（电力系统及其自动化专业论文）红外图像增强算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i n f r a r e dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g yw h i c ha c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c e o fo b j c o t st e m p e r a t u r et of o r mi m a g eb e i n gr e g a r d e dh i g h l yb yp e o p l eg r a d u a l l y i nt h ee l e c t r i c a lp o w e r s y s t e m ，i td o e sn o tr e s t r i c tt h eo b j e c tf o r m ，n o td a m a g i n g o b j e c ti n n e rs t r u c t u r e ，c a nc a r r yo u to n l i n ed e t e c t i n g t of o r mi n f r a r e di m a g ef r o me q u i p m e n ti si n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e m ， a n dt h es t a r i n gi n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a yt h e r m a li m a g i n gs y s t e mi sm a i n l y a p p l i e di nt h ee l e c t r i cs y s t e m a l o u t h g hi th a sm u c hm e r c i t ss u c ha se a s yt ot a k e 、 e a s yt oo p e r a t e 、h a v i n gh i g hr e l i a b i l i t ya n ds oo n f l yi nt h eo i n t m e n t sb et h a t i m a g eg a i n e db yw h o s ei sc o m p a r a t i v e l yb l u r r e d ，s ow eh a v et oi m p r o v et h e i m a g e t h ep a p e rf o c u so nr e s e a r c h i n gt h ei m a g ew h i c hi sg a i n e df r o mt h es t a r i n g i n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a yt h e r m a li m a g i n gs y s t e m b e c a u s eo fi n f r a r e di m a g e s s t r o n gc o n j u n c t i o nb e t w e e nt h et a r g e ta n db a c k g r o u n d ，w ec a n n ts t r e n g t h e nt h e b l u r r e di m a g ew e l lw i t ho n ea r i t h m e t i c s ow eh a v et om a k eu s eo fm o r e a l g o r i t h m i c s c h a r a c t e r i s t i ct oa c c o m p l i s ht h ea s s i g n m e n t i nt h e s ea r i t h m e t i c ，t h eh i s t o g r a mb a l a n c e d a l g o r i t h md e a lw i t hi m a g eb y d e n s i t yb a l a n c e d ，w ei m p r o v ei tb yt h eg r a d a t i o nt ob eb a l a n c e df o u n d a t i n g d e n s i t yb a l a n c e d ，i tc a na v o i dl o s s i n gg r a d a t i o nt h a tt h eo r i