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新型紅外熱成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紅外、可見(jiàn)光圖像等信息數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)平臺(tái)前端實(shí)現(xiàn)圖像融合,并且由實(shí)際效果進(jìn)行分析,經(jīng)過(guò)主觀觀察,結(jié)合客觀指標(biāo),融合之后的圖像在效果的呈現(xiàn)上都要比單波段形成的圖像所能夠展現(xiàn)的信息更加的豐富,增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境的表達(dá)能力。

1 圖像融合系統(tǒng)構(gòu)建與調(diào)試

1.1 圖像融合系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn) 為了采集到紅外圖像、可見(jiàn)光圖像,需要以圖像融合為基礎(chǔ)構(gòu)建新型紅外熱成像系統(tǒng)。圖1為新型紅外熱成像系統(tǒng)組成原理圖。

圖1 新型紅外熱成像系統(tǒng)組成原理圖

由圖1能夠看出整個(gè)系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成,USB總線前端為圖像采集部分,PC機(jī)是對(duì)圖像進(jìn)行處理部分。物體發(fā)出紅外輻射經(jīng)由鏡頭捕獲最終成像,同時(shí)可見(jiàn)光也能夠通過(guò)鏡頭被對(duì)應(yīng)系統(tǒng)捕獲最終成像,之后的圖像經(jīng)過(guò)核心板完成數(shù)字化分析,在通過(guò)USB傳輸?shù)絇C端,接收到的信息主要應(yīng)用多線程完成對(duì)圖像的處理。線程能夠?qū)Λ@取到的圖像進(jìn)行接收,應(yīng)用圖像算法,最終將數(shù)據(jù)傳入到可視化框架當(dāng)中,圖像就會(huì)在顯示屏當(dāng)中顯像。核心板與傳輸板、紅外驅(qū)動(dòng)板與TEC驅(qū)動(dòng)板等通過(guò)插座完成連接,調(diào)整鏡頭、傳感器等的位置,調(diào)試當(dāng)中應(yīng)用的電源需要進(jìn)行的電流監(jiān)控,PC機(jī)在進(jìn)行圖像處理之后,就會(huì)在屏幕當(dāng)中成像。整個(gè)新型紅外熱成像系統(tǒng)的構(gòu)成需要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試,前端收集、傳輸以及數(shù)據(jù)處理等三部分不可或缺。

1.2 程序設(shè)計(jì)總體框架 Verilog語(yǔ)言是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)使用最為廣泛的技術(shù),通常流程是確定總體功能,由上至下將總體功能進(jìn)行系統(tǒng)劃分為不同模塊,在由不同模塊進(jìn)行細(xì)化處理,分成更小單位的單元設(shè)計(jì),最終應(yīng)用硬件語(yǔ)言完成對(duì)功能單元的設(shè)計(jì)。之后由下至上,逐級(jí)進(jìn)行綜合調(diào)整,最終會(huì)形成整體系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。而軟件設(shè)計(jì)就需要針對(duì)探測(cè)器和傳感器開(kāi)展,主要是控制配置、信息采集傳輸?shù)裙δ?。圖2為程序設(shè)計(jì)總體框架

圖2 程序設(shè)計(jì)總體框架

2 新型紅外熱成像系統(tǒng)算法

2.1 圖像融合算法實(shí)現(xiàn) 數(shù)字圖像其本質(zhì)就是巨大的數(shù)字矩陣,矩陣當(dāng)中不同的值都代表著相對(duì)應(yīng)的像素灰度值。圖像經(jīng)過(guò)處理時(shí),最基礎(chǔ)部分為圖像存放容器,容器設(shè)計(jì)直接關(guān)系到圖像處理的效率和質(zhì)量,容器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化,PC端采集到圖像,解包之后就可以將圖像存入到容器當(dāng)中,最后在進(jìn)行算法處理。紅外圖像分離之后進(jìn)行校正,校正也可以分為單點(diǎn)或者兩點(diǎn),將原始圖像當(dāng)中的非勻稱點(diǎn)去除,紅外圖像進(jìn)行去噪,采用高斯濾波;或者增強(qiáng),應(yīng)用非銳化掩膜。而對(duì)于可見(jiàn)光圖像也需要將其分離至容器當(dāng)中,利用高斯濾波或者中值濾波進(jìn)行去噪處理。紅外圖像、可見(jiàn)光圖像經(jīng)過(guò)濾波處理完成之后,分別對(duì)其進(jìn)行重樣采集,通常分辨率在400X300像素。透視變化矩陣在計(jì)算的時(shí)候需要在最初部分進(jìn)行保存,之后根據(jù)配準(zhǔn)程序進(jìn)行矩陣相乘,這種計(jì)算方式能夠降低耗時(shí),提升算法的實(shí)時(shí)性。

