（光学专业论文）红外图像的增强和规范化算法研究.pdf

哈尔滨t 稗人学硕十学仲论文 摘要 本文根据红外图像的特征，研究了红外图像增强技术。主要对拉普拉斯 锐化算法进行了研究，将受限拉氏锐化算法和高提升滤波结合起来，提出了 可以调节图像亮度和锐化程度的算法。运用该算法对红外图像进行了仿真实 验，取得较好的图像视觉效果。 图像规范化是图像识别领域一种常用的方法。本文以各种矩的不变特性 为基础，针对图像几种常见失真进行校正，取得了很好的效果。 文中提出一种新的规范化算法，能够实现平移、旋转、伸缩、歪斜和翻 转的规范化。该方法首先计算图像的协方差矩阵，然后根据协方差矩阵的特 征向量和特征值来旋转和伸缩图像，由此得到了对平移、伸缩、歪斜失真不 变的紧凑图像。之后根据图像的椭圆倾角旋转图像，由于椭圆倾角的不确定和 图像的旋转失真都会造成1 8 0 。的不确定旋转。文中根据一阶中心矩的正负解 决翻转规范化问题，同时也解决这个1 8 0 。旋转问题。通过大量仿真实验证明 了该算法在解决图像失真方面的可行性和有效性。 关键词：红外图像；图像增强；矩；图像规范化 哈尔滨r - 稗大学硕十学忙论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , an u m b e ro ft h e o r e t i ca l g o r i t h m so fi m a g ee n h a n c e m e n to n i n f r a r e di m a g e sa l es t u d i e db ya n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a r e d i m a g e l a p l a c i a ns h a r p e n i n gi sm a i n l ys t u d i e d an e wa l g o r i t h mo fi m a g es h a r p e n i n gi s p r e s e n t e di n t h i sp a p e r w h i c hc o m b i n e st h ea l g o r i t h mo fl i m i t e d l a p l a c i a n s h a r p e n i n gw i t hh i g h f r e q u e n c ye m p h a s i sf i l t e r t h i sa l g o r i t h mc a na d j u s tb o t ht h e b r i g h t n e s so fi m a g ea n dt h ed e g r e eo fs h a r p e n i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a t t h ei n f r a r e di m a g e sc o u l d b ee f f e c t i v e l ye n h a n c e db yt h i sa l g o r i t h m i m a g en o r m a l i z a t i o ni sv e r yu s e f u li ni m a g er e c o g n i t i o n j nt h i sp a p e rw e c a l lr e s o l v et h ei m a g ed i s t o r t i o n ss u c c e s s f u l l yb a s e do nt h ei n v a r i a b l ec h a r a c t e r s o f t h em o m e n t s an e wm e t h o do fi m a g en o r m a l i z a t i o ni sp r o v i d e di nt h ep a p e hw h i c hc a n n o r m a l i z et h ei m a g e sd i s t o r t e db yt r a n s l a t i o n ，s c a l i n g ，r o t a t i o n ，s k e wa n dr e v e r s a l i nt h ea l g o r i t h m ，w ef i r s tc o m p u t et h ec o v a f i a n c em a t r i xo ft h ei m a g e ，t h e nr o t a t e a n ds c a l et h ei m a g ea c c o r d i n gt ot h ee i g e n v e c t o r sa n de i g e n v a l u e so ft h e c o v a r i a n c em a t r i x ，t h u sw eg e tt h ec o m p a c t i n gi m a g ew h i c hi si n v a r i a n tt o t