g i n a lh i s t o g r a m b a l a n c e da l g o r i t h m p r o c e s s i n gt h ei m a g e a f t e rt h a t ，t h es i m u l a t i o nh a sc o n f i r m e d t h ei m p r o v e m e n t sa l g o r i t h mv a l i d i t y b e c a u s eo fi n f r a r e di m a g e ss t r o n g c o n j u n c t i o nb e t w e e nt h et a r g e ta n db a c k g r o u n d ，a n dn o s i ed i s t r i b u t e si n d e p e n d e n t c h a r a c t e r i s t i c ，s ow eu s ep a r t i a ls m o o t h n e s s a l g o r i t h mt op r o c e s s i n gt h ei m a g e t o a v o i de x c e s s i v e l ys l a c k e n i n gt h ed e t a i l ，w eh a v et os e tw e i i 9 1 l tv a l u et od e a lw i t h t h ep r o b l e m t h i sa r t i c l ef i r s tu s e st h eo p e r a t i o na l g o r i t h mt oc a r r yo nt h ee n t i r eg r a d a t i o n p r o m o t i n gt ot h ep i c t u r e ，t h e nu s i n gt h ep a r t i a lo p e r a t i o nt oc a r r yo ns m o o t h i n g o ro np e a k i n gt ot h ep i c t u r e ，a n du s i n ga d da l g o r i t h mg r a d u a l l yt os t r e n 。舀h e nt h e o r i g i n a lp i c t u r e ，a f t e rt h a tu s i n gt h eh i s t o g r a mb a l a n c e di m p r o v e m e n t sa l g o r i t h m p r o m o t i n gc o n t r a s tg r a d i e n t i no r d e r t ob ea d v a n t a g e o u sf o rt h ed e m o n s t r a t i o n ， u s i n gt h ep o w e ro p e r a t i o na l g o r i t h mt oc a r r yo nt h eg r a d a t i o no v e r a l ls i t u a t i o n p r o m o t i o n i nt h ee n d ，u s i n gt w ot i m e so fc o n c a v ef u n c t i o n st oc o m p r e s st h el o w 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 g r a d a t i o nl e v e la n ds i m u l t a n e o u s l yt op r o m o t et h eh i g hg r a d a t i o nl e v e l i no r d e r t os h a r p e nt h ep e r s o ne y er e s o l u t i o n ，w ec a r r yo nf a l s e c o l o r e dp r o c e s s i n gt ot h e p i c t u r e ；f o rt h eb e t t e ra n a l y s i sb r e a k d o w na n dt h e l a t e n tb r e a k d o w n ，t h i sa r t i c l e u s e db i o r 4 4t oc a r r yo nm u t u a lr e c o g n i t i o na r r a