2.2 紅外圖像預(yù)處理算法 紅外圖像產(chǎn)生異質(zhì)性的因素主要來(lái)自器件本身的異質(zhì)性,用來(lái)放置紅外焦平面,由于制造工藝參數(shù)和每個(gè)像素的特性,存在差異,讀出電路單元之間也存在差異,即使是均勻的紅外輻射輸入,各像元的響應(yīng)也不一致,使得輸出圖像具有嚴(yán)重的異質(zhì)性。器件的工作狀態(tài)也會(huì)引入不均勻性,如器件本身的溫度、工作環(huán)境的溫濕度等;另外,探測(cè)器前端的光學(xué)系統(tǒng)也會(huì)引起不均勻性,如透鏡畸變、光軸偏移等。這種不均勻性會(huì)使圖像中的目標(biāo)變得模糊,幾乎無(wú)法分辨,這對(duì)紅外圖像的質(zhì)量有很大的影響。因此,必須對(duì)紅外圖像進(jìn)行非均勻性校正。

2.3 單點(diǎn)校正算法 單點(diǎn)校正是非均勻校正中最簡(jiǎn)單、最快的算法。單點(diǎn)校正假設(shè)紅外成像系統(tǒng)工作環(huán)境溫度穩(wěn)定,紅外輻射均勻,每個(gè)探測(cè)像素的增益非常接近。單點(diǎn)校正算法本身非常簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行,但作為參考源的均勻輻射靶板采集的幾幀圖像的質(zhì)量直接影響到最終的校正效果。另外,值得一提的是,在許多實(shí)際情況下,在采集參考圖像時(shí)沒(méi)有被輻射源照射的靶板,而是直接用擋板近似代替均勻的輻射源。此外,探測(cè)器的每個(gè)像素增益不可能非常接近,這導(dǎo)致單點(diǎn)校正的圖像效果不足。目前,單點(diǎn)校正算法在商業(yè)應(yīng)用中應(yīng)用較少,主要應(yīng)用于計(jì)算速度快、圖像質(zhì)量差的場(chǎng)合。

2.4 兩點(diǎn)校正算法 兩點(diǎn)校正算法探測(cè)器的響應(yīng)率在一定的時(shí)間范圍內(nèi)具有線性特性,噪聲是加性和乘性的,而紅外探測(cè)器的非均勻性是在相同的輸入下每個(gè)探測(cè)器像素具有不同的線性輸出響應(yīng)。兩點(diǎn)非均勻校正算法的實(shí)質(zhì)是以一條標(biāo)準(zhǔn)曲線為參考,對(duì)每個(gè)檢測(cè)像素的響應(yīng)曲線進(jìn)行變換,使同一輻射條件下的響應(yīng)曲線與該曲線重合。兩點(diǎn)校正算法是基于線性假設(shè)的,隨著非線性響應(yīng)的增大,校正效果必然惡化。在實(shí)際應(yīng)用中,一般將兩點(diǎn)法推廣到多個(gè)溫度段校正。在許多商業(yè)應(yīng)用中,溫度每變化1到2度,就會(huì)重新計(jì)算響應(yīng)度和偏差,生成多個(gè)查找表,然后使用像素響應(yīng)值來(lái)確定哪個(gè)查找表用于校正。

結(jié)論

紅外圖像算法的發(fā)展使實(shí)時(shí)校正技術(shù)更加完善,能夠?yàn)榧t外熱成像提供更加優(yōu)質(zhì)的校正效果,使新型紅外熱成像系統(tǒng)的圖像處理算法得到優(yōu)化,在新型紅外熱成像系統(tǒng)中,通過(guò)系統(tǒng)前端進(jìn)行的原始圖像可以直接傳輸?shù)狡脚_(tái)系統(tǒng)當(dāng)中,不需要經(jīng)過(guò)其他處理,圖像的處理主要是由平臺(tái)系統(tǒng)中FPGA處理完成,這樣能夠降低CPU計(jì)算資源消耗,這種移植方式會(huì)對(duì)圖像完成濾波或者插值。如果使相對(duì)復(fù)雜的圖像也可以直接經(jīng)過(guò)CPU進(jìn)行計(jì)算處理,多種的計(jì)算處理方式實(shí)現(xiàn)了圖像計(jì)算與快速處理的同時(shí)準(zhǔn)確執(zhí)行,使系統(tǒng)數(shù)據(jù)在傳輸與處理上的速度不斷地提升。新型紅外熱成像系統(tǒng)后端是對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行的反饋,新型紅外熱成像系統(tǒng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,因此,在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分的考慮前端采集圖像的控制問(wèn)題,并且通過(guò)USB完成反向控制操作,之后會(huì)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的圖像融合,這將會(huì)實(shí)現(xiàn)新型紅外熱成像系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)化,智能化水準(zhǔn)進(jìn)一步提高。