和高温黑体分别对应的第一响应值和第二响应值标记盲元的盲元标记子模块；

连接于盲元标记子模块的、用于采用两点校正法对盲元标记子模块所标记过盲元的第一响应值和第二响应值进行处理以得到并存储第一偏移量和第一增益系数的参数计算子模块。

相应地，本实用新型实施例还提供了一种红外图像处理系统，设有用于进行军事或商业应用的红外图像应用装置，所述红外图像处理系统还设有连接于所述红外图像应用装置的、如上所述的红外图像处理装置。

本实用新型实施例的红外图像处理装置及系统的有益效果是：通过对常温黑体的红外图像采用两点校正法和一点校正法对标定的第一偏移量和第一增益系数再次修正，且使用修正后的参数进行非均匀性校正，从而有效提高了红外图像质量，降低了红外非均匀性，所述装置的移植性好。

附图说明

图1是本实用新型实施例的红外图像处理方法的流程示意图。

图2是本实用新型实施例的红外图像处理装置的功能模块示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例的红外图像处理装置及系统通过采用对常温黑体的红外图像采用两点校正法和一点校正法对标定的第一偏移量和第一增益系数进行再次修正，得到的标定参数更精确，且使用修正后的参数进行非均匀性校正，从而有效提高红外图像质量，降低红外非均匀性，所述方法的适应性强，运算速度快，能实现红外图像实时校正；硬件结构简单可靠，可移植性好，能方便地嵌入到其它红外图像的应用系统中，大大缩短产品的开发周期，降低成本，便于产品升级。所述装置的移植性好。

请参考图1，本实用新型实施例的红外图像处理方法是基于对低温黑体和高温黑体标定生成的用于非均匀性校正的数据，所述数据至少包括第一偏移量、第一增益系数、盲元地址、盲元数据及低温黑体和高温黑体分别对应的第一响应值和第二响应值，所述红外图像处理方法包括：

标定判断步骤：判断是否需要进行标定，若收到用户输入的标定指令则进入标定步骤；否则，进入常温黑体成像步骤。

标定步骤包括：

高温黑体成像子步骤：置高温黑体于红外传感器前，使红外传感器每个像元接受均匀高温辐射，采集并读取高温黑体对应的第二响应值。

低温黑体成像子步骤：置低温黑体于红外传感器前，使红外传感器每个像元接受均匀低温辐射，采集并读取低温黑体对应的第一响应值。

盲元标记子步骤：对读取的所述低温黑体和高温黑体的分别对应的第一响应值和第二响应值标记盲元，得到包括盲元地址和盲元数据的盲元信息。

参数校正子步骤：采用两点校正法对标记过盲元的第一响应值和第二响应值进行处理得到所述第一偏移量和第一增益系数，参数校正子步骤中使用计算公式为，第一增益系数：

第一偏移量：

其中，i表示像元的第一轴坐标，j表示像元的第二轴坐标(本说明书中第一轴为X轴或Y轴，对应地第二轴为Y轴或X轴)，T1、T2表示低、高温黑体的区分标记，G_ij表示坐标为ij的像元的第一增益系数，Y^T1和Y^T2分别表示对标定时生成并存储的低、高温黑体的第一响应值、第二响应值求取的算术平均值，

分别表示标定时生成并存储的坐标为ij的像元对应于低、高温黑体的第一响应值、第二响应值，Q_ij表示坐标为ij的像元的第一偏移量。

若不需要进行标定或参数校正子步骤之后则进入常温黑体成像步骤，即所述红外图像处理方法还包括：

常温黑体成像步骤：置常温黑体于红外传感器前，使红外传感器每个像元接受均匀常温辐射，采集并读取此时的常温黑体对应的第三响应值。本实施方式中，常温黑体采用位于镜头和红外传感器之间的黑色档板，所述黑色挡板可移动遮盖住红外传感器。

偏移量修正步骤：使用所述第一偏移量和增益系数且采用两点校正法和一点校正法对常温黑体的第三响应值进行处理得到第二偏移量和第二增益系数，计算方法如下：先使用计算公式Y_ij＝G_ij·X_ij+Q_ij计算出常温黑体的第三响应值中国所有像元经过两点校正后的值Y_ij，并求其算术平均值Y^T3，再使用公式Q′_ij＝Q_ij+Y^T3-Y_ij得到每个像元修正后的中间偏移量；偏移量修正步骤还包括浮点至定点转换、去符号处理子步骤，计算方法为：对中间偏移量存储前(送入FPGA的RAM之前)进行去符号处理，得到第二偏移量：Q″_ij＝A+Q_ij+Y^T3-Y_ij，对标定生成的第一增益系数存储前(送入FPGA的RAM之前)进行浮点转换至定点的计算，得到第二增益系数：