n g e n t ( m r a ) ，t h es i m u l a t i o n r e s u l th a si n d i c a t e dt h a tw ec a nd i r e c td i a g n o s i sa n dt h el a t e n tb r e a k d o w ni nt h e o b e y i n gt h es o np i c t u r e w et r yo u rb e s tt om a k et h eb l u r r yi m g a eh a v ev i v i dd e m o n s t r a t i o ne f f e c t b ys t r e n g t h e n i n gw a y w ec a nd i s c o v e ra n dl o c a t et h eo b v i o uf a i l u r e ，a n dm a y a n a l y z et h e l a t e n to n eb yt h e i m a g e t h i s w i l lm a k ee x a m i n a t i o nh a v ea p r o f o u n d e rs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：h i s t o g r a me q u a l i z a t i o na l g o r i t h ms t a r i n gi n f r a r e df o c a lp l a n e a r r a yt h e r m a li m a g i n gm a c h i n e m u t u a lr e c o g n i t i o na r r a n g e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 红外发展简史 1 8 0 0 年，英国天文学家威廉赫谢尔限w - h e r s c h e l ) 在用普通温度计测量 太阳光谱各部分时【l l ，发现了一种能产生热效应的“不可见的光线”，由于当 时认为它在红光之下( 外端) ，因此取名为红外线( i n f r a r e d ) ，简称为l r ，至今 已有二百多年的发展历史。 1 8 6 9 年，英国罗斯用热电偶测量了月球的红外辐射；1 9 0 0 年德国物理学 家普朗克提出了包括红外线在内的光谱辐射定律；二十世纪二十年代，美国天 文学家柯布伦茨等人对行星和一些恒星进行红外测量。但在此前后的一百多 年中，红外技术进展缓慢，主要是由于缺乏有效的红外辐射探测手段。 红外辐射探测技术，由于其对目标背景温差的敏感性、对云雾等恶劣气 候的强穿透性和探测手段的隐蔽性，越来越受到人们的重视，近五、六十年 以来，其发展有加速的趋势。 第二次世界大战中，德国人于1 9 4 4 年将红外夜视技术与坦克装甲火炮的 瞄准控制系统连接起来，这是红外技术首次在军事上得到重大应用。在随后 的几次重大战争中，红外探测技术都发挥很强大的威力。在六、七十年代发 生的越南战争初期，越军用苏制萨姆一7 红外制导导弹在头三个月内就击落 了2 4 架美军飞机。后来，美国发明了红外诱饵弹，才使得萨姆导弹的命中率 大大下降。随后，前苏联改进了萨姆导弹，它能够分辫出诱饵弹与飞机的红 外辐射差别，并在第四次中东战争中再次扬威，击落了大量的以色列战机。 但其后以色列人采用一种新的“喷油”诱饵来干扰。由于燃油燃烧时发出的红 外辐射很强，且与飞机尾气产生的红外辐射特性极相似，这就使得萨姆7 导 弹分辫不清哪是飞机哪是诱饵，因此在对抗中再次处于下风。 1 9 8 1 年，以色列空军长途奔袭伊拉克首都巴格达东南郊的核反应堆基 地，先用红外制导导弹精确地穿透水泥混凝土圆形屋顶后爆炸，飞机再鱼贯 俯冲，将炸弹投进炸开的缺口。仅2 分钟，就将历时5 年、耗资4 亿多美元 的核反应堆化为废墟。1 9 8 2 年马岛战争中，英国空军发射了2 7 枚新型的美 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 制“响尾蛇”a i m 9 l 型红外制导导弹击落阿根廷空军飞机2 4 架；在同年黎巴 嫩贝卡谷地空战中，以色列空军击落的叙利亚飞机4 4 架中半数是被红外制导 导弹击中的。在海湾战争、科索沃战争和阿富汗反“塔利班”战争中，红外精 确制导技术都发挥了巨大的威力【2 “。 红外线波段位于可见光和微波之间，即约为0 7 6 1 0 0 0 微米( u r n ) ，为 人眼所不能感知。