現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)器多采用擋板校正進(jìn)行非均勻性校正，影響了紅外探測(cè)器的觀測(cè)效果與目標(biāo)搜跟。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)與光電技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)器新型場(chǎng)景校正方法”為主題的文章。該文章第一作者為劉品偉，主要從事紅外技術(shù)方面的研究工作。

本文提出了基于國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)器的新型場(chǎng)景校正方法。該方法包含兩部分：第一部分是基于高頻非均勻性的場(chǎng)景校正；第二部分是基于低頻非均勻性的場(chǎng)景校正。通過對(duì)不同頻域非均勻性分別進(jìn)行處理來(lái)去除探測(cè)器響應(yīng)的非均勻性。

國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)器非均勻性分析

國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)器工作過程中，探測(cè)器的狀態(tài)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生緩變，從而導(dǎo)致圖像非均勻性的變化。圖1所示是以黑體為目標(biāo)的具有較強(qiáng)非均勻性的非制冷紅外圖像。

圖1 具有較強(qiáng)非均勻性的非制冷紅外圖像

非均勻性包括低頻非均勻性與高頻非均勻性兩部分。低頻非均勻性表現(xiàn)為全局灰度分布不均勻，在圖像中表現(xiàn)為平緩的明暗變化，如圖像四周與中心灰度值差別大，如圖2所示。低頻非均勻性主要是由探測(cè)器及鏡頭不同位置溫度變化不均勻引起的。高頻非均勻性表現(xiàn)為局部區(qū)域灰度值劇烈變化，在圖像中表現(xiàn)為亮暗點(diǎn)或條紋。高頻非均勻性主要是探測(cè)器的響應(yīng)不均勻引起的，如圖3所示。

圖2 低頻非均勻性的三維顯示

圖3 9×9鄰域內(nèi)高頻非均勻性的三維顯示

傳統(tǒng)的場(chǎng)景校正方式很少涉及對(duì)低頻非均勻性的消除，而對(duì)高頻非均勻性的消除容易產(chǎn)生“鬼影“等副作用，同時(shí)消除低頻與高頻非均勻性才能真正提高圖像質(zhì)量。因此，本文將針對(duì)高頻與低頻非均勻性，采用不同的場(chǎng)景校正方法處理。

基于高頻非均勻性的場(chǎng)景校正

國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)器在工作過程中，隨著探測(cè)器整體溫度的變化，由于探測(cè)器響應(yīng)的不均勻性，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的高頻非均勻性，具體在圖像上表現(xiàn)為散粒及細(xì)條紋，如圖4所示。

圖4 高頻非均勻性的不同類型

目前常用的場(chǎng)景校正算法有恒定統(tǒng)計(jì)法、時(shí)域高通濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法、基于圖像配準(zhǔn)的校正算法等。這些算法能夠在一定程度上根據(jù)場(chǎng)景的信息自適應(yīng)地補(bǔ)償熱像儀的增益和偏置的漂移，但是在實(shí)際使用過程中，這類算法存在各種各樣的使用限制條件。以傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景校正算法為例，該算法要求場(chǎng)景信息不斷變化，否則會(huì)造成圖像退化或者模糊，并且如果圖像中存在較強(qiáng)邊緣信息，該算法容易導(dǎo)致圖像出現(xiàn)“鬼影”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。

對(duì)此，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型場(chǎng)景校正算法來(lái)消除圖像退化和“鬼影”現(xiàn)象。首先分析圖像退化與“鬼影”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。當(dāng)原始圖像中存在較強(qiáng)的邊緣信息時(shí)，低通濾波會(huì)使邊緣信息產(chǎn)生損失，預(yù)測(cè)圖像會(huì)產(chǎn)生模糊失真現(xiàn)象。若場(chǎng)景保持靜止不動(dòng)，隨著場(chǎng)景校正參數(shù)的不斷更新，圖像就會(huì)逐漸退化失真；若場(chǎng)景長(zhǎng)期靜止后開始運(yùn)動(dòng)，圖像就會(huì)包含靜止圖像中損失的邊緣信息，也就是“鬼影”現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)場(chǎng)景校正算法產(chǎn)生的“鬼影”現(xiàn)象

為了解決傳統(tǒng)場(chǎng)景校正算法存在的問題，提出了一種基于中值濾波的自適應(yīng)場(chǎng)景校正算法。由于高頻非均勻性中包含大量的散粒非均勻性，同時(shí)為了更好地保留圖像的邊緣信息，該算法采用中值濾波作為濾波器，中值濾波半徑r = 2。同時(shí)采用時(shí)空聯(lián)合閾值作為校正判斷條件，選擇更新系數(shù)與校正區(qū)域。時(shí)空聯(lián)合閾值分為兩個(gè)閾值條件：時(shí)域連續(xù)運(yùn)動(dòng)條件與空域鄰域均勻性條件。針對(duì)高頻非均勻性的場(chǎng)景校正算法流程圖如圖6所示。