r a n s l a t i o n ，s c a l i n g ，a n ds k e w i nt h en e x ts t e p ，w er o t a t et h ei m a g ew i t hr e s p e c tt o t h ei m a g ee l l i p s et i l ta n g l e ，b u tb o t ht h ee l l i p s et i l ta n g l ea n dt h er o t a t i o no fi m a g e c a nb r i n gi na nu n c e r t a i n t yo f18 0d e g r e er o t a t i o n t h el a s ts t e po ft h ea l g o r i t h mi s r e v e r s a ln o r m a l i z a t i o nw h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e mo f18 0 d e g r e er o t a t i o n s i m u l t a n e o u s l y t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h ma r ep r o v e db y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：i n f r a r e di m a g e ；i m a g ee n h a n c e m e n t ；m o m e n t ；i m a g en o r m a l i z a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：判量杰 日 期：一c ；7 年6 月压日 哈尔滨i 杵人学硕+ 中忙论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 红外图像是红外技术与成像技术结合的产物。我们周围的物体只有当它 们的温度高达1 0 0 0 以上时，才能够发出可见光，爿会被人眼识别。相比之 下，我们周围所有温度在绝对零度( 2 7 3 ) 以上的物体，都会不停地发出 热红外线，而热红外线( 或称热辐射) 是自然界中存在最为广泛的辐射，红 外线成像设备的特殊之处就是能探测这种物体表面所辐射的不为人眼所见的 红外线，它所反映的是物体表面的红外辐射场，即温度场，帮助我们从另 种角度来观察物体。 此外，热辐射还拥有两个重要的特性： ( 1 ) 大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3 - 5 微米和8 1 4 微 米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。 利用这两个窗口，可以便人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场， 清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术为军事上提 供了先进的夜视装备，并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些 系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。 ( 2 ) 物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的 这个特点使人们可以利用它柬对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从 而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和 诊断工具。 红外成像技术的优点使得它在军事上有着极其重要的应用价值，如红外 和热成像观瞄、识别、跟踪、制导，红外警戒与微光夜视技术，红外对抗与 反对抗技术，在军事领域备受关注。 哈尔滨样人中硕十学伊论文 任何绝对温度大于零度的物体都会向外发射红外辐射。随着温度的不 同，物体的辐射强度、辐射最大值对应的波长也帽应不同。随着辆射体温度 升高，辐射强度迅速增大，辐射最大值对应的波长向短波方向移动。以下是 三个辐射基本定律。 l 、辐射的光谱分布规律一一普朗克辐射定律 绝对温度为t ( k ) 的黑体，单位表面积在单位波长向整个半球空矧辐射的 功率m 。与波长 、温度r 的关系为： 炉( 等h 嚣 - 1 r ， 式中，c 为真空中的光速2 9 9 7 1 0 8 m s 一； h 为普朗克常数6 ，6 2 6 x 1 0 。4 j s ： k 为波尔兹曼常数1 3 8 l 1 0 2 3 j k ： t 为绝对温度( k ) ； 且为辐射波长( m ) ； 普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。 