一種紅外圖像非均勻性校正方法及系統與流程
本發明涉及紅外圖像處理領域，具體涉及一種紅外圖像非均勻性校正方法及系統。
背景技術：
隨著紅外成像技術的不斷發展，已廣泛應用于民用、軍事等多種領域。在紅外成像過程中，紅外圖像的非均勻性容易受探測器溫度、圖像場景變化的影響，嚴重降低紅外探測器的成像質量，因此，需要對紅外圖像進行非均勻性校正，消除外界因素對成像質量的影響。
紅外圖像非均勻性校正通常采用無快門定標算法，現有的無快門定標算法較多，參見專利號為gb2445254a提出的基于相鄰像素差平方和最小的無快門校正算法，該算法首先需要在探測器工作溫度范圍內采集幾十幅均勻本底，然后計算其對應的偏置本底，在實時校正時，通過計算所有偏置本底的加權和來獲得實時的偏置校正參數，加權系數可根據圖像場景的變化不斷地進行自適應更新，但該算法只考慮了探測器溫度對圖像質量的影響，并未考慮外界場景變化對圖像非均勻性的影響，僅實現了基于探測器溫度的紅外圖像的非均勻性校正，該算法校正后的成像質量較差。
另參見專利號為cn201210232737.7提出的一種基于模板法的無快門非均勻性校正算法，該算法選擇一幅固定的偏置本底來計算校正參數，隨著探測器實際溫度和該偏置本底對應的探測器溫度差異越來越大，計算誤差也會越來越大，導致校正后的圖像質量越差。
現有技術中的無快門校正算法得到的紅外圖像質量較差，需要提出一種新的算法，來提高紅外成像質量。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種紅外圖像非均勻性校正方法，可以消除探測器溫度和場景變化對紅外成像的影響，提高紅外成像質量。
為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：
本發明提供了一種紅外圖像非均勻性校正方法，包括步驟：
采集探測器在不同溫度下的均勻背景圖像，采用基于探測器溫度的非均勻性校正方法，對待校正圖像進行一次校正，得到一幅第一圖像；
采集待校正圖像在多個不同輻射強度時的均勻背景圖像，并對每幅不同輻射強度時的均勻背景圖像進行基于探測器溫度的非均勻性校正，得到多幅不同輻射強度時的輔助圖像；
采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底，根據加權法建立當前場景下的補償校正模型，通過使補償校正后圖像和期望圖像的像素差平方和最小求解所述補償校正模型中輔助圖像的加權系數，得到當前場景下的補償校正公式，并對第一圖像進行補償校正，得到第二圖像。
在上述技術方案的基礎上，所述基于探測器溫度的非均勻性校正方法包括步驟：
計算探測器的圖像增益系數及多個溫度點下的偏置本底，采用插值方式估算探測器在當前溫度下的偏置本底，得到基于探測器溫度的非均勻性校正公式，采用兩點校正法對待校正圖像進行一次校正。
在上述技術方案的基礎上，所述基于探測器溫度的非均勻性校正公式具體為：
yij＝gainij(xij+offsetij(t))
式中，gainij是圖像坐標(i,j)處的增益系數，xij是待校正圖像坐標(i,j)處的像素灰度值，yij是一次校正后的圖像坐標(i,j)處的像素灰度值，offsetij(t)是探測器在當前工作溫度下圖像坐標(i,j)處的偏置本底。
在上述技術方案的基礎上，采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底的計算公式為：
式中，oij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像的偏置本底，ffij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像在坐標(i,j)處的像素灰度值，
在上述技術方案的基礎上，所述當前場景下的補償校正公式為：
式中，zij是第二圖像在(i,j)處的像素灰度值，yij是第一圖像在(i,j)處的像素灰度值，oij(φm)為輻射強度為φm的輔助圖像的偏置本底，am為輻射強度為φm的輔助圖像的加權系數，q為輔助圖像的個數。
在上述技術方案的基礎上，求解所述補償校正模型中輔助圖像的加權系數具體過程為：
根據補償校正模型，得到校正后圖像和期望圖像的像素差平方和s，計算公式為：
式中，i＝1,2…m，j＝1,2…n，m為圖像坐標的行數，n為圖像坐標的列數，zij是第二圖像在(i,j)處的像素灰度值，
使平方和s的導數為0，求解所有輔助圖像的加權系數a1,a2…aq。
本發明還提供了一種紅外圖像非均勻性校正系統，包括：
一次校正模塊，其用于采用基于探測器溫度的非均勻性校正方法，對待校正圖像進行一次校正，得到第一圖像；
采集模塊，其用于采集待校正圖像在多個不同輻射強度時的均勻背景圖像；