圖6 高頻非均勻性場(chǎng)景校正算法流程圖

分別用此算法與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景校正算法對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，比較兩種算法是否具有“鬼影”現(xiàn)象。將熱像儀靜止工作500幀后，觀察兩種方法處理后的運(yùn)動(dòng)圖像。可以看到，該算法基本沒有“鬼影”現(xiàn)象，而傳統(tǒng)算法“鬼影”現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，該算法能夠有效地抑制“鬼影”現(xiàn)象。

圖7 本文方法與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“鬼影”現(xiàn)象比較

基于低頻非均勻性的場(chǎng)景校正

高頻非均勻性去除后，圖像仍殘留有大量的低頻非均勻性。低頻非均勻性在非制冷探測(cè)器開始工作時(shí)較弱，隨著探測(cè)器及鏡頭溫度的變化，圖像的低頻非均勻性會(huì)逐漸增加，在圖像上表現(xiàn)為四角與中心灰度值差別較大。如圖8所示，可以看到，圖像灰度分布不均勻，四周有明顯的光圈，影響圖像觀感與圖像質(zhì)量。

圖8 低頻非均勻性對(duì)圖像的影響

這里提出了一種基于時(shí)空聯(lián)合低頻濾波的場(chǎng)景校正方法，通過在時(shí)域和空域同時(shí)進(jìn)行低通濾波，分離出圖像的固定低頻非均勻性并進(jìn)行去除。

由于探測(cè)器輸出圖像的低頻非均勻性在短時(shí)間內(nèi)位置保持不變，當(dāng)圖像產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過時(shí)域低頻濾波對(duì)低頻非均勻性進(jìn)行分離去除，因此首先需要判斷場(chǎng)景是否處于運(yùn)動(dòng)中。這里仍采用上節(jié)提到的連續(xù)運(yùn)動(dòng)條件來(lái)判斷場(chǎng)景是否處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)中。當(dāng)場(chǎng)景處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用基于自適應(yīng)時(shí)間常數(shù)的時(shí)域低頻濾波來(lái)篩選圖像的低頻信息。

時(shí)域?yàn)V波結(jié)果包含低頻非均勻性與部分邊緣細(xì)節(jié)信息，因此還需要對(duì)在空域上進(jìn)行低通濾波，以消除存在的邊緣信息細(xì)節(jié)，達(dá)到獲取低頻非均勻性的目的。采用均值濾波進(jìn)行空域的低通濾波。

為了驗(yàn)證此場(chǎng)景校正算法的效果，對(duì)僅處理高頻非均勻性的圖像與高頻低頻非均勻性均處理的圖像進(jìn)行比較，如圖9所示。可以看到，此算法對(duì)低頻非均勻性有良好的處理效果，能夠有效地減少圖像四周與中央灰度差異較大的問題。

圖9 運(yùn)動(dòng)200幀后是否處理低頻非均勻性圖像對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證此場(chǎng)景校正算法的效果，使用兩臺(tái)相同規(guī)格的紅外機(jī)芯，第一臺(tái)僅對(duì)高頻非均勻性進(jìn)行處理，第二臺(tái)對(duì)高頻低頻非均勻性都進(jìn)行處理，均在運(yùn)動(dòng)條件下連續(xù)工作1 h后，對(duì)同一溫度黑體成像，計(jì)算其圖像非均勻性。結(jié)果表明，僅處理高頻非均勻性的圖像非均勻性為2.3%，而對(duì)高頻低頻非均勻性都進(jìn)行處理的圖像非均勻性為0.5%，該算法有利于提高輸出圖像的均勻性。

算法總體流程及效果圖

本文算法首先通過連續(xù)運(yùn)動(dòng)條件判斷場(chǎng)景是否處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)中，若處于運(yùn)動(dòng)過程則分別更新高頻與低頻非均勻性處理模塊校正參數(shù)，然后進(jìn)行非均勻性校正；否則直接進(jìn)行非均勻性校正，整體流程如圖10所示，最終效果如圖11所示。

圖10 本文算法流程圖

圖11 最終校正輸出結(jié)果

結(jié)論

本文提出了一種基于非制冷紅外探測(cè)器的新型場(chǎng)景校正方法。首先通過改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景校正方法濾除高頻非均勻性，在此基礎(chǔ)上通過時(shí)空聯(lián)合的低頻濾波去除低頻非均勻性，得到最終校正結(jié)果。該方法具有良好的校正效果，并且能夠有效地抑制“鬼影”現(xiàn)象，有利于非制冷紅外探測(cè)器的推廣應(yīng)用。

審核編輯：劉清