一種基于自適應(yīng)積分時間的嵌入式紅外圖像超幀處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于自適應(yīng)積分時間的嵌入式紅外圖像超幀處理方法，屬于紅外 成像技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于紅外成像系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，目前除了被廣泛應(yīng)用于國防領(lǐng)域之外，在安防、 氣象、醫(yī)療、工業(yè)檢測等民用領(lǐng)域也越來越受到重視。近年來，隨著與紅外成像技術(shù)相關(guān)的 一些基礎(chǔ)研宄得到了快速的發(fā)展，同時客觀應(yīng)用的需求也在不斷提升，因此具有高靈敏度、 大動態(tài)范圍的紅外成像系統(tǒng)的研制也就成為了業(yè)界不斷追尋的目標(biāo)。
[0003] 紅外探測器作為紅外成像系統(tǒng)的核心組件，實現(xiàn)了紅外輻射到光電流的轉(zhuǎn)換工 作。而這一組件中的讀出電路的作用是：將紅外焦平面探測器輸出的微弱信號檢出并處理 后，按一定的時序輸出到后續(xù)電路。在讀出電路中，讀出單元電路又是其關(guān)鍵組成部分，實 現(xiàn)了光電流對積分電容的充電，充電時間即為探測器的積分時間。通過理論分析可知，讀出 單元電路輸出信號的信噪比與積分時間的平方根是成正比的，增加積分時間可以提高輸出 信號的信噪比，同時可以降低探測器的噪聲等效溫差（NETD)，進(jìn)而提高成像系統(tǒng)的靈敏度。 與此同時，讀出電路的動態(tài)范圍由積分電容的容量限制，然而由于在凝視型探測器讀出電 路中，積分電容是集成于像元單元電路中的，其電路面積受到像元尺寸的限制，因而能夠獲 得的積分電容的容量是非常有限的。一般情況下，光電流對中波探測器讀出電路中的積分 電容進(jìn)行積分，時間只能達(dá)到l〇ms以內(nèi)；考慮到長波探測器具有較大的探測器暗電流及較 高的背景電流，對長波探測器讀出電路中的積分電容進(jìn)行積分的時間還會更短，只能維持 在毫秒量級。因此，就目前的情況來看，希望通過增加探測器讀出電路積分電容的容量，來 延長積分時間，進(jìn)而提升探測器的輸出信噪比、增加輸出信號動態(tài)范圍，最終改善紅外成像 系統(tǒng)的探測靈敏度以及系統(tǒng)的動態(tài)范圍是不現(xiàn)實的。
[0004] 此外，對于目前業(yè)內(nèi)常用的紅外成像系統(tǒng)的成幀時間而言，大都在10ms以上，對 于一些不需要高幀頻輸出的使用環(huán)境，紅外成像系統(tǒng)的成幀時間，往往允許達(dá)到40ms，甚至 更長。同時，紅外焦平面陣列探測器的光電流積分時間理論上最大可以等于系統(tǒng)的單幀成 幀時間。
[0005] 然而，由前所述可知，目前紅外探測器讀出電路積分電容的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法容納如 此之長探測器積分時間內(nèi)光電流積分產(chǎn)生的電荷。因此，就目前常規(guī)紅外成像系統(tǒng)而言，對 于每秒能夠輸出百幀以上幀頻的探測器的使用，從根源上就限制了探測器性能的發(fā)揮，無 法通過有限的光電流信號提供豐富的客觀場景的紅外信息。因此研制具有高靈敏度、大動 態(tài)范圍的紅外成像系統(tǒng)就顯得更加困難重重了。
[0006] 面對前述問題，科技工作者們通過不懈努力，提出了主要從兩方面入手的一些措 施：一是從探測器的讀出電路著手，可在一定程度上改善讀出電路的性能，但是探測器讀出 電路中的積分電容是集成于像元單元電路中的，在極其有限的像元尺寸內(nèi)，希望獲得更大 的讀出電路面積是不現(xiàn)實的，并且隨著紅外焦平面陣列的面陣規(guī)模不斷增大，像元尺寸有 限的問題將更為突出；二是從紅外成像系統(tǒng)的后端圖像處理技術(shù)入手，可使成像系統(tǒng)的性 能獲得一些提升，但是由于沒有從根本上解決探測器讀出電路積分電容容量受限的問題， 因此對紅外成像系統(tǒng)探測靈敏度及動態(tài)范圍的改善能力仍然是有限的。為此，也有報道認(rèn) 為可從紅外成像系統(tǒng)的整個信號處理過程進(jìn)行考慮，最具代表性的就是紅外圖像的超幀處 理方法。紅外圖像超幀處理方法是在紅外成像系統(tǒng)確定輸出幀頻情況下，在單幀成幀時間 內(nèi)，通過對探測器讀出電路積分電容進(jìn)行多次不等電荷量的積分、讀出，獲得一系列紅外 子幀圖像，并對這些子幀進(jìn)行累加而產(chǎn)生新的圖像幀，最終按照成像系統(tǒng)約定幀頻予以輸 出的紅外成像處理技術(shù)。