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對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校正方法

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對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外熱成像系統(tǒng)的非均勻性校正領(lǐng)域,特別是一種對(duì)紅外視頻序列采 用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 二十一世紀(jì)是光子的時(shí)代,是信息的社會(huì),隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,人們獲取信 息的手段在向不同波段,更廣闊的領(lǐng)域擴(kuò)展;紅外成像技術(shù)正是順應(yīng)了這一時(shí)代的發(fā)展趨 勢(shì),已經(jīng)成為當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家大力發(fā)展的軍民兩用的新興高科技之一。由于西方發(fā)達(dá)國(guó) 家對(duì)我國(guó)高技術(shù)的封鎖,加上我國(guó)紅外成像研究起步較晚,基礎(chǔ)理論研究和材料工藝比較 落后,所以目前國(guó)產(chǎn)的紅外焦平面陣列探測(cè)器和紅外成像系統(tǒng)整機(jī)的性能與發(fā)達(dá)國(guó)家相比 還有一定差距。因此,紅外成像的基礎(chǔ)理論及其關(guān)鍵技術(shù)的研究對(duì)提升紅外成像技術(shù)在我 國(guó)國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用比重,縮小我國(guó)在該領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距有著非常 重要的意義。
[0003] 紅外探測(cè)器的非均勻性是限制其性能與應(yīng)用的首要因素,這種非均勻性表現(xiàn)為一 種疊加在圖像上固定圖案噪聲。造成這種非均勻性的原因很多,首先是每個(gè)探測(cè)器單元的 響應(yīng)率的不一致性,紅外焦平面陣列由數(shù)萬(wàn)個(gè)像元構(gòu)成,由于各個(gè)像元的響應(yīng)參數(shù)不盡相 同,造成即使在均勻輸入的情況下,各個(gè)像素的響應(yīng)也不一致,這是紅外焦平面陣列非均勻 性的主要因素;其次是探測(cè)器讀出電路自身以及讀出電路和探測(cè)器的耦合因素等。此外,紅 外探測(cè)器非均勻性的時(shí)間穩(wěn)定性不佳,會(huì)隨著工作時(shí)間的增加與外界環(huán)境的改變而緩慢漂 移,嚴(yán)重影響圖像的空間分辨率與溫度靈敏度。所以,紅外探測(cè)器必須采用相應(yīng)的非均勻性 校正措施,來(lái)修正這種探測(cè)器不均勻響應(yīng)造成的影響。
[0004] 而非均勻性校正概括起來(lái)有二大類方法:基于定標(biāo)的校正方法與基于場(chǎng)景的校正 方法?;诙?biāo)的方法是目前已經(jīng)適用化的技術(shù),但需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行周期性的重復(fù)定標(biāo)以 消除參數(shù)漂移的影響,這就相應(yīng)地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,降低了系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度; 對(duì)于機(jī)載、彈載探測(cè)器不易做到快速反應(yīng)?;趫?chǎng)景的校正算法不但省略了參考輻射源,使 系統(tǒng)處理流程得到簡(jiǎn)化,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且可以有效地消除參數(shù)特性漂移的影響,實(shí) 現(xiàn)高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的自適應(yīng)非均勻校正。自從基于場(chǎng)景校正這一概念出現(xiàn)以來(lái),國(guó)外 學(xué)者便給予了高度關(guān)注,并取得了大量的研究成果與一批良好的校正算法??偟膩?lái)說(shuō),這些 算法都是通過(guò)兩大類途徑實(shí)現(xiàn)的。一類是基于統(tǒng)計(jì)的,基于統(tǒng)計(jì)類的技術(shù)通常對(duì)于焦平面 每個(gè)像元接收到的輻射量作一些時(shí)間上或者空間上的統(tǒng)計(jì)假設(shè),在此假設(shè)的基礎(chǔ)上不斷修 正校正參數(shù),校正焦平面的非均勻性。其中最具代表性的技術(shù)有時(shí)域高通法,統(tǒng)計(jì)恒定法, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,恒定范圍法及其的相應(yīng)的擴(kuò)展形式,如統(tǒng)計(jì)維納濾波法,卡爾曼濾波法等。