2 、辐射功率随温度的变化规律一一斯蒂芬一玻耳兹曼定律 如果将普朗克定律式子沿波长从0 一一积分，就叮得到温度为t 的黑 体在单位面积上向半球空间辐射出的总功率。 m = i m d 2 = a t 4 ( 1 - 2 ) ； 式中盯= 5 6 6 9 7 1 0 - 8w ( m2 k4 ) 称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数。斯蒂芬 一玻耳兹曼定律是所有红钤测温的基础。 3 、辐射的空间分布规律一朗伯余弦定律 黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表露法线央角9 哈尔滨r 稗大学硕+ 学忙论文 的余弦成正比。 j 日= oc o s 0 ( 1 3 ) 此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。 辐射强度还与发射率有关。一个实际物体的辐射是黑体辐射项乘以陔物 体的光谱辐射率以) ： 阻以，r ) 】= g 以，r ) m ( 五，t ) ( 1 4 ) 如果能以某种方法测量草地，树丛和道路等场景的红外辐射，就会发现 由于温度和发射率的变化，各点的量值都是不同的。j 下是这个辐射率的差别 对成像是至关重要的。现代前视红外系统的基本原理是要形成真实的红外场 景图像，探测到红外图像面辐射中的变化量并经过适当的电子学处理，产生 反映这个变化量的可见图像。 过去，红外成像的高成本及复杂性使得该技术仅适用于一些高精端的防 御和科学应用，还不能广泛应用在民用领域。近年来，红外技术得到了迅猛 的发展，主要表现在：探测器的光谱响应从短波扩展到长波；探测器从单元 发展到多元、从多元发展到焦平面；发展了种类繁多的探测器和系统；从单 波段探测向多波段探测发展；从室温探测发展到制冷型探测器，再从制冷型 探测器发展到室温型探测器；从简单的信息处理技术发展到功能复杂而强大 的信息处理技术。 然而随着新技术的发展，尤其是非制冷焦平面阵列的诞生，使得红外成 像系统的成本大大降低。同时又保持了红外成像系统的高性能。这使得红外 技术在民用领域得到了很大的发展。如工业领域的无损检测，夜间巡逻，车 辆识别跟踪等等重要领域，这使得红外成像技术捐j 有非常广阔的前景。 哈尔滨i j 秤人。学硕十学伊论文 1 2 红外图像的主要特点 与可见光成像器件不同，红外成像器件存在光敏响应的非均匀性，甚至 个别光敏元还可能是哑元。因此，红外成像系统不能简单的认为是一个线性 空间不变系统。由此获得的红外图像是一个由真实场景图像、成像噪声和成 像干扰所组成的集合。 红外图像感受和反映的是目标和背景自身向外界红外辐射能量的差异， 因此红外图像主要描述目标和背景的热辐射，它有如下特点： ( 1 ) 红外图像的灰度分布，对应的是目标和背景的温度以及发射功率的 分布。红外成像只能从红外特有的温差图像中抽耿所需信号。 ( 2 ) 由于红外探测器各个探测单元的口向应特性不一致、光机扫描系统缺 陷等原因，造成红外图像的非均匀性，体现为图像的固定图案噪声、串扰、 畸变等。 ( 3 ) 红外目标的增强、检测、识别和跟踪过程都是在背景噪声环境中 进行。这些噪声主要是由于外界环境的随机干扰和热成像系统的不完善所造 成的，主要包括热噪声、散粒噪声、光子电子涨落噪声等等。由于红外图像 上噪声的不可预测性的分御复杂性，使得红外图像的信噪比比普通电视图像 低。 ( 4 ) 红外图像处理方法是建立在二维数掘处理和随机信号分析基础上 的，其特点是信息量大，因而计算量和存储量也大。红外图像处理必须实时、 快速、简单、可靠，因此大容量信息存储和高速信息处理，始终是红外处理 系统的关键技术。 ( 5 ) 由于目标及背景的红外热辐射在传输过程中会受到大气吸收和随机 散射作用，使得红外图像目标和背景的对比度、清晰度和分辨率低于可见光 图像。 ( 6 ) 红外图像像素之问有着良好的空问相关性，图像的灰度均值保持相 4 呤尔滨l 稃人学顾十学伊论文 对稳定，方差变化小，图像边缘平滑，几乎无纹理信息“。 1 3 红外图像识别的发展现状及存在问题 1 3 1 红外图像识别的发展现状 红外图像处理在上仓世纪7 0 年代末、8 0 年代仞曾经形成一个研究高潮， 在这个时期代表性的研究机构有美国海军研究生院、美国福特航空通讯有限 公司，美国海军武器中心、麦道公司以及哥伦比亚密苏罩大学电子和计算机 工程系等。 t h a u a m o n g k o v 等人曾利用机载红外传感器取得八种不同类型舰船的红外 图像，把舰船红外图像的上层结构投影作为研究对象，对原始图像作如下预 处理：( 1 ) 用s o b e l 算子作边缘增强；( 2 ) 取上层建筑边缘：( 3 ) 闭合处理： ( 4 ) 轮廓跟踪。基于b 样条系数，根据领域专家的经验构造精细直观的启发 式特征及推理规则，进而完成识别任务。研究表明样条系数法优于缺乏局部 结构刻画能力的傅立叶系数法。m c l a r e n 等人提出基于知识的二叉树分类器用 于舰船红外目标一维轮廓像分类识别，根掘轮廓像的结构性质推理规则，例 如隆起结构的数量、幅度和跨度，隆起部分在船甲板线上的相对位霄等，在 对5 0 0 个样本的测试中有8 6 的正确率，而不变矩识别方法的识别率为8 0 。