輔助處理模塊，其用于對每幅不同輻射強度時的均勻背景圖像進行基于探測器溫度的非均勻性校正，得到多幅不同輻射強度時的輔助圖像；
補償校正模塊，其用于采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底，根據加權法建立當前場景下的補償校正模型，通過使補償校正后圖像和期望圖像的像素差平方和最小求解所述補償校正模型中輔助圖像的加權系數，得到當前場景下的補償校正公式，并對第一圖像進行補償校正，得到第二圖像。
在上述技術方案的基礎上，所述一次校正模塊包括：
計算模塊，用于計算探測器的圖像增益系數及多個溫度點下的偏置本底，并采用插值方式估算探測器在當前溫度下的偏置本底；
校正處理模塊，用于根據探測器的圖像增益系數和探測器在當前溫度下的偏置本底得到基于探測器溫度的非均勻性校正公式，采用兩點校正法對待校正圖像進行一次校正。
在上述技術方案的基礎上，采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底的計算公式為：
式中，oij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像的偏置本底，ffij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像在坐標(i,j)處的像素灰度值，
在上述技術方案的基礎上，所述補償校正公式為：
式中，zij是第二圖像在(i,j)處的像素灰度值，yij是第一圖像在(i,j)處的像素灰度值，oij(φm)為輻射強度為φm的輔助圖像的偏置本底，am為輻射強度為φm的輔助圖像的加權系數，q為輔助圖像的個數。
與現有技術相比，本發明的優點在于：
(1)本發明的紅外圖像非均勻性校正方法，先對紅外圖像進行一次校正，消除探測器溫度變化對紅外圖像的影響，再對其進行補償校正，消除圖像場景變化對紅外成像質量的影響，從而使得校正后的紅外成像質量好。
(2)本發明的紅外圖像非均勻性校正方法，計算簡單，運算量小，易于實現。
附圖說明
圖1為本發明實施例中紅外圖像非均勻性校正方法的流程圖；
圖2為本發明實施例中第一組實驗的計算結果圖；
圖3為本發明實施例中第二組實驗的計算結果圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
本發明實施例提供一種紅外圖像非均勻性校正方法，包括步驟：
采用基于探測器溫度的非均勻性校正方法，對待校正圖像進行一次校正，得到一幅第一圖像；
采集待校正圖像在多個不同輻射強度時的均勻背景圖像，并對每幅不同輻射強度時的均勻背景圖像進行基于探測器溫度的非均勻性校正，得到多幅不同輻射強度時的輔助圖像；
采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底，根據加權法建立補償校正模型，通過使補償校正后圖像和期望圖像的像素差平方和最小求解補償校正模型中輔助圖像的加權系數，得到補償校正公式，并對第一圖像進行補償校正，得到第二圖像。
在本發明實施例中，基于探測器溫度的非均勻性校正方法為：計算探測器的圖像增益系數及多個溫度點下的偏置本底，采用插值方式估算探測器在當前溫度下的偏置本底，得到基于探測器溫度的非均勻性校正公式，采用兩點校正法對待校正圖像進行一次校正。
參見圖1所示，本發明實施例的紅外圖像非均勻性校正方法，詳細步驟包括：
s1：計算增益系數：探測器在同一溫度下采集待校正圖像在兩個不同輻射強度時的均勻背景圖像，并將這兩幅均勻背景圖像分別記為blackh和blackl，計算探測器的圖像增益系數；
式中，(i,j)表示圖像坐標位置，m、n分別表示圖像坐標的行數和列數，gainij是圖像坐標(i,j)處的增益系數，blackhij是均勻背景圖像blackh在坐標(i,j)處的像素灰度值，blacklij是均勻背景圖像blackl在圖像坐標(i,j)處的像素灰度值；
s2：計算探測器在各個溫度點下的偏置本底：探測器在不同溫度下采集待校正圖像在相同輻射強度時的均勻背景圖像，并記錄相應的若干探測器溫度點，探測器溫度點的個數為l，探測器溫度點記為tn，探測器溫度點tn的均勻背景圖像記為f(tn)，計算探測器在各個溫度點下的偏置本底公式如下：
式中，fij(tn)是溫度點tn的均勻背景圖像f(tn)在坐標(i,j)處的像素灰度值，
s3：估算探測器在當前工作溫度下的偏置本底：測量探測器當前溫度，從若干探測器溫度點中選取與當前溫度最近的p個探測器溫度點，得到相應探測器溫度點的偏置本底，采用插值方式計算探測器在當前溫度下的偏置本底offsetij(t)，計算公式如下；
