基于光学传递函数的红外图像热源复原

朱双双

摘要：为了复原红外图像的热源，采用了光学传递函数的方法复原热源图像。首先，根据光学传递函数，通过实验选取适当的参数值，从而获得热气流退化图像的点扩展函数。然后，采用Lucy-Richardson方法进行复原处理，对复原图像通过YIQ变换来复原其温度场彩色信息。最后，通过标线处灰度曲线以及边缘锐度（EvA）、标准差、熵的参数评价分析方法来对实验结果进行评价分析，热源图像利用光学传递函数复原后的EVA、标准差和熵分别有不同程度的提高，复原后图像的灰度曲线波动幅度明显大于原图。实验结果表明，基于光学传递函数的复原方法对红外图像的热源复原具有明显的效果。

关键词：图像处理;热源复原;光学传递函数;Lucy-Richardson;质量评价

中图分类号：TN219 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）31-0256-03

对于红外图像的复原是图像处理的一个非常重要的分支，在医学、物理等领域都有着广泛的应用。有关图像复原的研究最早开始于20世纪60年代，至今已经历五十多年的历史，经过50年多年的发展，国内外学者提出了大量的图像复原方法，但由于红外图像本身具有自身的特点，使得暂时还没有有效的红外图像处理方法。正是如此，才促使人们探索新的图像处理方法去充分地利用红外技术为科学技术服务。

对红外图像进行处理其实质是通过各种运算及变换来提取和增强图像中的有用信息，以达到识别我们感兴趣的目标的目的。红外图像处理方法和方案的选择是依赖处理的目的和红外图像本身的特点来确定的。

由于在红外热像仪拍摄热源图像的过程中，热源图像本身会产生热气流，因此所采集的热源图像受到热气流的影响，其图像的质量将会下降，变得失真、模糊、含有噪声。而热源图像所产生的热气流与光学传递函数密切相关。

因此，本文通过研究光学传递函数的特性，实验获得热气流的退化函数，并结合Lucy-Richardson算法来复原红外热源图像。

1红外图像复原原理

1.1热气流退化图像的点扩展函数

光学传递函数分为长曝光光学传递函数和短曝光光学传递函数，长曝光OTF定义为：

2热源图像复原质量评价

2.1主观评价

主观评价是指评价人以自己的主观感受来对热源复原图像的质量做出评价。这种评价能对复原图像进行方便、快速的评价，并且过程直观、简单，但是这种评价容易受到评价人的文化程度、生活环境、经验以及测试环境等诸多因素的影响，不同的评价人或者相同评价人在不同时刻评价的结果都可能存在一定的差异，同时也缺乏一个统一的标准来衡量，因此，需要先对复原图像进行主观评价，再进行客观定量评价。

2.2客观评价

客观质量评价方法的主要内容是：首先根据图像的特性选择合适的数学统计算法来计算图像中的信息，最后以数据的形式输出，以此来作为一种评价图像的质量的标准。

由于红外热源图像具有边界模糊的特点。因此，可采用边缘锐度（Edge Acutance value，EAV）的算法来评价红外热源复原的清晰度。复原的红外热源图像越清晰，其边缘也越清晰，边缘的灰度变化也越剧烈。清晰度评价的计算式如下：

3实验结果与分析

首先选用电加热片和圆形加热片作为实验对象，用红外热像仪FLIR E40对其红外热成像，然后根据光学传递函数，选取适当的参数值，并用Lucy-Richardson方法进行复原处理，最后对复原的灰度图像进行YIQ温度场还原。复原后的热源图像以及标线处的灰度曲线图如图1，2所示，由灰度曲线可知，复原后的电加热片和圆形加热片的灰度曲线波动幅度都明显大于原图，因此其清晰度都得到了明显的提高。

另外，对其他热源物体，其复原后的热源图以及标线处灰度曲线实验结果如下。

除了采用灰度曲线对比分析以外，还采用客观评价的方法对复原后的热源图像进行对比分析，主要采用EVA、标准差以及熵三种评价函数，评价结果如下表所示，由表1可知，采用光学传递函数复原后的电加热丝和圆形加热片的清晰度都得到了提高。

4结论

本文中提出了利用与热气流有关的光学传递函数的方法复原红外图像的热源，并分别分析了电加热片以及圆形加热片的复原结果。通过实验对比，从主观上看，光学传递函数复原后的标线处的灰度曲线比原图的波动幅度更大，使得热源边界清晰，对比度增强，达到热源复原的目的;从客观上看，由表1可知，电加热片利用光学传递函数复原后的EVA、标准差和熵分别提高了46.89%、7.17%和0.85%;圆形加热片利用光学传递函数复原后的EVA、标准差和熵分别提高了79.23%、2.65%和2.17%;管道利用光学传递函数复原后的EVA、标准差和熵分别提高了25.31%、6.94%和3.89%;发电机利用光学传递函数复原后的EVA、标准差和熵分别提高了28.88%、14.31%和5.95%。因此，采用與热气流有关的光学传递函数复原热源的方法能够使热源图像的清晰度得到提高，复原红外图像的热源的清晰度和对比度。这对红外热成像领域的热源的分析研究有着一定的实践意义与理论价值。