上述公式中，T1、T2及T3表示低温黑体、高温黑体及常温黑体的区分标记，i表示像元的第一轴坐标，j表示像元的第二轴坐标，G_ij表示坐标为ij的像元的第一增益系数，X_ij表示常温黑体的坐标为ij的像元的第三响应值，Q_ij表示坐标为ij的像元的第一偏移量，Q′_ij表示坐标为ij的像元的中间偏移量，Y_ij表示常温黑体的坐标为ij的像元的第三响应值经过两点校正后的值，Y^T3表示对Y_ij求取的算术平均值，Q″_ij表示对中间偏移量去符号处理后的第二偏移量，A表示为保证去符号处理后的第二偏移量为正值而相加的数值，B表示放大倍数，且B为1024的正整数倍，G′_ij表示转换为定点数后的坐标为ij的像元的第二增益系数，分别表示标定时生成并存储的坐标为ij的像元对应于低、高温黑体的第一响应值、第二响应值，Y^T1和Y^T2分别表示对标定时生成并存储的低、高温黑体的第一响应值、第二响应值求取的算术平均值。本实施方式中，A优选为8191，B为1024的1倍至10倍，优选为1倍即B为1024。

目标物成像步骤：移开常温黑体，采集并读取目标物对应的第四响应值。

盲元替换步骤：对目标物的第四响应值中所述带有盲元标记的像元进行替换，本实施方式中，盲元标记是在盲元数据的最高位标记为1。其中，所述盲元替换步骤中的替换是将所述盲元地址对应的盲元数据用其物理地址周围的4个～8个像元的像元数据的算术平均值代替，本实施方式中优选为8个像元，利用FPGA中的移位寄存器获取与盲元空间上相邻的8个像元并利用其算术平均值代替盲元值。

非均匀性校正步骤：采用第二偏移量和第二增益系数对盲元替换后的目标物的第四响应值实时进行非均匀性校正。具体地，目标物的第四响应值种对应的像元数据和像元地址一并送入非均匀性校正模块，非均匀性校正模块依据像元地址取出对应的第二偏移量和第二增益系数，利用公式Y′_ij＝(G′_ijmodC)·X′_ij/B+Q″_ij-A对盲元替换后的目标物的第四响应值实时进行非均匀性校正，其中，i表示像元的第一轴坐标，j表示像元的第二轴坐标，Y′_ij表示目标物的坐标为ij的像元的第四响应值经过校正后的值，参数G′_ijmodC表示对转换为定点数后的坐标为ij的像元的第二增益系数G′_ij除以C取余，且C为1024的正整数倍，X′_ij表示目标物的坐标为ij的像元的第四响应值，Q″_ij表示坐标为ij的像元的第二偏移量。C为1024的1倍至10倍，本实施方式中优选为2倍即为2048。

红外图像输出步骤：对非均匀性校正后的红外图像实时转换为预定格式并输出。

温度判断步骤：红外图像输出的同时，实时监测外界环境温度并判断温度变化是否超出预定范围，若是则返回常温黑体成像步骤，以对第一偏移量和第一增益系数进行再次修正。

请参考图2，本实用新型实施例的红外图像处理装置为红外热像仪，所述红外图像处理装置包括：红外传感器10、校正单元20、图像输出模块30和控制模块40。

红外传感器10用于感测采集低温黑体、高温黑体、常温黑体及目标物分别对应的第一、第二、第三及第四响应值。

校正单元20用于进行红外非均匀性校正，其上集成有存储模块21、偏移量修正模块22、盲元替换模块23、非均匀性校正模块24及温度判断模块27。

存储模块21存储有基于对低温黑体和高温黑体标定生成的用于非均匀性校正的数据，所述数据至少包括第一偏移量、第一增益系数、盲元地址、盲元数据、第一响应值及第二响应值等。

偏移量修正模块22用于使用第一偏移量和第一增益系数且采用两点校正法和一点校正法对常温黑体的第三响应值进行处理得到第二偏移量和第二增益系数。

盲元替换模块23连接于偏移量修正模块22，用于对目标物的第四响应值中所述盲元地址对应的盲元数据进行替换，具体地，是对所述盲元数据用其物理地址周围的4个～8个像元的像元数据的算术平均值代替。

非均匀性校正模块24连接于盲元替换模块23，用于采用第二偏移量和增益系数对盲元替换模块处理过的目标物的第四响应值实时进行非均匀性校正并传送给图像输出模块30输出。具体地，获取目标物的红外图像对应的像元数据和像元地址，并依据像元地址取出对应的第二偏移量和第二增益系数，采用第二偏移量和第二增益系数对盲元替换模块处理过的目标物的第四响应值实时进行非均匀性校正并传送给图像输出模块30输出，使用公式Y′_ij＝(G′_ijmodC)·X′_ij/B+Q″_ij-A对盲元替换后的目标物的第四响应值实时进行非均匀性校正，其中，i表示像元的第一轴坐标，j表示像元的第二轴坐标，Y′_ij表示目标物的坐标为ij的像元的第四响应值经过校正后的值，参数G′_ijmodC表示对转换为定点数后的坐标为ij的像元的第二增益系数G′_ij除以C取余，且C为1024的正整数倍，X′_ij表示目标物的坐标为ij的像元的第四响应值，Q″_ij表示坐标为ij的像元的第二偏移量。