式中，offset(t1),…offset(tp)是與溫度點t1,t2…tp對應的偏置本底，offsetij(tn)為溫度點tn下圖像坐標(i,j)處的偏置本底，kn(t)為探測器溫度點tn對應的插值基函數，
式中，t為探測器的當前工作溫度；
s4：一次校正：根據圖像增益系數和探測器在當前溫度下的偏置本底，得到基于探測器溫度的非均勻性校正公式，并使用基于探測器溫度的非均勻性校正公式對待校正圖像進行一次校正，得到第一圖像；
yij＝gainij(xij+offsetij(t))
式中，gainij是圖像坐標(i,j)處的增益系數，xij是待校正圖像坐標(i,j)處的像素灰度值，yij是一次校正后的圖像坐標(i,j)處的像素灰度值，offsetij(t)是探測器在當前工作溫度下圖像坐標(i,j)處的偏置本底；
s5：校正不同輻射強度時的均勻背景圖像：探測器在同一溫度下采集待校正圖像在q個不同輻射強度時的均勻背景圖像，記錄該探測器溫度點tt和相應的q個輻射強度，將q個不同的輻射強度分別記為φ1,φ2,…φq，將與之對應的均勻背景圖像分別記為f(φ1),f(φ2),…f(φq)，
根據基于探測器溫度的非均勻性校正公式，對每幅不同輻射強度時的均勻背景圖像分別進行校正，相應得到q幅不同輻射強度的輔助圖像，得到輔助圖像的計算公式為：
ffij(φn)＝gainij(fij(φn)+offsetij(tt))
式中，fij(φn)是均勻背景圖像f(φn)在坐標(i,j)處的像素灰度值，tt為探測器溫度點，offsetij(tt)為探測器在當前溫度tt下的偏置本底，gainij是圖像坐標(i,j)處的增益系數，ffij(φn)是輻射強度為φn的輔助圖像在坐標(i,j)處的像素灰度值；
s6：采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底；
式中，oij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像的偏置本底，ffij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像在坐標(i,j)處的像素灰度值，
s7：得到當前場景下的補償校正公式：根據加權法計算當前場景下實時的偏置本底，計算公式為：
oij＝a1×oij(φ1)+a2×oij(φ2)+…+ap×oij(φp)
式中，a1,a2…aq為加權系數，oij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像的偏置本底，oij為當前場景下實時的偏置本底；
建立補償校正模型為：
式中，zij是第二圖像在(i,j)處的像素灰度值，yij是第一圖像在(i,j)處的像素灰度值，oij(φm)為輻射強度為φm的輔助圖像的偏置本底，am為輻射強度為φm的輔助圖像的加權系數，q為輔助圖像的個數；
通過使補償校正后圖像和期望圖像的像素差平方和最小求解補償校正模型中輔助圖像的加權系數a1,a2…aq，得到補償校正公式；
s8：補償校正：根據補償校正公式，對第一圖像進行補償校正，得到第二圖像。
上述步驟s3中，插值溫度點個數p的選取需要根據采集均勻本底時的溫度間隔和探測器本身的特性而定。由經驗得知，當溫度間隔大約為5℃時，在保證圖像質量的條件下，p最大取值為5。
步驟s7的求解補償校正模型中輔助圖像的加權系數具體過程為：
s71：根據補償校正模型，得到校正后圖像和期望圖像的像素差平方和s，計算公式為：
式中，i＝1,2…m，j＝1,2…n，m為圖像坐標的行數，n為圖像坐標的列數，zij是第二圖像在(i,j)處的像素灰度值，
s72：分別對每個加權系數均進行求導，并使之為0，求導公式如下：
為了方便化簡，令：
其中
化簡求導公式，得到：
其中
把上式代入計算當前場景下實時偏置本底的公式中，計算出實時的偏置本底。
本發明實施例還提供了一種紅外圖像非均勻性校正系統，包括：
一次校正模塊，其用于采用基于探測器溫度的非均勻性校正方法，對待校正圖像進行一次校正，得到第一圖像；
采集模塊，其用于采集待校正圖像在多個不同輻射強度時的均勻背景圖像；
輔助處理模塊，其用于對每幅不同輻射強度時的均勻背景圖像進行基于探測器溫度的非均勻性校正，得到多幅不同輻射強度時的輔助圖像；
補償校正模塊，其用于采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底，根據加權法建立補償校正模型，通過使補償校正后圖像和期望圖像的像素差平方和最小求解補償校正模型中輔助圖像的加權系數，得到補償校正公式，并對第一圖像進行補償校正，得到第二圖像。
一次校正模塊包括：
計算模塊，用于計算探測器的圖像增益系數及多個溫度點下的偏置本底，并采用插值方式估算探測器在當前溫度下的偏置本底；