該技術(shù)目的在于有效解決紅外焦平面探測器讀出電路的電荷存 儲容量受到限制，焦平面光電流信號不能得到有效利用，制約成像系統(tǒng)靈敏度的提升及動 態(tài)范圍的拓展等問題。Austin等人最早進(jìn)行了紅外圖像超幀處理方法的研宄（詳見文獻(xiàn) AustinA.Richards,BrianK.Cromwell/^Superframing:SceneDynamicRangeExtension ofInfraredCameras"，Proc.SPIE，vol. 5612, 2004)，而后研制了超幀驗證樣機(jī)（詳見文 獻(xiàn)AustinA.Richards，ShariffD'Souza，''ANovelNIRCamerawithExtendedDynamic Range"，Proc.SPIE，vol. 6205, 2006)，研宄表明該技術(shù)能夠改善紅外成像系統(tǒng)的探測靈敏 度以及動態(tài)范圍，但是該技術(shù)的實現(xiàn)需要通過一套復(fù)雜的光機(jī)裝置，才能獲取用于進(jìn)行超 幀的紅外子幀圖像；并且子幀獲取的速度最快為15Hz，難以滿足工程應(yīng)用的要求；此外，由 于該技術(shù)在應(yīng)用時選定的積分時間是固定的，不能根據(jù)目標(biāo)紅外輻射溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào) 整，這將會導(dǎo)致所設(shè)定的積分時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離最佳值，最終導(dǎo)致超幀的效果不盡人意，甚至無 法實現(xiàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)積分時間的嵌入式紅外圖像超幀處理方法，目的在 于發(fā)揮紅外圖像超幀處理方法能夠改善紅外成像系統(tǒng)的探測靈敏度、拓展紅外成像系統(tǒng)的 動態(tài)范圍等優(yōu)勢，同時有效解決傳統(tǒng)超幀處理方法中獲取子幀的積分時間不能夠根據(jù)目標(biāo) 場景輻射溫度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的不足，更好地引導(dǎo)探測器工作在整個響應(yīng)范圍的理想?yún)^(qū) 域。
[0008] 此外，本發(fā)明還提出了一種由于探測器積分時間被調(diào)整以后導(dǎo)致圖像出現(xiàn)不均勻 的校正措施，以解決或抑制因探測器積分時間被調(diào)整而導(dǎo)致的圖像非均勻性問題。
[0009] 同時，本發(fā)明是基于嵌入式平臺的紅外圖像超幀處理方法，在實現(xiàn)過程中不需要 借助任何專用裝置，而且可以實現(xiàn)本發(fā)明的工程應(yīng)用。
[0010] 本發(fā)明的原理在于：在紅外成像系統(tǒng)單位工作時間內(nèi)，因圖像的平均灰度信息能 夠間接反映目標(biāo)場景的輻射溫度，所以通過對嵌入式平臺連續(xù)進(jìn)行多幀捕獲目標(biāo)場景圖像 的平均灰度進(jìn)行判斷，能夠自適應(yīng)地調(diào)取一組合適的用于獲取紅外子幀圖像的積分時間及 相應(yīng)的非均勻性校正參數(shù)，以便完成后續(xù)的實時超幀處理。調(diào)取的積分時間和相應(yīng)的非均 勻性校正參數(shù)，預(yù)先設(shè)置存儲在嵌入式平臺的掉電非易失存儲器中。
[0011] 本發(fā)明通過下列技術(shù)方案完成：一種基于自適應(yīng)積分時間的嵌入式紅外圖像超幀 處理方法，其特征在于包括離線標(biāo)定和在線處理兩個階段，其中：
[0012] A離線標(biāo)定：
[0013] A1將目標(biāo)場景輻射全溫度范圍分為m個區(qū)域，對應(yīng)地設(shè)置m級積分時間，m級與積 分時間相匹配的探測器非均勻性校正參數(shù)，從目標(biāo)場景輻射溫度由低到高，m的取值范圍為 1，2…i-m共m個正整數(shù)；對于每一級積分時間的個數(shù)取決于超幀過程中用多少幀子幀產(chǎn) 生一幀新的圖像幀，并且每一級的積分時間個數(shù)是相同的，即用n幀子幀累加產(chǎn)生1幀新圖 像幀時，每一級的積分時間就都包含n個積分時間，并且在每一級中，積分時間由短到長被 記為1，2…