研 究中还发现，识别率在很大程度上将取决于红外图像本身的质量。凶此，图 像预处理应摆在显著、重要的位置。 二维不变矩理论是1 9 6 2 年美籍华人胡名桂教授提出的，它是代数不变量 理论发展的产物。具有算法简单，不求取边界，易于硬件实现等特点。近3 0 年来获得了飞速的发展，先后提出了多种矩不变量形式，除了胡名桂提出的 原始定义的几何矩( 又称h u 氏矩) 外，还有基于极坐标表示的旋转矩，以多 项式表示的正交矩，以复数表示的复数矩等，但目前应用最多的还是几何矩。 哈尔演f 稃大学硕十宁仲论文 这些矩具有尺度、旋转和平移不变性的特征无疑是目标识别所需要的。 z v o l u n k 等人利用仿真舰船红外图像进行了先导性研究，研究结果表明， 不变矩对舰船目标的距离、方位具有一定的不敏感性而扶度特征对不变矩 影响较大。因此二值图像及边缘的不变矩优于扶度图像的不变矩。相比之下， 舰船上层结构的二值图像不仅包含了有关舰船类别的主要特征，而且由于避 免了海面反射对舰身结构的影响所以更具稳定性。k o v a r 采用基于边缘的图 像分割方法，着力研究了不变矩特征与傅立叶系数特征融合的识别方法，在 此基础上利用b a y e s 准则进行了分类取得了9 6 的正确识别率“。 1 3 2 红外图像识别存在问题 ( 1 ) 红外图像中目标特征识别的有效性强烈地依赖于图像处l 里的质量。 ( 2 ) 目标识别原则上要求选择和抽取具有不变侄的特征。这样的不变量 是指目标的特性在经历一个或几个变换后仍然保持不变的特征量，如目标尺 度的改变、目标图像的平移、仿射变换等等。而许多特征提取的内容如边界、 区域等数值或符号的描述在经历过变换之后，会发生改变，这晚明了具有绝 对不变性的特征是不存在的。重要的是提取相对稳定的特征，这就对图像预 处理、特征抽取及分类器提出了稳健性和自适应性等基本要求。 ( 3 ) 目标识别技术的迅猛发展，势必引起反目标识别技术的发展。例如 目前世界各国都致力于发展隐形飞机的研究，隐形飞机是改变武器装备等目 标的可探测信息特征，使敌方探测系统难以发现或发现距离短的综合性技术。 综上所述，针对图像的红外特点以及相关的问题，本文提出在红外图像 识别中采用图像增强方法提高图像处理的质量；利用图像规范化方法将图像 规范化到统一的模式，从而解决目标识别中的失真问题。 6 哈尔滨l 稗人中硕十学伊论文 1 4 红外图像的预处理 红外探测成像技术是综合红外成像、图像处理、自动控制、计算机科学 等多门学科的一门综合技术。红外目标图像预处理包括阻抗匹配、幅值调整、 数字化、滤波、分割、增强、图像校正等等，其中图像数字化、滤波和图像 分割是关键。图像数字化是将探测器获得的模拟图像信号经高速a d 变换器 转换为序列数字信号；滤波主要是为了降低噪声，平滑处理图像信号；图像 分割是将目标从背景中分割出来；校j 下是为了解决图像的失真问题。 对于红外图像的处理，更是涉及到图像理解、模式识别、图像检测、分 割等众多的图像处理技术。 而图像规范化以及图像增强都是非常重要的图像预处理方法，它们在红 外图像处理中都是重要的环节。 对于一幅红外图像，很多情况下，并不能够直接拿来使用，需要经过多 种图像处理之后，得到比较适合的图像质量，然后j 进行诸如边缘检测、特 征提取、图像融合等等操作。例如在复杂背景条件下红外图像存在对比度差 和信噪比低等缺点，因而必须对红外图像进行平滑和锐化处理，提高目标与 背景的对比度，增强图像数据的可用性，尽量检测出目标，将原始图像信号 变成更适合进行特征提取的形式，而处理的结果直接影响到后续的分割和目 标识别等处理的质量。同时图像由于各种原因产生的失真，例如在飞机图像 的识别中，由于飞机在空中飞行时，飞机的姿态是任意的，而且机载摄像机 对目标的位置和方位也是变换的。图像的规范化就是在图像进一步的处理酊， 先将目标图像变换到固定的大小和方向，这样更有利于图像的识别和特征提 取。如果可以将这些失真较j 下过来，将会非常有利于图像的后续处理过程。 哈尔滨1 i 群大学硕+ 学忙论文 1 5 图像规范化的发展 图像规范化是基于几何不变域或者几何不变矩的一种图像预处理方法。 基于几何不变域是利用具有几何不变性的图像变换域进行规范化，例如 利用d f t 变换域的平移不变性，r u a n a i d h 年h p u n 中提出了用f o u r i e r m e l l i n 变 换( f m t ) 来消除旋转、缩放和平移变换“，这是变换域算法中最具代表性的 一种算法，主要步骤有：( 1 ) 计算图像的d f t ，得到平移不变性；( 2 ) x , 寸d f t 的 幅值进行对数一极坐标变换( l p m ) ，将笛卡尔坐标系中的缩放和旋转对应于对 数坐标系中的平移：( 3 ) 再对对数一极坐标系上的系数作d f t ，耿d f t 的幅值， 得到的空间具有r s t 不变性。但是这种方法在实际中需要很大的计算量，难以 实行。w u 和l i n 提出将f m t 变换后的图像转换到极坐标上“，但是对数极坐标 变换使算法的运算速度慢且误差较大。 r a d o n 变换是一种线性积分变换，常被用来做图像重建处理。利用r a d o n 变换具有线性、移位、旋转、缩放等特点，可以实现r s t 的不变特征1 。 