校正處理模塊，用于根據探測器的圖像增益系數和探測器在當前溫度下的偏置本底得到基于探測器溫度的非均勻性校正公式，采用兩點校正法對待校正圖像進行一次校正。
采用單點校正法計算輔助圖像的偏置本底的計算公式為：
式中，oij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像的偏置本底，ffij(φn)為輻射強度為φn的輔助圖像在坐標(i,j)處的像素灰度值，
補償校正公式為：
式中，zij是第二圖像在(i,j)處的像素灰度值，yij是第一圖像在(i,j)處的像素灰度值，oij(φm)為輻射強度為φm的輔助圖像的偏置本底，am為輻射強度為φm的輔助圖像的加權系數，q為輔助圖像的個數。
通常剩余非均勻性nues是用來衡量紅外探測器焦平面陣列響應非均勻性的常用指標，被看作是焦平面陣列響應非均勻性的數字定義，當作為紅外圖像質量的一種評價標準時，只適用于背景輻射均勻的紅外圖像，其定義如下：
其中，vi,j是探測器焦平面第i行，第j列的響應輸出，d為焦平面陣列中的死像元數，h為焦平面陣列中的過熱象元數，vavg是有效像素的響應平均值，m和n分別代表紅外圖像的行數和列數。
采用紅外非制冷型探測器型號是ulispico384p，探測器的分辨率是384×288，工作溫度范圍是-40到60℃，分別對專利號為gb2445254a提出的基于相鄰像素差平方和最小的無快門校正算法(簡稱為msse算法)、專利號為cn201210232737.7提出的一種基于模板法的無快門非均勻性校正算法(簡稱為tbs算法)、本發明實施例中的紅外圖像非均勻性校正方法進行多組實驗對比。
第一組實驗：場景溫度為20℃，探測器工作溫度由低溫到高溫連續變化時采集的31幅均勻背景圖像，分別通過上述三種算法對同一紅外圖像進行非均勻性校正，計算結果如圖2所示。
經本發明實施例中的紅外圖像非均勻性校正方法校正后，紅外圖像的剩余非均勻性nues是最小的，并且隨著探測器工作溫度(探測器焦平面溫度)的變化，校正效果也比較穩定，波動較小。
由于tbs算法在每個溫度段只選用一幅固定的均勻本底作為參考，很難精確計算出探測器在當前工作溫度下的偏置本底，當探測器當前工作溫度和選用的均勻本底對應的探測器溫度相差較小，計算偏置本底的誤差就越小，剩余非均勻性nues的值越小，圖像質量也就越好，反之，兩者的溫差越大，計算誤差就越大，剩余非均勻性nues的值越大，圖像質量也就越差，導致tbs算法校正后的紅外圖像的剩余非均勻性nues呈周期性變化，穩定性差。
經msse校正后的圖像剩余非均勻性曲線基本上沒有太大的波動，也比較穩定，但與本發明實施例中的紅外圖像非均勻性校正方法校正后紅外圖像的剩余非均勻性nues相比，仍然偏大，校正效果偏差。
可見，采用本發明實施例中的紅外圖像非均勻性校正方法校正后，紅外圖像的剩余非均勻性nues最小，而且穩定性好，圖像質量更好，較好地抑制了探測器溫度對圖像非均勻性的影響。
第二組實驗：探測器工作溫度在20℃附近，場景溫度在5℃到40℃之間連續變化，分別通過上述三種算法對同一紅外圖像進行非均勻性校正，計算結果如圖3所示。
經本發明實施例中的紅外圖像非均勻性校正方法校正后，紅外圖像的剩余非均勻性nues是最小的，校正后圖像質量好，并且隨著場景溫度的變化，校正效果也比較穩定，波動較小。
經tbs校正后圖像的剩余非均勻性nues曲線不再呈現周期性的波動，但穩定性仍然較差，且剩余非均勻性nues偏大，圖像質量較差。
經msse校正后的圖像剩余非均勻性nues曲線波動較大，穩定性差，隨著場景溫度的升高，剩余非均勻性nues的值逐漸增大，在常溫以下，msse校正后的圖像剩余非均勻性nues的值小于bs校正后圖像的剩余非均勻性nues，在常溫以上，msse校正后的圖像剩余非均勻性nues的值大于tbs校正后圖像的剩余非均勻性nues，msse算法在校正的過程中沒有考慮圖像場景溫度變化對圖像非均勻性的影響。
可見，采用本發明實施例中的紅外圖像非均勻性校正方法校正后，紅外圖像的剩余非均勻性nues最小，而且穩定性好，圖像質量更好，較好地抑制了場景溫度對圖像非均勻性的影響。
由上可知，本發明實施例中的紅外圖像非均勻性校正方法，先對紅外圖像進行一次校正，消除探測器溫度變化對紅外圖像的影響，再對其進行補償校正，消除圖像場景變化對紅外成像質量的影響，從而使得校正后的紅外成像質量好；而且該紅外圖像非均勻性校正方法，計算簡單，運算量小，易于實現。
本發明不局限于上述實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
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