基于空中连续红外图像的可视化处理研究

张冬妍，贾明伟

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

非制冷焦平面（UFPA）红外探测器的发展，标志红外监测系统已经步入小型化和焦平面阵列[1]。针对UFPA的特点需要更适合的硬件处理系统的搭建使其更有针对性，简化的红外图像处理算法也是必要的。红外图像的可视化处理是红外图像处理过程中重要的一部分，以往的红外图像仅仅是压缩处理方便传输，例如朱梦宇等人提出的基于JEPG2000的红外系统的设计[2]和董怡等人提出边缘误差检测方法中提到的多层小波变换的压缩方法[3]，两种情况一是需要专门的硬件支持，二是压缩的方法计算量大都不适合实时监测。代少生等人的基于DSP的红外焦平面阵列非均匀性实时压缩校正研究[4]提出了利用灰度值压缩图像以方便存储，简化运算的思想，但其只针对非均匀校正。本文针对连续图像处理的特点搭建了可视化处理的硬件系统，提出了可变阈值选择性均匀映射的可视化处理方法，分析了飞机蒙皮温度数学模型，并以此为辐射源分析目标[5,6]，将空中背景的红外图像灰度值集中偏低且内部均匀的特点[7,8]与人眼的视觉在高亮度和低亮度条件下辨别能力低的特点[9,10]对应，保证图像压缩速度的同时，增强了图像质量，更适合处理连续红外图像。

1 可视化处理硬件系统搭建

可视化处理的硬件系统的构建以DSP为核心，负责系统整体的调度和图像的分析处理。利用CPLD完成视频图像的采集和初步处理。红外探测器选用UFPA取代了大型和需要制冷设备的IRFPA红外探测器，整个系统搭建以小型化，运算速度快为目标。硬件系统的流程如图1所示。

依据功能的不同，系统可分为两个模块即红外成像模块和图像处理模块。成像模块的主要职能是红外图像的成像及滤波。目标物体的红外影像经镜头汇聚成像后聚焦于探测器上，经过初步调整滤波后传入后级模块。在实际使用中，操控人员可以通过成像模块中的调焦机构调整成像位置，确保目标物体清晰。图像处理模块主要由 DSP、CPLD和必要的通讯接口外围电路组成。CPLD主要完成图像数据采集以及噪声剔除，DSP完成图像可视化和识别目标物体，计算相应的数据并通过Can总线和视频线发送给显示控制计算机。以上系统的搭建，使DSP对红外图像的分析和计算能力完全发挥，增加的片外存储单元了存储空间，更完整的记录连续图像的特点，为可视化处理以及后续的图像处理做好准备工作。

图1 硬件系统流程图Fig.1 Hardware system flow chart

2 图像的可视化处理

大部分UFPA采集图像后输入处理芯片的图像数据长度为14位二进制，灰度的最小精度为1/214；处理芯片输入到常规显示器的图像数据长度是8位二进制，灰度的最小精度是1/28。如果芯片处理的数据的单元长度为14位二进制，DSP的图像扫描时间变长，存储空间变大，尤其是图像边缘提取等运算的加入，运算时间会增加2～6倍，即使是运算速度1GHz的TMS320C6000系列的DSP在处理连续处理红外图像的过程中，也会出现图像显示的延迟和丢帧。对于可视化处理将14位二进制压缩成8位二进制的方法，本文对比研究了传统均匀映射、选择性均匀映射和可变阈值的选择性均匀映射。

2.1 传统的均匀映射

传统的均匀映射是将14位二进制最高位和最低位分别对应8位二进制最高位和最低位，建立如下灰度映射关系：

式中：W'—转化之后的灰度值；W—转化之前的灰度值；G1—转化系数；scale1和scale2为转化前后的灰度级，在本文分别为28和214。传统的均匀映射是机械的被动型映射，运算速度快，但没有对其成像的优化，背景和目标边缘不清晰，为后续图像处理的边缘分离和提取带来一定的难度。

2.2 选择性均匀映射

传统映射中的灰度直方图，高位和低位都没有或者很少有像元，为此，可将直方图两边的 “多余部分”去掉，映射到8位二进制灰度中，充分利用灰度的高位和低位，实现选择性均匀映射。选择性均匀映射需去掉多余部分，对此我们对目标和背景进行分析。空中目标以飞机为例，飞机一般采用涡轮发动机，羽流（尾后羽状废气柱流）一般温度在几百摄氏度，羽流中的分子浓度较低，一般不作为飞机的探测源（但是有可能会产生噪声），飞机在飞行中会与空气发生摩擦，由气动引起的蒙皮温度，并对外产生蒙皮辐射，研究中以此来作为飞机的探测源[5,6]。蒙皮温度计算公式：