基于不变矩的图像规范化是通过利用图像的不变矩寻找一组参数使其能 够消除其它变换函数对图像的变换的影响。即图像规范化过程是根掘图像的 矩来寻找一些合适的变换参数，将原始图像变换到其唯一的标准形式，而且 即使原始图像经过某种不可预测的几何仿射变换，仍然能够利用这些矩来确 定变换参数把变换后的图像规范到原始图像的标准规范化图像”。 矩在统计学中用于表征随机量的分布，而在力学中用于表征图像的空间 分布。若把二维图像看作是二维密度分布函数，就可以把矩技术应用于图像 分析中。这样，矩就可以用于表征一幅图像并提取与统计学和力学中相似的 特征。近年来，不变矩的特性已经引起了图像界人士的高度重视。h u 在1 9 0 2 年首先提出了矩不变量的概念，他使用规则矩的非线性组合提出了一套矩不 变量在图像的平移、伸缩和旋转变换下保持不变“。 t e a g u e 从图像重建的角度出发，引入了基于j 下交多项式的z e r n i k e 矩。 r z e r n i k e 矩是z e r n i k e 于1 9 3 4 年提出的一个来自于单位圆内部的、完备f 交集 的复数多项式集。z e r n i k e 矩具有两个明显的特征：一是幅度具有旋转小变性、 对噪声的健壮性、没有信息冗余和表示方法更加有效；二是图像非常容易从 z e r n i k e 矩中重建h , f 1 o 使用z e r n i k e 矩可以很容易地计算任意高阶的矩不变 量。此外，伪一z e r n i k e 矩是基于z e r n i k e 矩的修改”，它和基于l e g e n d r e 多 项式的l e g e n d r e 矩也是j 下交矩“。旋转矩将矩不变量的定义扩展到任意阶， 并能保证随着阶次的增加其幅值并不明显减小“。 之后，a b u m o s t a f a 和d p s a l t i s r 引入了复合矩的概念“。 g o s h i d a 和w u 使用谱矩来分类伸缩和旋转过的纹理图像，用功率谱代替 灰度级来计算矩值以及积分区域随尺度的调整克服了灰度级图像计算不稳定 的缺陷一。s h e n 等提出了一套可分类具有细微差别的相似物体的小波不变量， 根据小波不变量的判别测度可自动选取适于分类的不变量特征“。y a n g 和 c o h e n ；j l 入了具有分数权值的叉全矩，由叉全矩易于得到用于目标匹配和定位 的全局仿射不变量“。矩技术在数学上的简明性和多样化使其在图像处理、 计算机视觉和模式识别领域得到了广泛的应用。 由于相机位置导致的四种基本的几何变形有：平移、旋转、伸缩、剪切。 在文献 2 8 ，2 9 中提出的规范化方法，将各种仿射变换分为这四个基本的几何 仿射变换的组合： 鞍 掉兰咖s i n o 仙 i a 。球p u l y - 习y s ， 从左到右分别为旋转、伸缩、剪切、平移四个简单变换。整个步骤也分 四步，每一步利用前一步变换后的图像的矩束计算出抵消其中一种基本仿射 变换的参数。而文献 3 0 ，3 1 中，根据图像提取的边界点作为特征点进行配准， 按照仿射变换的性质建立仿射变换模型，通过计算两幅图像的边界互相关矩 阵，找出最大相关位置，确定参数。 哈尔滨+ 拌人学碗十学忙论文 1 6 本文的主要内容 本文首先介绍了各种基本知识：包括红外成像的原理，红外图像的特性， 图像仿射变换的概念以及基本的变换模型，最后是强大的实验仿真工具 m a t l a b 的概况和特点。 接着本文先以三种常见的滤波降噪方法进行降噪处理，包括：邻域平均、 中值滤波、b u t t e r w o r t h 低通滤波，通过这三种方法的比较，选出较好的一种。 然后利用拉普拉斯图像增强算法对红外图像进行增强处理，在受限拉普拉斯 锐化算法4 的基础上，本文构建了改进的高提升滤波器来增强图像，它能够 同时调节图像的锐化程度和亮度。 j gl e u y f i 用图像的二阶中心矩提出了图像紧凑算法”“，但是该种算法 并不能彻底解决旋转，歪斜和翻转变换问题。 本文分析了紧凑图像的特性，以紧凑图像的特征为基础，充分利用了紧 凑图像的优点，提出了一种有效的算法，具有平移、旋转、伸缩、歪斜和翻 转不变性，通过实验验证了算法的可行性。 在绝大多数基于几何矩的规范化算法中，往往要涉及到高阶矩。而本 文中的算法中使用到的最高矩也只是二阶中心矩，计算过程相对简单，与众 多规范化算法相比具有明显的运算快捷的优点，而实验也证明了它的有效性。 哈尔滨1 拌人学硕+ 学忙论文 第2 章红外图像处理基础理论 2 1 红外成像的原理 红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统，该系统利用目标与环境之 间由于温度辐射与发射率的差异所产生的热对比度不同，把红外辐射能量密 度分布探测并显示出来，成为“热像”。它首先通过光学系统将红外辐射变为 电信号，该信号的大小反映出红外辐射的强弱，然后通过电视显像系统，经 过电子学处理，将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在监视器上显示出 来，实现从电到光的转换，得到反映目标热像的可见图像。