光学上习惯于划分波段来理解，习惯上人们将它划分为以 下几个波段：l 、近红外段0 7 6 1 3 u r n ；2 、短红外波段1 3 - 3 u r n ；3 、中红外波 段孓_ 8 u m ；4 、热红外波段8 1 4 u m ；5 、远红外波段1 4 - - - 1 0 0 0 u m 。 由于不同波段的红外辐射在大气中传输的衰减特性不同，存在着多个大 气衰减较弱的红外波段，这几个波段统称为红外“大气窗口”。只有位在“大气 窗口”内的红外辐射传输探测才是较有效的。日前常用的红外探测波段有两种 一个是3 5 u m 的中红外波段：另一个是8 1 4 u m ( 或8 1 2 m ) 的热红外波 段，亦有的文献称此波段为远红夕f ( l o n gi n f r a r e d ，简称：l i r ) 波段。另一个探 测波段为2 2 5u m ，属于短波红外波段的大气窗口。 承 ， 簪 錾 翟 图l l “大气窗口”的三个波段 d c蛐 m 叫阻曩昌i 替- u 疆 _ 嘲i 囊丑z 姚 ? i l b t 长 3 1 0 n3 m3 d m m3 0 0 p m3 3 j t m3 x 1 驴一i m ji 地一i p $ - 钏恤一路一札m 州一4 7 ，k 图l 2 红外波段的波长及频率 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 我国红外技术的发展及红外成像应用 现代红外技术始于1 9 4 0 年前后，以德国人研制生产并投入应用的p b s 红外探测器为标志。后来，美国接收了德国人的技术设备并加以发展。1 9 5 9 年9 月美国公布的红外技术指标表明，此时红外研究已成为一门成熟的学科。 虽然在1 9 5 3 年初，中科院应用物理研究所就开始研制硫化铅红外探测器，但 我国真正意义上的现代红外技术研究，始于1 9 5 8 年1 7 l i s l e ”。1 9 5 8 年秋，台湾 海峡发生空战，我方获得了一枚台湾刚使用的美国新装备部队的响尾蛇导弹， 并进行了解剖和仿制，定名为“5 5 号任务”，结果研制出了高性能的p b s 红外 探测器，这样就成功“引进”了1 3 微米波段最常用的近红外探测器。1 9 6 0 年 研制出了红外雷达原理模型。 1 9 6 4 年确定了上海技术物理研究所和昆明物理研究所为红外技术的专 业研究所；同年，我军空军导弹部队打下了一架美制侦察机，获取了以锗掺汞 ( g e ：h g ) 红外探测器的一架红外相机，试制红外相机的任务定名“6 5 1 任务”， 结果获得成功，后来将o e ：h g 红外探测器换成了更先进的锑锡汞( h g c d t e ) 红外探测器，这样8 1 4 微米波段常用的红外探测器也被“引进”。 1 9 6 5 年4 月9 日，在我国南海上空击落了一架美国f 4 b 飞机，飞机上 的红外雷达用的是锑化铂( i n s b ) 光伏型红外探测器，属于3 5 微米的中红外 波段，仿制这一波段红外雷达的任务代号为“5 2 8 任务”，结果亦获成功。就 这样，通过三次“引进”，我国跟踪掌握了红外探测技术中最重要的这三个“大 气窗口”探测波段的先进技术。 “文革”期( 1 9 6 6 1 9 7 6 ) ，还增加十一所、五院三分院、6 1 2 所等几个专业红 外技术研究所，一些大学如山东大学等也增加了红外专业组。全国还出版了 多种有关红外技术的期刊，如：激光与红外( 1 9 7 1 年) 、红外与激光工程 ( 1 9 7 2 年) 、红外物理与技术( 1 9 7 4 年，到1 9 8 2 年分为单月刊的红外 和双月刊的红外研究，后者于1 9 9 1 年改名红外与毫米波学报，并在“文 革”后期逐渐增加了定期的学术交流。 1 9 8 8 年和1 9 9 0 年，我国两次成功发射与太阳同步的“风云一号”红外气 像卫星；1 9 9 7 年发射成功与地球同步的“风云二号”红外气象卫星。这标明我国 在这一领域取得了重大进展，同时对国民经济产生了深远的影响。 目前，我国军用红外热像仪的研制已走过了“从无到有”的阶段1 9 1 1 ”j ，以 使用8 元s p r i t e 探测器为代表的第一代红外热像仪并逐渐过渡第二代凝视 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 焦平面热像仪，如z t z 9 9 主战坦克已经内装有新型的红外热像仪及激光测距 仪，作战时可实现3 6 0 度全方位搜索，热像仪在夜间探测距离可达到4 0 0 0 米，识别目标距离可达到2 5 0 0 米。而兵器杂志的记者，在兵器工业西光 集团的展位上了解到，参展的红箭9 重型反坦克导弹，热成像观瞄仪的部分数 据：其最大探测距离超过6 千米，最大识别距离超过4 千米，持续工作时间超过 8 小时，在沙尖暴天气与夜间所拍摄的图像，所有目标清晰明锐。而云南昆明光 电子产业基地以二代红外技术产业化为重点的一期项目2 0 0 6 年9 月1 3 日正 式建成投产。