图像输出模块30连接于校正单元20，用于对非均匀性校正模块24传送的红外图像进行输出。

温度判断模块27连接于非均匀性校正模块24，用于在红外图像输出的同时，实时监测外界环境温度并判断温度变化是否超出预定范围，若是则由控制模块40控制返回常温黑体成像步骤，以对第一偏移量和第一增益系数进行再次修正。

控制模块40连接并用于控制红外传感器10、校正单元20及图像输出模块30相互配合地工作。

所述红外图像处理装置还设有标定判断模块25及标定模块26。

标定判断模块25连接于标定模块26和偏移量修正模块22，用于判断是否需要进行标定，其依是否收到用户输入的标定指令判断是否需要进行标定。

标定模块26用于进行初始化的标定操作，以获取第一偏移量和第一增益系数。标定模块26包括盲元标记子模块261和参数计算子模块263。所述标定判断模块25、盲元标记子模块261和参数计算子模块263也集成于所述校正单元20中，所述校正单元20、控制模块40及图像输出模块30集成于一FPGA校正电路中(图中未示)。

盲元标记子模块261连接于标定判断模块25，用于对读取的低温黑体和高温黑体对应的第一响应值和第二响应值标记盲元，即在盲元数据的最高位标记为1，以便后续查找使用。

参数计算子模块263连接于盲元标记子模块261，用于采用两点校正法对盲元标记子模块261所标记过盲元的第一响应值和第二响应值进行处理以得到并存储第一偏移量和第一增益系数。

本实用新型实施例的红外图像处理装置的工作原理为：所述红外图像处理装置上电开启后，控制模块40便控制红外传感器10、校正单元20及图像输出模块30相互配合地进行工作，首先，标定判断模块25判断是否需要进入标定状态，若是，则进入标定状态。其中，确定进入标定状态是出厂前需进行设置或至计量机构重新标定；接着进入标定状态后，先置均匀的高温黑体置于红外传感器10前，使红外传感器10各个探测元接收到高温黑体辐射而得到高温黑体的第二响应值；再将均匀的低温黑体置于红外传感器10前，使红外传感器10各个探测元接收到低温黑体辐射而得到低温黑体的第一响应值；然后，盲元标记子模块261对所述低温黑体和高温黑体的第一响应值和第二响应值标记盲元，参数计算子模块263采用两点校正法对标记过盲元的第一响应值和第二响应值进行处理得到第一偏移量和第一增益系数，再将第一偏移量和第一增益系数发送至存储模块21进行存储，至此便完成标定过程。其中，采集到的红外图像数据包括像元地址和像元数据，分别由地址输入通道和数据输入通道输入，像元地址和像元数据有严格的一一对应关系，盲元标记和盲元替换均是依据像元地址进行操作。

若标定判断模块25判断不需要进入标定状态，首先，红外图像处理装置驱动使常温黑体置于红外传感器10前，本实施方式中，常温黑体采用黑体挡板，红外传感器10各个探测元接收到常温黑体辐射而得到常温黑体的第三响应值；其次，偏移量修正模块22使用第一偏移量和第一增益系数且采用两点校正法和一点校正法对常温黑体的第三响应值处理得到第二偏移量和第二增益数；再次，红外图像处理装置驱动使黑体挡板移开，红外传感器10对准目标物使各个探测元接收到目标物辐射而得到目标物的第四响应值；然后，盲元替换模块23对目标物的第四响应值中所述盲元地址对应的盲元数据用其物理地址周围的8个像元的像元数据的算术平均值代替；接着，非均匀性校正模块24采用第二偏移量和第二增益系数并利用公式Y′_ij＝(G′_ijmodC)·X′_ij/B+Q″_ij-A对盲元替换后的目标物的第四响应值实时进行非均匀性校正，最后，红外图像输出模块30对非均匀性校正后的红外图像实时转换为预定格式并输出；红外图像输出的同时，温度判断模块27实时监测外界环境温度并判断温度变化是否超出预定范围，若是则返回常温黑体成像步骤，以对第一偏移量和第一增益系数进行再次修正，若否则继续监测。

以上所述是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种红外图像处理装置，其特征在于，设有用于感测采集低温黑体、高温黑体、常温黑体及目标物分别对应的第一、第二、第三及第四响应值的红外传感器、存储有基于对低温黑体和高温黑体标定生成的用于非均匀性校正的数据的存储模块及用于输出红外图像的图像输出模块。

2.一种红外图像处理系统，设有用于进行军事或商业应用的红外图像应用装置，其特征在于，所述红外图像处理系统还设有如权利要求1所述的红外图像处理装置，所述红外图像处理装置连接于所述红外图像应用装置。

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