式中：Ts—物体的蒙皮温度；T0—大气温度；M—飞机的速度（单位：马赫）。飞机的飞行速度一般在0.5～2.5Ma，取环境温度为10℃，可知飞机的蒙皮温度在50℃～340℃。理想化的天空背景辐射特性是由大气辐射的亮度和阳光的散度叠加而成，一般天空背景应包括云层，对其红外图像的分析可知，天空辐射的特点是温度低，亮度弱，但内部分布较均匀[7,8]，因此天空所成的背景都集中在灰度低的某一个范围内。有了背景和目标的分析，以及在UFPA上大量图像的实验数据，以该实验背景为条件，灰度映射：

式中：G2—转化系数；b—转化常数，当 W＜rT或W＞rD时舍去，对上式求解得：

将式（5）～（6）代入式（4）后得灰度转化：

所得灰度直方图如图2所示。

从上面的研究结果可见，选择性均匀映射把灰度两侧空白部分去掉，对图像对比度的优化处理，所得的目标与背景之间有较清晰的边缘，但背景整体偏暗，这对空中多目标的成像质量会有一定的影响，为此，研究了可变阈值的选择性均匀映射方法实现高质量的可视化处理。

2.3 可变阈值的选择性均匀映射

可变阈值的选择性均匀映射是对选择性均匀映射方法的改进，大部分情况中，目标所占的像元范围在（3×3）～（10×10）之间，由于所占的像元数量少，而相对噪声又比较大，不适合以此选取为阈值，因此本文在背景中选取合适的期望值。

可变阈值的选取是本方法的关键。一般来说，先分离出背景和目标，并对背景的图像进行对数正态分布或gamma分布的拟合并建模，求取其导数并选择导数最小的点来作为阈值，但是这样计算量太大不适合作为连续图像处理的方法。实际研究中只选取背景图像中的某一个或某几个较暗区域，并以均值来代替期望的阈值，实际验证误差不大于0.93%。例如红外镜头的分辨率是（384×288），在图像的四个角落各取48×36个像元，根据公式6和7，分别求出其灰度的均值和方差，根据高斯理论的 “3σ原则”，除去方差大于3倍的点（坏点、噪声）得到期望的均值，在8位二进制的低灰阶阶视觉盲点 （等级24以下人眼分辨不清）中选取合适的值与其对应。求取小于该阈值灰度的像元个数，将像元灰度按从高到低排列，去掉相同的像元个数后，所对应的灰度值作为其较高阈值，并与高灰阶视觉盲点 （200以上）合适的值对应，将不在映射部分的像元灰度值调整为W0或W1，得到更便于观察的红外图像，得到灰度映射：

式（8）和式（7）中i，j分别代表像元的横纵坐标，k表示该点的灰度。M，N表示分辨率的长度和宽度，本文即为48和36。

式中：W0为255，W1为0，rH和rL分别为可变阈值。其中rL=ε。

可变阈值方法的图像和直方图分别如图3、4所示，多目标如图5所示。

图3 可变阈值的红外图像Fig.3 Variable threshold value of the infrared image

图4 可变阈值的红外图像直方图Fig.4 Variable threshold value of the infrared image histogram

可变阈值的均匀映射的运算较快，进一步增强了对比度，适合人眼观察的同时，保证了监测的灰度范围。在多目标中也有良好的效果，并为图像的边缘分离和提取做好基础。实际验证，可变阈值的均匀映射算法优化情况下，每幅图像的处理时间约为7.8ms，完全满足了连续图像处理中画面流畅的要求。

3 结论

本文完成了针对UFPA红外探测器的小型化，运算速度快的要求的可视化处理系统的搭建，CPLD，DSP和片外存储单元的结合，充分发挥了DSP的计算能力，有效地为可视化处理以及图像处理的后续工作做准备。针对空中背景的连续红外图像可视化处理，提出可变阈值的选择性均匀映射方法，不同于传统压缩处理方法，分析空中目标和背景的特点，在背景灰度中寻求可变阈值的同时，简化了灰度压缩算法的处理，得到的红外图像目标清晰，轮廓明显，适当的增强了对比度，既保证了监测范围，又适合人眼观察。该方法的主要目标是提高图像压缩速度和成像质量，为后续图像处理做准备。在处理空中连续红外图像中，画面流畅，且对空中单一目标和多目标，简单背景和复杂背景均有很强的适应性，在民事领域将得到良好的应用。

[1]邢素霞，张俊举，常本康.非制冷红外热成像技术的发展与现状[J].红外与激光工程，2004，5.

[2]朱梦宇，杨裕亮.基于JPEG2000的实时红外图像压缩系统设计[J].激光与红外，2005，4.

[3]董怡，等.红外压缩图像的质量评价研究[J].光学技术，2007，33.

[4]代少升，袁祥辉.基于DSP的红外焦平面阵列非均匀性实时压缩校正研究[J].光子学报，2004，4.

[5]张可，黎宁，刘福美.一种飞行器蒙皮红外辐射图像生成方法[J].激光与红外，2011，3.

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