该产业基地是由云南省和兵总联合投资建设的，一期项目计划 投资近1 3 亿元，实际完成投资1 1 亿元，从2 0 0 5 年开始建设，不到一年时间 就建成投产，预计年生产能力为3 5 0 0 台热像仪整机，年产值将达到2 0 多亿 元。 当前，红外技术已广泛应用于军事国防、天文、工业加工、遥感探测、 医疗诊断、文物保护、防盗安全、无损检测等众多领域 1 3 1 ，从引人瞩目的高 技术到人们的日常生活：如使人类的观察视野范围自三、四十亿光年到1 4 0 亿 光年的哈勃红外太空望远镜、夜视见物、常见的电视红外遥控等等技术无不 显示出其神奇的一面。 红外探测技术，从主动式到被动式，从点源式红外探测器到多元红外探 测器再到焦平面凝视成像红外探测器，经历了迅速发展的过程。红外技术除 了应用于军事外，还可以应用多个方面【l “i 。如以下： 工业生产：在电力工业可用于检查发电机、变压器、互感器、电缆接头等 设备故障；在建筑工业用来检查建筑物外墙空鼓、剥落、及建筑节能研究等： 在冶金工业上可用于大型高炉料面的测定、热风炉的破损诊断和检修等：石化 行业中可用于保温隔热材料的破损诊断、加热炉管的温度定等：在机电工业可 用于新产品开发试验研究、大型机电设备温度分布检测；在铁路上可以监测 行车安全 2 s l 等。 医学治疗：由于正常人各部位的温度场分布具有一定的稳定性和对称性 的规律，而病变部位的温度场将发生变化。因而反映到红外热像图上，两者 成像就有一定的差异，据此可以进行多种疾病甚至疹症的早期诊断和治疗， 如鼻咽癌，乳腺癌等。 遥感探测：红外成像对于国土资源的劫探、辅助天气预报、灾害检测和 救援等( 如森林火灾、近海赤潮、海空难急救等) 都有着重要的意义；对实施“数 字地球”的今天，红外遥感信息对于地理信息系统( g i s ) 及信息社会来说将是 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 必不可少的 交通导航及维护：由于红外辐射对大气有强烈的穿透能力，可在车、船 和飞机等交通工具上装上红外成像导航仪，以保证夜间及大雾天气下的交通 安全。也可用于快速扫描公路裂纹、桥梁开裂、地下输油管及输热管渗漏检 测等 社会治安与消防：可在警力不及的偏僻处安装红外成像监控器，从而 夜间能对社会犯罪活动实施监控并做出迅速反应，且可时犯罪起到威慑作用： 在直升机上配上红外热像仪，能在夜间或恶劣天气下配合地面人员对逃犯实 施追捕；消防人员戴上红外成像镜后，可穿透滚滚浓烟，在火灾中救人。 在其它方面如科研、环境保护和珍贵文物维护等，红外成像亦有广泛的 应用，这里就不一一列举了。 1 3 红外线诊断技术在电力系统中的优势、应用及发展展望 红外线诊断技术可以检测和诊断电力设备大量的内部、外部缺陷，尤其还 可以诊断许多常规实现方法不便于或无法检测的故障 2 6 1 1 ”，这己为大量的理 论和实践所证明。和其他在线形式的故障诊断技术相比，红外诊断技术具有以 下突出优点： 1 测试时不接触设备、不需要取样、不解体设备和不要求设备停运而且操 作简单。这对于开展状态诊断工作尤为重要。 2 检测速度快、工作效率高。一座大中型变电站几百台设备几个小时便可 检测完，这是常规试验所无法比拟的。 3 直观而且明确地显示故障部位和故障的严重程度。 4 可诊断的设备类型、故障类型较其他试验方法多而广，并涉及到其他试验 方法无法涉及的领域。 5 在实际运行状况下测试，比其他停电试验方法真实、准确。 6 经济效益好、安全性高。 由于红外线诊断技术对保证电力安全生产和提高可靠性方面取得了明显 的效果，同时其经济效益十分显著，据美国有关应用部门统计，利用红外线检测 电力设备的投入产出比达到1 ：1 9 以上，所以目前在国外的一些电力部门应用 已很广泛。1 9 9 0 年，国际大电网会议( c i g r e ) 上，对红外线诊断技术给与了足够 的重视和充分的肯定。1 9 9 3 年，美国动力会议上，底特律爱迪生公司和伊利诺 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 依州电力公司都分别介绍了在架空线路、变电站和发电厂中应用红外线热像 技术检测电力设备的最新经验，红外诊断技术已成为电力设备检测、普查、及 时发现隐患、及时抢修杜绝恶性突发性设备事故的一种手段。 鉴于红外诊断技术的重要性，国家电力公司制定并公布了基于相对温差 法的d u t 1 9 9 9 带电设备红外诊断技术应用导则1 2 8 1 ，至此，红外诊断技 术有了对应的标准。2 0 0 6 年7 月电气设备带电红外诊断应用规范田l 草 案审议与修改工作在广州召开，该会议以国家标准为依据，相信相关国家标 准即将出台。 红外诊断技术在现代设备诊断工程中的作用越来越重要，由于借助红外 辐射检测技术能够非接触、实时、形象、直观和效益投资比高等一系列优点， 所以在许多部门收到广泛重视。