在热像仪中具体 实现的各项功能由它的各个部件完成的。当代使用的热像仪主要由光学系统、 扫描器、红外探测器、信号处理电路和显示记录装置等几部分组成。图2 1 为热像仪工作过程的原理图： 图 图21 红外热像仪原理| ! i l l 哈尔滨i 秤人学确十字伊论文 红外探测器是热像仪的核心部分，它实现光电转换的功能。红外光学系 统的作用是会聚被测目标的红外辐射，经过光学和空问滤波，将景物的辐射 热度聚焦到探测元件的焦平面上，由于探测器的尺寸很小，所以系统的瞬时 视场也很小，为了对大视场的物面成像，需借助于光机扫描器以瞬时视场为 单位，由探测器连续地进行水平、垂直方向扫描”。 热像仪中，红外探测器输出的信号非常微弱，只有通过充分放大和处理 后才能加以显示，因此信号放大和处理是热成像装置中的重要组成部分。装 置后部的电子组件，完成探测器输出信号到图像信号的体制转换和进行改善 像质的图像处理。 热像仪接收到目标的辐射能量后，将光辐射能量信号转化为电信号，该 电信号经过实时数字处理后，以热电平形式输出，如下式所示： ，= 击 c z - ， 式中p ，q ，v 为热像仪系统标定常数，仅与热像仪的光学系统( 波段、 视场、孔径) 、红外元件相应功率及电子放大系统等因素有关，t 为目标等效 黑体辐射温度。 热像仪所测得目标的热图，是根据目标和背景之问的温度分御差，以及 发射率的差异而成像。此时，热像仪测得目标温度值为等效黑体辐射温度。 一个目标表面的辐射温度大小，不仅依赖于它本身的真正温度，而且还与其 表面的状态、辐射系数e a a 、波段及环境等因素有关。 成像系统所敏感的是目标一背景的对比度，即目标的总辐射照度e 。与背 景总辐射照度e 耐之差世。 假设大气路径的瞬时辐射照度对目标和背景的影响是相同的，即以相同 的方位和距离对二者进行测量，则可得到： e 咖= j k o ( z ，壮。( 丑m ( a ，瓦) + 岛以m ( 丑，乙) 】+ n l n ，r ) m ( 丑，l ) d 五 ( 2 3 ) 将上面两式相减可得到下式， a e 。= 肛以，r 枷，以，f ) 一m ，( 旯，瓦熵丑 ( 2 4 ) 上式中：下标t 和b 分别代表目标和背景，其中： m 。以，r ) = s ，n m 以，z ) + “以m 以，乙) m 。以，瓦) = s 。( a ) f ( 丑，瓦) + p 。以) 彳( 五，乇) ( 2 5 ) 公式( 2 4 ) 中包含了决定目标可探测性的所有基本要素。表明目标发射 率和表面温度( 与表面辐射度相关) 是影响辐射对比度的两个目标物理参数。 所以说，红外成像系统所敏感的是景物各部分的温差、发射率( 及反射率) ， 而不是单纯的目标辐射强度的强弱。 2 2 红外热像仪的发展 红外热成像系统的性能主要决定于红外探测器的水平，根据红外探测器 的类型和性能水平。可以将红外成像系统的发展分为三代： ( 1 ) 第一代红外热成像系统主要由红外探测器、光机扫描器、信号处理电 路和视频显示器组成。它的特点是探测器的数量少于图像中的像元数量，并 且采用光机扫描装置。 ( 2 ) 第二代热像仪通常定义为具有焦平面探测器的热像仪。二代的特点一 是像元多，以至于可直接放在望远镜的焦平面上而无须光机扫描机构；二是 探测信号的读出、处理工作由与探测器芯片连在一起的集成电路完成。第二 哈尔溟1 稃人宁硕十宁忙论文 代红外热成像系统与第一代通用组件相比响应速度更快、分辨率更高、视场 更大、尺寸更小、质量更轻、能耗更少、自动化程度更高，且应用范围更广。 第二代热成像系统采用位于光学系统焦平面、具有g 聊元且带有信号处理的 面探测器，即红外焦平面探测器阵列。红外焦平面探测器阵列是探测器制造 技术和大规模集成电路结合的产物，它的优点是既能在焦平面上封装高密度 探测器，又能在焦平面上进行信号处理。它具有两种工作方式：一种是扫描 式，其阵列规模多在5 0 4 1 0 0 0 3 2 元之间，前一数字表示分辨通道的数目， 后一数字决定时间延迟和积分的次数；另一种是凝视式，其阵列觇模在 3 2 x 3 2 5 1 2 5 1 2 元之间。阵列中元数越多，能获得视场景物的分辨率就越 高。 ( 3 ) 第三代热成像器件( 即红外焦平面凝视式阵列) ，其发展已r 趋成熟， 5 1 2 x5 1 2 元高密度c m t 阵列已经问世。 根据红外焦平面阵列在军事、民用等方面的要求，未来红外焦平面阵列 的主要发展方向为： ( 1 ) 集成化。探测器材料与电路集成，杜瓦与制冷、光、机、电的集成。 ( 2 ) 长线列、大面阵列的发展。 ( 3 ) 小型化、重量轻、容易携带。 ( 4 ) 双色、多光谱。 ( 5 ) 高温化使用。 ( 6 ) 智能化。对于不同目标能自动调节窗口。 近年来，低成本的非致冷成像系统得到飞速发展，非致冷热成像技术采 用热电探测器探测景物的热辐射，利用热电探测器对红外辐射引起的温度变 化敏感，而温度变化速度和探测器某些电参量成正比，通过光电和电光转换 成像。其主要优点是可以在一般环境温度下工作，不需要致冷；缺点是灵敏 度低和响应速度慢。非致冷焦平面的出现和应用是红外技术的一次革命，拓 呤尔滨l 科人学硕十学付论文 展了红外热成像技术在军、民用领域的发展”1 。 2 3 数字图像的表示 一般的图像都是模拟图像，即图像上的信息是连续变化的模拟量。