红外图像显示算法研究及其实现

魏 挺，苗 毅，鹿 琦（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）



红外图像显示算法研究及其实现

魏 挺，苗 毅，鹿 琦
（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）

摘要：通过对直方图显示变换算法的分析、研究，最终选取平台直方图法并结合Visual C++6.0编程语言开发了红外图像格式转换软件，使得在红外图像的处理过程中提高图像显示质量的同时，还摆脱了原有软件狗的限制。

关键词：红外图像；平台直方图算法；VC

0　引言

红外热像仪由于其自身测温速度快、测温范围大和不干扰被测表面温度场等特点，被广泛的应用于各个领域。然而，主流产品价格昂贵，产品间图像格式不通用，且配套软件价格不菲，并带有软件狗加密保护，增加数据处理难度。在此情况下，我们根据红外图像的特点，选取平台直方图算法，针对具体的图像格式，采用Visual C++6.0语言编写转换软件，将图像转换成通用格式（AVI 或BMP等），为红外图像的处理提供了方便，并扩展了应用范围。

1　热像显示算法

在热成像系统中，通常存在信号源动态范围大和显示输出动态范围小的矛盾。解决此问题，一般采用直方图显示变换算法，它包括直方图均衡算法（HE）、直方图投影算法（HP）和平台直方图算法（PE）。

1.1直方图均衡算法

一幅图像的灰度级可被视为区间［0，1］的随机变量。假定对每一个瞬间它们是连续变量，那么可以用它们的概率密度函数Pr（r）和Ps（s）分别表示原始图像和变换图像的灰度级。如果Pr（r）和变换函数T（r）已知，且T（r）在区间［0，1］中单调递增，则s的概率密度函数为：

因此，变换变量s的概率密度函数由输入图像的灰度级概率密度函数和所选择的变换函数决定。假设变换函数为：

其中ω是积分变量。（2）式右部为随机变量r的累积分布函数，并且单调地从0增加到1。对（2）式r求导并带入（1）式，得到

由（3）式可知，在变换后s定义域内概率密度是均匀分布。用r的积累分布函数作为变换函数可产生灰度级分布为均匀概率密度的图像。其结果扩展了像素取值的动态范围。

对于数字图像，我们引入离散形式的公式。当灰度级是离散值的时候，用频数近似代替概率值，即

（4）式中，L是灰度级的总数目，Pr（rk） 是取第k级灰度值的概率，nk是在图像中出现第k级灰度的次数，n是图像中像素总数。（2）式中变换函数的离散形式为

最后根据变换系数求出各象素点对应的灰度值

由（7）式可以看出，HE算法是把原始图像的灰度直方图从比较集中的某灰度区间变成全部灰度范围内的均匀分布。对于面目标采用能起到很好的图像增强效果，对于点目标将提升图像的背景和噪声。针对算法的缺陷，后人又提出了HP算法和PE算法。

1.2直方图投影算法

HP算法原理和HE算法一样，HE算法中每一灰度的权重由像素数目决定，而HP算法中，有像素的灰度权重取1，无像素的灰度权重取0，即：

HP算法是能将背景、噪声和细节同时提升，使目标细节较为明显，但是背景并不分明。散粒噪声偏大时，算法会使大面积的背景灰度产生“推挤效应”，使图像产生闪动。

1.3平台直方图法

PE算法是HE算法和HP算法的改进算法。它与HE算法的区别在于PE算法对灰度的权重设置了一个上限平台值，大于该平台值的权重取为该平台值，平台直方图表示如下：

由（8）式可以看出，PE算法的本质是利用上限平台值限制了背景和噪声的提升，为细节提升留出空间，使得整体图像能得到很好的增强效果。一般来讲，平台值抬高，图像整体对比度增强，背景层次分明，目标细节模糊；平台值降低，目标细节提升，图像整体对比度下降，颗粒噪声的影响明显。因此，需要根据具体情况选择合适的平台值。

分析可知PE算法是目前最有实用价值的算法，因此本软件选择PE算法作为红外图像显示的中心算法。

2　软件的总体设计

根据使用要求，本软件主要由三部分组成：1）图像数据读取模块：读取红外图像文件，按既定格式读入参数和原始信息，统计图像的平台直方图，得到图像比特映射表；2）BMP图像生成模块：创建BMP文件，查找比特映射表并将图像进行灰度映射，得到对应的灰度图像；3）AVI文件生成模块：创建AVI视频文件，将图像中每一帧所成的BMP灰度图像顺序写入视频文件，最终使连续多帧的红外图像转换为普通播放器可播放的AVI视频文件。

3　软件测试结果

处理单帧红外图像时，可通过调节量化范围，改变对比度，在不同程度上显示图像细节；处理连续帧红外图像时，程序可根需求转成若干个*.avi文件，便于拷贝播放。

图像转换效果如图3所示，改变上限平台值，使图像对比度和细节都有不同程度变化，要根据图像特点，选择合适平台值，使图像效果更清晰。AVI文件的截图见图4，转换后的视频图像无细节损失，与热像仪配套软件回放效果相当。

4　结论

图1　软件运行流程图

图2　软件运行界面

图3　平台值改变前后图像的对比

本文参考红外热像仪数据文件格式，选择PE算法。编写的图像格式转换软件，交互界面良好，转换结果满足要求，摆脱了热像

仪配套软件的限制，为国内红外专业研究提供方便。

热像仪CCD本身的象素坏点，本软件并没有作修复，将连续帧图像转换成AVI时，由于计算量大，使软件运行时间偏长。以上两点可采用中值滤波和DSP或FPGA硬件编程实现。

参考文献

［1］（美）Rafael C.GonzalezRichard E.Woods著，阮秋琦 阮宇智等译.数字图像处理电子工业出版社.2007

［2］刘志才，李志广，红外热像仪图像处理技术综述。红外技术，2000，22（6）：27～32

［3］Vickers V E.， Plateau equalization algorithm for realtime display of high-quality infrared imagery.Opt.Eng. ，1996，35（7）：1921～1926

［4］精通Visual C++.NET图像处理编程.周长发.电子工业出版社.2002

图4　转换后视频文件截图

Research and Realization of infrared image display algorithm

Wei Ting，Miao Yi， Lu Qi
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an Shaanxi，710089）

Abstract：Through display of histogram transform algorithm analysis and research，and ultimately selected platform histogram method and infrared image format conversion software is developed with Visual C + + 6.0 programming language，making in infrared image processing to improve the image display quality at the same time，also placed off limits of the original software dog.

Keywords：infrared image； platform histogram algorithm；VC