該 類算法一般要求目標(biāo)場(chǎng)景與IRFPA器件相對(duì)運(yùn)動(dòng)以使IRFPA器件中所有探測(cè)單元在一段時(shí) 間內(nèi)所接收到的目標(biāo)場(chǎng)景輻射的滿足一定的統(tǒng)計(jì)假設(shè)。然而,由于圖像場(chǎng)景的多樣性,該假 設(shè)不一定能夠得到滿足,因此這類校正算法經(jīng)常伴隨較為嚴(yán)重的鬼影問(wèn)題。而另一類則是 基于配準(zhǔn)的,這類技術(shù)通常認(rèn)為,在較短的時(shí)間間隔內(nèi),若觀察場(chǎng)景中相同的位置時(shí),每個(gè) 像元的響應(yīng)也應(yīng)該是相同的,因此這類技術(shù)需要準(zhǔn)確的估計(jì)幀與幀之間的移動(dòng)。其中比較 有代表性的技術(shù)有全景圖積累法,代數(shù)校正法等。但是這類算法由于其要求限制較多,計(jì)算 量與存儲(chǔ)量較大,且校正誤差易逐級(jí)累計(jì)傳播,所以也較難達(dá)到實(shí)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校 正方法,使熱像儀在實(shí)際使用過(guò)程中可以滿足幀頻要求實(shí)時(shí)自適應(yīng)校正。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng) 非均勻性校正方法,其特征在于:
[0007] 步驟1)通過(guò)紅外熱像儀獲得實(shí)時(shí)的紅外視頻序列,對(duì)于實(shí)時(shí)的紅外視頻序列,選 取前一幀圖像為參考幀圖像,后一幀圖像為當(dāng)前幀圖像,圖像大小為MXN ;
[0008] 步驟2)分別計(jì)算上述兩幀圖像中每一行對(duì)應(yīng)的像素值之和,即行投影值;分別計(jì) 算上述兩幀圖像中每一列對(duì)應(yīng)的像素值之和,即列投影值;并分別計(jì)算每一行和每一列的 像素的平均值;
[0009] 步驟3)對(duì)每一行和每一列分別對(duì)應(yīng)的行投影值和列投影值進(jìn)行修正,得到修正 后的每一行和每一列分別對(duì)應(yīng)的行投影值和列投影值:每一行對(duì)應(yīng)的行投影值減去該行的 圖像的平均值,每一列對(duì)應(yīng)的列投影值分別減去該列的圖像的平均值,以消除盲元點(diǎn)對(duì)配 準(zhǔn)的影響;
[0010] 步驟4)利用上述修正后的每一行和每一列分別對(duì)應(yīng)的行投影值和列投影值計(jì)算 出兩幀圖像在估計(jì)位移范圍內(nèi)的所有行的互相關(guān)信息和列的互相關(guān)信息,上述互相關(guān)信息 是與行或列的相對(duì)位移有關(guān)的函數(shù),通過(guò)比較行和列的互相關(guān)信息矩陣,找到分別使得行 和列的互相關(guān)信息最大的相對(duì)位移量(dx,dy),即為圖像的位移;
[0011] 步驟5)將假設(shè)位移加入到配準(zhǔn)計(jì)算出的相對(duì)位移量(dx,dy)進(jìn)行修正,得到自適 應(yīng)位移值;
[0012] 步驟6)利用上述自適應(yīng)位移值對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn),得到兩幀圖像的重疊區(qū)域,在重 疊區(qū)域內(nèi)對(duì)參考幀和當(dāng)前幀上相對(duì)應(yīng)位置的像素值進(jìn)行誤差函數(shù)的計(jì)算,用上述誤差函數(shù) 更新該位置的增益和偏置系數(shù)。
[0013] 上述步驟4)中,對(duì)圖像大小為MXN的參考幀和當(dāng)前幀的行投影值進(jìn)行互相關(guān)信 息的計(jì)算,得到行向量互相關(guān)信息C y (z),圖像大小為MXN的參考幀和當(dāng)前幀的列投影值進(jìn) 行互相關(guān)信息的計(jì)算,得到列向量互相關(guān)信息Cx (w),互相關(guān)信息的計(jì)算公式為:
[0015] 其中,彳和戽分別為上述步驟3中計(jì)算的行投影和列投影,i e [n-1,n],n-l代表 參考幀,η代表當(dāng)如幀,z為垂直位移,w為水平位移,且滿足z e [1,2 Δ d,w e [1,2 Δ 2], A1為垂直方向預(yù)設(shè)位移,Λ 2為水平方向預(yù)設(shè)位移,然后在[Cy(IhCyO)^uCyQA 1)] 和[Cx (I),Cx⑵,...Cx (2 Λ 2)]兩個(gè)行列互相關(guān)信息矩陣中找到兩個(gè)最大值C''Va_> 和
其中
為使行列投影的互相關(guān)信息最大的位移值,而
>即圖像的垂直方向和水平方向上的相對(duì)位移量。
[0016] 上述步驟5)中,將假設(shè)位移加入到配準(zhǔn)計(jì)算出的相對(duì)位移量(dx,dy)進(jìn)行修正, 方法為:
[0017] 在計(jì)算出對(duì)應(yīng)于最大互相關(guān)信息的相對(duì)位移值(dx,dy)后,判斷兩幀配準(zhǔn)圖像的 方差差值的絕對(duì)值|DX(n-1)-DX(n) I來(lái)改變相對(duì)位移值,并按照下面公式來(lái)改變配準(zhǔn)計(jì)算 的行列偏移向量:
[0019] 上式中,ds代表dx或dy,如參考幀和當(dāng)前幀的方差的絕對(duì)值小于設(shè)定閾值σ,σ 根據(jù)實(shí)際圖像進(jìn)行選擇,取值范圍為〇. 2~0. 5,則使計(jì)算出的水平位移和垂直位移加1,反 之,如果不小于設(shè)定閾值,則不對(duì)水平位移和垂直位移進(jìn)行修正。
