殷金堅，王 赫，尹 煉，陳 盈

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

基于圖像灰度統(tǒng)計分布的熱干擾自動消除技術(shù)

殷金堅，王 赫，尹 煉，陳 盈

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

針對熱像儀特殊的工作環(huán)境，詳細(xì)分析了熱像儀中的熱干擾問題，提出了一種基于圖像灰度分布統(tǒng)計的自動熱干擾消除技術(shù)，并從圖像處理和成像的角度闡述了自動熱干擾消除技術(shù)的可行性和實用性。最后通過試驗驗證了措施的有效性。

熱像儀;熱干擾;圖像處理

1 引 言

根據(jù)國軍標(biāo)GJB150A－2007規(guī)定，軍用熱像儀的工作溫度為－40～55℃。尤其制冷型熱像儀的制冷機(jī)在不斷產(chǎn)生熱量，在密閉腔體內(nèi)的熱像儀的環(huán)境溫度變化更劇烈，可達(dá)－40～80℃。熱像儀由于光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料的熱不穩(wěn)定性，多數(shù)紅外光學(xué)材料的折射率隨溫度變化而變化，從而導(dǎo)致目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)過紅外光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)紅外探測器的能量不均勻，產(chǎn)生圖像的不均勻［1］，最突出的現(xiàn)象是環(huán)境溫度升高時，圖像會出現(xiàn)一定程度的白圈，反之會出現(xiàn)一定程度的黑圈，如圖1所示。這種現(xiàn)象我們稱之為“熱干擾”。

2 熱干擾的分析

熱像儀通過接收目標(biāo)熱輻射來工作，接收到的熱輻射主要由三部分組成:①目標(biāo)輻射;②直接到達(dá)探測器的內(nèi)部輻射;③通過透鏡表面的反射到達(dá)探測器的內(nèi)部輻射，這其中包括鏡筒的熱輻射與探測器自身的冷輻射，即一次冷反射像(Narcissus)［2］。這些內(nèi)部輻射都將對圖像造成致命的干擾，產(chǎn)生固有的圖像缺陷。

圖1 紅外圖像熱干擾現(xiàn)象

選取熱干擾現(xiàn)象比較明顯的55℃高溫進(jìn)行分析。分別分析了熱像儀剛成像時的灰度分布和熱像儀隨環(huán)境溫度變化工作了20 min之后的圖像灰度分布，分析結(jié)果見圖2、圖3所示。圖中(a)為紅外圖像，圖(b)為灰度分布圖，中間往下的細(xì)線是圖像盲元，在此不做分析。

圖2 熱像儀剛成像時的圖像灰度分布

圖3 熱像儀成像20 min后的圖像灰度分布

通過分析可知，圖像的整體灰度隨著環(huán)境溫度的升高而升高，四周的變化更大。同時對同一圖片橫向的灰度數(shù)據(jù)也進(jìn)行了灰度分布分析，同樣發(fā)現(xiàn)了明顯的規(guī)律性，圖中縱坐標(biāo)表示歸一化的灰度分布，橫坐標(biāo)表示不同行在水平方向的像素數(shù)(1～ 320、321～640，…)，如圖4所示。

圖4 橫向灰度數(shù)據(jù)分析

結(jié)合熱像儀的成像過程進(jìn)行分析，熱像儀在最終輸出圖像前須經(jīng)過兩點校正［3－4］，以此來修正圖像的非均勻性，熱像儀兩點校正公式如公式(1):

式中，Y為圖像經(jīng)過兩點校正后輸出的灰度值;X為圖像兩點校正前輸出的灰度值;A為兩點校正增益參數(shù);B為兩點校正偏置參數(shù);C為兩點校正固定平臺值。

A參數(shù)為出廠時通過標(biāo)準(zhǔn)黑體設(shè)定，B參數(shù)通過執(zhí)行兩點校正后實時獲取，C參數(shù)為B參數(shù)的有效均值(剔除了盲元的影響)，通過公式(1)即可獲得均勻的圖像。

通過以上分析，可以在熱干擾比較嚴(yán)重時通過兩點校正的方式來消除熱干擾，而由于環(huán)境溫度變化的多樣性，可以通過實時獲取圖像的灰度梯度分布來執(zhí)行兩點校正。

3 圖像分布統(tǒng)計

對圖像進(jìn)行一周灰度均值統(tǒng)計，即以環(huán)形由四周向中心依次統(tǒng)計各圈的14位原始數(shù)據(jù)的灰度累加和均值，具體統(tǒng)計方法如圖5所示。對統(tǒng)計的32圈數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，將擬合后直線的斜率作為圖像是否出白圈(或黑圈)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 圖像的圈統(tǒng)計示意圖