将图 像进行采样和量化之后，转变成数字图像。在计算机中数字图像就是一个灰 度值的二维数组。该数组若以，g ，y ) 来表示，其含义就是位于坐标( x ，y ) 处的 像素，其灰度值是厂g ，y ) 。 2 4 红外图像噪声分析 红外图像的信噪比一般比可见光c c d 电视图像低，而且噪声情况十分复 杂，不论是外界环境的随机干扰，还是内部物理量的随机变化均可产，图像 噪声。红外热图像的噪声除了有随机闪烁的颗粒噪声外，还有固定图案噪声。 随机闪烁的颗粒噪声主要由红外背景辐射的光子起伏、红外探测器光电转换 噪声和信号读出与处理电路的附加噪声引起，而固定图案噪声则主要由红外 探测器本身响应率的不均匀、成像缺陷和杂波干扰所产生。噪声来源多样， 噪声类型繁多，这些都造成红外热图像上噪声的不可预测的分白复杂性。但 固定图案噪声的影响远大于随机噪声“。 2 5 红外图像的对比度和分辨率 ( 1 ) 红外图像对比度。红外热像仪是一种利用目标与背景之恻的温差柬 成像的成像装置。由于一般景物的温差比较小，再加上经大气传输、热像仪 中光学部分和电子处理部分过程中损失的灰度级，所以红外图像的对比度比 较低，不利于人眼的观察。通常可以在灰度直方图中看出此特征，往往表现 哈尔滨i 一拌大宁硕十学仲论文 为绝大部分灰度集中于某些相邻的狄度级范围内。 ( 2 ) 红外图像分辨率。红外成像系统由于探测器阵列数目有限及探测单 元尺寸的限制，空间采样频率无法满足采样定理，图像空例分辨率低，混频 现象有时很严重。而制造密集的红外焦平面阵列，工艺复杂，费用昂贵。按 照傅立叶光学的观点，光学成像系统是一个低通滤波器，由于受到光学衍射 的影响，其传递函数在由衍射极限分辨率所决定的某个截止频率以上，其余 全为0 。而大多数自然景物空间频率较丰富，包括各种高频信息，红外成像 系统由于光学衍射和有限的探测器尺度，成像过程中，图像信号的高频部分 ( 细节) 会有所丢失，造成图像的模糊和变形。所以目前的红外热像仪输出 的红外图像分辨率较低。1 。 2 6 红外图像增强算法概述 图像增强的主要目的有两个：一是改善图像的视觉效果，提高图像成分的 清晰度；二是使图像变得更有利于计算机的处理。图像增强理论目前尚无统 一的权威性的定义，因为还没有衡量图像增强质量的通用标准。 从增强处理的作用域出发，图像增强方法基本上可分为空间域处理和频 率域处理两大类。 空间域( s p a t i a ld o m a i n ) 处理是在原图像上直接进行数据运算。它又 分为两类，一类是在与像素点邻域有关的空间域进行，称为局部运算，例如 空间域卷积运算。另一类是对图像做逐点运算，称为点运算。处理可以是线 性或非线性的，例如用指数、对数、比值、黑白到彩色的变化等。空问域方 法的图像增强技术可描述为g ( x ，y ) = ，( x ，y ) h ( x ，y ) ，其中厂( x ，y ) 是处理f j i f 的 图像，g ( x ，y ) 表示处理后的图像，h ( x ，y ) 为空蚓运算函数，它是作用在厂g ，y ) 上的一个算子。 1 6 哈尔滨。样人中硕十学忙论文 频域( f r e q u e n c yd o m a i n ) 处理主要是通过某种变换( 如傅立叶变换、余弦 变换、小波变换等) ，将图像变换到频域，对图像的变化系数值进行运算，即 作某种修正，然后通过逆变换得到增强后的图像。它主要包括低通和高通滤 波，低通滤波用来消除噪声，高通滤波用来提升边缘、轮廓。这是一种问接 增强的方法“。 图2 2 列出了图像增强方法的分类概况。 r 幽像平滑 中佰滤波 邻域增蛆 l选择式掩模平滑 l 图像锐化j 。8 p 1 8 。i 8 “算子 。j ，假彩色处理1 亲霾差篓法 彩色技术t 伪彩色处理l 磊孬莓羞墓 r 低通滤波 1 、同态幽像增强 图2 2 图像增强的分类 本文中涉及到的滤波降噪方法包括：邻域平均、中值滤波、b u t t e r w o r t h 低通滤波。图像增强方法主要为拉普拉斯算子方法。图像增强算法的优劣不 是绝对的，由于具体应用的目的和要求不同，所需要的具体的增强技术也大 不相同，因此没有图像增强的通用标准，观察者j 。是某种增强方法优劣的最 终判断者。增强算法处理的效果，除与算法本身有一定关系外，还与图像的 法 法 域 域 问 率 空 频 ，、l 强增缘图 哈尔滨1 。科人学硕十学伊论文 数据特征直接相关。实际中应当根掘图像数掘特点和上作要求束选择合理的 图像增强处理方法。 2 7 常用矩的基础知识 2 7 1 规则矩 密度分布函数为g ，y ) 的二维信号的0 + g ) 阶矩m 。定义为 肌w = 仆”y 。似，y ) d x d y ( 2 6 ) ) 的离散数字图像，( f ，) 的二维矩为 ，= lt = m l 埘。= i ，9 f ( i ，) ( 2 7 ) 阶次为胆的规则矩的完备集包括所有满足p + g 条件的。，因而共 有三o + 1 + 2 ) 个元素。单项式x p y q 是这种矩定义的基底函数。 厂g ，y ) 的中心矩定义为： 。：j 弘一；r 一歹，似，y ) d x d y ( 2 - 8 ) 其中；：鱼，歹：堕。 