[0020] 上述步驟6)中,在對(duì)前后兩幀圖像進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí),采用雙向配準(zhǔn),在用當(dāng)前幀配準(zhǔn) 參考幀的同時(shí),用參考幀配準(zhǔn)當(dāng)前幀,得到兩組不一樣的重疊區(qū)域,然后將兩個(gè)重疊區(qū)域疊 加在一起進(jìn)行校正;采用最小均方差法得到誤差函數(shù)。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,其顯著優(yōu)點(diǎn):(1)利用實(shí)時(shí)的紅外視頻序列來(lái)對(duì)非均勻 性進(jìn)行自適應(yīng)校正,計(jì)算量相對(duì)降低,能滿足硬件實(shí)現(xiàn)的要求;(2)采用圖像配準(zhǔn)的方式來(lái) 對(duì)紅外視頻相鄰幀圖像進(jìn)行配準(zhǔn),得到相鄰幀的重疊區(qū)域,再利用計(jì)算得到的重疊區(qū)域?qū)?圖像的增益和偏置系數(shù)進(jìn)行更新,沒(méi)有對(duì)圖像的空域信息進(jìn)行破壞,也沒(méi)有添加額外的算 法引入的噪聲,因此避免了場(chǎng)景類算法帶來(lái)的嚴(yán)重的鬼影問(wèn)題;(3)根據(jù)當(dāng)前圖像的前后 兩幀的標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果來(lái)判斷場(chǎng)景的類型,然后根據(jù)不同類型的場(chǎng)景來(lái)對(duì)行和列的相對(duì)位移 量進(jìn)行修正,加入假設(shè)位移,再對(duì)圖像配準(zhǔn),能增加該方法對(duì)不用場(chǎng)景的適應(yīng)能力,尤其是 針對(duì)堅(jiān)條紋明顯的紅外視頻序列,其校正效果非常的優(yōu)異。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明一種對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校正方法的 算法流程圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明一種對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校正方法中 的雙向配準(zhǔn)的示意圖,其中圖(a)為當(dāng)前幀配準(zhǔn)參考幀;圖(b)為參考幀配準(zhǔn)當(dāng)前幀;圖 (C)為疊加的重疊區(qū)域。
[0024] 圖3是真實(shí)場(chǎng)景的紅外視頻序列的校正效果圖,其中圖(a)為原始視頻圖像,圖 (b)為校正后圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0026] 本發(fā)明是一種對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校正方法。其原理 為:首先對(duì)紅外視頻序列中前后兩幀圖像的行列投影向量進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)的計(jì)算,然后分 別尋找使得互相關(guān)函數(shù)最大的水平方向和垂直方向的位移量,即為圖像的位移值。同時(shí)對(duì) 圖像的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行閾值判斷,加入假設(shè)位移,然后用校正后的位移值對(duì)圖像進(jìn)行雙向配準(zhǔn), 得到疊加的重疊區(qū)域,在重疊區(qū)域內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行校正參數(shù)的更新,完成非均勻性校正方法 的自適應(yīng)校正過(guò)程。
[0027] 結(jié)合圖1和圖2,一種對(duì)紅外視頻序列采用圖像配準(zhǔn)的自適應(yīng)非均勻性校正方法, 方法步驟如下:
[0028] 在紅外視頻圖像序列中,由于探測(cè)器像元對(duì)相同的輻射源產(chǎn)生的響應(yīng)的不一致 性,導(dǎo)致在圖像上出現(xiàn)明顯的固定圖案噪聲,即非均勻性,嚴(yán)重影響了圖像質(zhì)量,而采用探 測(cè)器像元的輻照度-電壓模型,可以將這種響應(yīng)近似為線性,而利用這種線性模型y(i,j) =g(i,j) · X(i,j)+0(i,j)來(lái)對(duì)圖像的輸出進(jìn)行增益和偏置上的校正,這樣能夠很好的將 非均勻性歸結(jié)到兩個(gè)系數(shù)的影響上,而如果我們能夠通過(guò)對(duì)圖像序列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到 每個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)的增益和偏置系數(shù)構(gòu)成的矩陣,就可以對(duì)非均勻性進(jìn)行相應(yīng)的校正就可以 有效的去掉非均勻性的影響。
[0029] 校正公式為:x(i,
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