在累加過程中，為了避免目標(biāo)的紅外輻射對累加結(jié)果的影響造成誤判，我們對圖像進(jìn)行了12等分分割，以30°角的扇區(qū)作為累加的一個區(qū)域，同時計算各個區(qū)域之間同一圈的灰度累加均值的情況，如果發(fā)現(xiàn)有某個區(qū)域的灰度值明顯和其他區(qū)域有差異，則舍棄該區(qū)域的數(shù)據(jù)，這樣可以盡可能的消除目標(biāo)景物對計算的干擾［5－6］。

圖像處理識別算法判據(jù)的流程如下圖所示:

圖6 圖像處理識別算法流程圖

4 實驗驗證及分析

為了驗證熱干擾現(xiàn)象的自動消除算法的有效性，將熱像儀放置在不同的環(huán)境溫度及場景下進(jìn)行了試驗，見圖7～圖9。

圖7 55℃環(huán)境溫度下熱干擾現(xiàn)象及自動消除

圖8 25℃環(huán)境溫度下熱干擾現(xiàn)象及自動消除

圖9 自然溫度下熱干擾現(xiàn)象及自動消除

從圖7～圖8可見，本文提出的根據(jù)圖像灰度統(tǒng)計的熱干擾自動消除算法切實可行，能有效解決熱像儀“熱干擾”問題，提升了熱像儀的環(huán)境適應(yīng)性。

5 結(jié)論

“熱干擾”對制冷型熱像儀的成像質(zhì)量造成一定的影響，本文針對此問題進(jìn)行了仔細(xì)分析，提出了基于圖像灰度統(tǒng)計的熱干擾自動消除算法，從根本上消除了“熱干擾”的影響，提升了熱像儀的環(huán)境適應(yīng)性。

［1］HAN Yuge，XUAN Yimin.The study and application of the IR feature of target and background［J］.Infrared Technology，2002，24(4):16－19.(in Chinese)

韓玉閣，宣益民.目標(biāo)與背景的紅外輻射特性研究及應(yīng)用［J］.紅外技術(shù)，2002，24(4):16－19.

［2］KANGWenxiu，GUAN Ronghua.Quantitative diagnosis of internal temperature and inner defect of the hollow cylinder-shaped heat equipment by using infraed technique［J］.Laser＆Infrared，2006，36(10):948－949.(in Chinese)

康文秀，關(guān)榮華.紅外測溫對圓筒設(shè)備內(nèi)部溫度及內(nèi)壁缺陷的定量檢測［J］.激光與紅外，2006，36(10): 948－949.

［3］SHEN Xiaoyan，PIDefu.Research of improving the Nonuniformity correction in IRFPAs［J］.Infrared Technology，2002，24(1):4－11.(in Chinese)

沈曉燕，皮德福.一種紅外焦平面非均勻性校正改進(jìn)方法的研究.紅外技術(shù)，2002，24(1):4－11.

［4］DAIShaosheng.New method of IRFPA nonuniformity correction with nonlinear response［J］.Opto Electronic Engineering，2008，35(4):121－125.(in Chinese)

代少升.紅外焦平面陣列非均勻性非線性校正新方法［J］.光電工程，2008，35(4):121－125.

［5］YUAN Shengzhi，LIHongzhou，YANG Libin.Research on infrared target image segmentation and compression based on transition region［J］.Laser＆Infrared，2009，39(3): 326－329.(in Chinese)

袁勝智，李洪周，楊利兵.基于過渡區(qū)的紅外目標(biāo)圖像分割與壓縮研究［J］.激光與紅外，2009，39(3): 326－329.

［6］YANG Xing，TONG Wuqin，WANG Qidong.Recognition algorithm for falsified license plate based on near infrared image matching-segmentation［J］.Laser＆ Infrared，2008，38(9):945－947.(in Chinese)

楊星，同武勤，王其東.基于近紅外圖像匹配分割的涂改車牌識別算法［J］.激光與紅外，2008，38(9): 945－947.

Auto elim inating technology of heat disturbance based on image gray statistics

YIN Jin-jian，WANG He，YIN Lian，CHEN Ying
(North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China)

Aiming at the problem of the heat disturbance of the IR thermal imager in its specialwork environment，an auto heat disturbance eliminating technology based on image gray statistics is presented.Then the feasibility and practicability of this technology are stated from image process and imaging.Finally the validity of this technology is verified through the experiments.

IR thermal imager;disturbance;image processing

TP391.4

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.023

1001-5078(2014)05-0585-03

殷金堅(1982－)，男，從事紅外熱成像技術(shù)研究。E-mail:dragon5007@126.com

2013-09-03;

2013-10-25