0 0 m o o 2 7 2 矩不变量 h u 对于连续函数定义了e h - - - 阶中心矩的非线性组合构成的七个量值，它 们对目标的位置，尺度和方向的变化保持不变： 哈尔滨i 稃大学硕十学忙论文 i = 叩2 0 + ，7 0 2 ( 2 - 9 ) 0 2 = 0 2 0 一玎0 2 ) 2 + 4 2 ，= b 3 0 3 q 2 ) 2 + ( 3 叩：，一7 7 0 3 ) 2 巾。= b 。+ 玎：) 2 + 白：，+ 玎。) 2 中，= 白。一3 t ? 。：x , 7 。+ 叩：) 幻。+ ，7 ：) 2 3 0 ： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) + ( 3 一q 0 3 x , 7 ：。+ q 0 3 ) 鼬，。+ ) 2 一白：+ 1 7 0 3 ) 2 ( 2 1 3 ) 中。：( 7 7 ：。一q 0 2 ) 鼢。+ ) 2 0 ：，+ ) 2 + 4 q o 。+ 勋：+ ) ( 2 1 4 ) ，：渤：一勋。+ 7 , 2 ) l + ) 23 ( 1 ：+ ) 2 一b ，。一3 q ：x , 7 ：。十) b 。+ ) 2 一( + 1 7 0 3 ) 2 ( 2 1 5 ) 其中叩。为归一化后的中心矩，定义为 2 7 3 弧角矩 玄 r = 0 + q + 2 ) 4p + q = 2 ，3 ，a ( 2 1 6 ) r e d d i 给出了在极坐标表示下矩不变量的替换公式“。弧角矩的定义如下 掣， ，厂) = j r 儿，p 抄 ( 2 1 7 ) 0 t e a ( p ，q ，) = i c o $ p 臼s i n 。o ( r ，p 口 ( 2 1 8 ) 甲，驴) = 甲。( o ，0 ，f ) 9 ( 2 1 9 ) 哈尔滨l 。稗人学硕十学忙论文 甲 ，p ，q ，厂) = kc o s p 鲥n 9o f ( ，o ) d ，d o ( 2 - 2 0 ) 一z 0 p 月= 甲0 + q + 1 ，p ，q ，f ) ( 2 2 1 ) 其中，为极径，口为檄角。 用弧角矩重新定义h u 的矩不变量，其公式如下： m 。= 甲，( 3 ，甲。( ，) ) ( 2 2 2 ) m ：1 掣，( 3 一惦脚) 】2 ( 2 2 3 m ，：阿4 ，皓脚) 】2 ( 2 2 4 ) m 。：i 甲，4 ，皓p ) 】2 ( 2 2 5 ) m ，= r e w ，4 ，匕舯) ) 一3 ( 4 ，1 9 ) ) 】 ( 2 - 2 6 ) m 。= r e h “，( 3 ，甲。口。) ) 甲，2 ( 4 ，甲。1 8 ) ) j ( 2 2 7 ) m ，= i m 卜，( 4 ，p 8 ) ) 甲，3 ( 4 ，甲。1 8 ) ) j ( 2 - 2 8 ) 弧角不变量的通用格式为： 凡：阿忙，甲。( e 柙) 】2 ( 2 2 9 ) 通过这个定义，无需代数不变量就可以得到绝对的矩不变量。若图像厂( ，口) 的 弧度变化口倍，则弧度矩为： 甲， ，厂，口) ) = a - ( k + l 甲， ，厂( ，目) ) ( 2 3 0 ) 这表明通过选耿能够删去g t 的分母就可得到具有尺度不变性的弧角矩。 2 7 4 旋转矩 旋转矩是基于图像极坐标表示的，具有很好的旋转变换特性。 哈尔滨。样人中硕十学伊论文 旋转矩与规则矩的关系如下： 。，= = 委警”r 。 ； ! - 。一：，一。：，+ 。 cz 一， 其中 w = ：；甾 弦，z ， 且g = 当g i t l ) 。 使用旋转矩，图像旋转角后的旋转矩等于原旋转矩旋转角。 见，= e ( 9 ) 见f ( 2 3 3 ) 当弧度扩张口倍后，图像的旋转矩与原图像的旋转矩关系为： d 。，= n ”“d 。， ( 2 3 4 ) 2 7 5 几种重要的正交矩 l e g e n d r e 矩、z e r n i k e 矩和伪一z e r n i k e 矩都是经常用到的重要的正交矩。 ( 1 ) l e g e n d r e 多项式只g ) 在 一1 ，1 范围内是一完备正交基“，其定 义如下： 删= 古羹”采磊x “” 沼，s ， 或简写成 只g ) = c 。x ( 2 3 6 ) c 。= ( _ 1 ) h ) ，2 上2 ( n - k ) 垒2 h ( n 生+ ! k 一) 2 1 k ! 盯一= 偶数( 2 - 3 7 ) 哈尔滨j 蹿大中硕十学伊论文 以l e g e n d r e 多项式只g ) 为币交基定义l e g e n d r e 矩p v 铲掣批乞m ，胁 协，s ) l e g e n d r e 矩与规则矩的关系为： ( 2 ) z e r n i k e 矩 三。= 垦掣喜砉c ，c ，。脚。( 2 - 3 9 ) 以复域z e r n i k e 多项式为基，得到了具有正交、旋转不变特性的 z e r n i k e 矩z e r n i k e 胛阶多项式定义为 ，g ，y ) = r 。，p ) e 柙0 f n 一，= 偶数 其中，多项式r i ( r ) 由下式给出： 训= 差2 ( - 1 ) “而i 袁最生硼，”2 协。 或简写成 月。，( ，) ( 2 4 1 )