尤其在电力系统中。由于电能生产、输送、分 配和使用的连续性，对系统中设备的安全运行要求更高，一旦一个环节发生事 故，必将造成重大经济损失和人员伤亡。因此随着红外技术的日臻成熟，它在 电力设备故障诊断中的应用越来越受到重视。特别时随着计算机技术的高速 发展，国产红外热像仪的功能已充分考虑到利用计算机在图像采集、处理、显 示、存储等诸多方面的技术，而图像的软件采用c 语言、w i n d o w s 操作系统 等更为功能的提升提供了很大的空间。与此同时结合吸收进口红外设备的先 进技术，并针对过去进口红外设备存在的问题和不足进行改善和提高，从而可 以大大改进国产仪器的结构，提高仪器的实用性和灵活性。 红外线诊断技术是一门专门技术，涉及的理论和技术问题非常广泛且有 一定的深度，在这一领域与发达国家相比我们的差距比较大，随着我国经济的 不断发展，这两三年为了提高供电的安全性、经济性和可靠性，推广红外诊断 技术的热情非常高。随着红外技术的不断提高，红外无损诊断技术在电力系统 中的应用必将成为主流。 1 4 研究热图像算法增强的意义 红外热成像在电力系统方面有很重要的作用，它拓展了人类视觉认知极 限，将人类的视觉感知范围由传统的可见光谱扩展到视觉不可见的红外辐射 光谱区，通过红外热像仪，我们可以直接发现故障，这为检修设备提供了极大的 便利。成像的质量决定于热像仪的性能，热像仪可分为致冷冷型和非致冷型。 致冷型热像仪成像质量较好，但成本太高，一般只在要求很高的军事上使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 与致冷型红外探测器相比，非致冷红外探测器可以在室温下工作，无需致冷， 从而不需要真空杜瓦瓶等致冷系统，简化或不需要机械扫描装置，因而大大 减轻了系统的重量与功耗，降低了成本和维修费用，提高了可靠性，但其缺 陷是灵敏度和响应速度相对较低，图像对比度差。为改进非致冷红外热成像 系统的性能，以期获得满意的热图像，需要做进一步的研究工作。改善非致 冷红外熟成像系统的性能有两种途径，第一种方法是通过改善非致冷红外探 测器阵列的性能来改善热成像系统的性能，另外一种方法是对非致冷红外热 成像系统的图像作实时处理。由于探测器阵列要求对每个探测单元几乎一致 的参数( 如响应性，延迟性等) ，工艺方面要求十分苛刻。而对非致红外热成 像系统的图像作空域实时图像处理，这在软件方面不仅可行，而且具备相当 大的灵活性，可以弥补硬件方面的不足。 国内民用热像系统的应用领域是非常广阔的，各省、市、地区电力部门 各大、中型电厂，都迫切需要配备红外热像产品，而国外民用热像产品尽管 性能较好，但其价格对我国多数企业来说还是比较难以接受的。基于国内市 场需求，非常需要中底档次的国产民用热像仪器，但是要有必要的图像处理软 件作为支撑，那么开发和改善红外图像增强算法就势在必行。 1 5 论文的内容和安排 论文在大量的资料收集和查询的基础上，详细说明了红外成像技术在国 内外的发展历史和应用状况，并尤其针对电力系统领域总结了红外成像技术 在电力系统的优势、应用情况及发展展望，由此分析了研究热图像算法增强的 意义。针对红外图像的关联性强，比较模糊的特点，首先论述了直方图均衡 算法的改进，接着利用多种算法的特点共同增强灰度图像( 包括直方图改进 算法) ，然后对增强后的灰度图像进行伪彩色处理，并进行多分辨率显示，力 求使故障更明显，并且易于发现潜在故障。 本论文安排如下： ( 1 ) 第一章对全文进行了概述，说明了本文的应用的背景，分析了红外 图像处理的作用和意义。 ( 2 ) 第二章介绍了红外热像仪的工作原理，总结了红外图像的特点。针 对这些特点，与低照度可见光图像进行对比，提出了用低照度可见光图像处 理方法处理红外图像。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 3 ) 第三章详细介绍了直方图算法的意义，并对直方图均衡算法进行了 改选。 ( 4 ) 第四章介绍分析了多种图像处理算法，并结合各自特点，采用复合 算法处理对图像进行增强。 ( 5 ) 第五章利用小波对红外图像的噪声进行再次处理，并且进行多分辨 率显示。 ( 6 ) 最后总结全文，提出未来发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章红外数字图像特点及仿真软件简介 1 红外数字图像获取及特点 幽2 _ 一l 主动式红外图像获取试验 上图为主动式红外检测的简单图样。首先在闪光灯的加热下，将目标加 热至较高温度，然后熄灭闪光灯，并启动红外热像仪。当目标有故障，那么 在温度消退期间，其故障部位温度迥异于相邻的其他部位，根据温度差异便 可成像，检测故障。 在被动检测的时候，由景物直接辐射，根据景物与背景温差成像。 从红外热探测仪采集目标场景的红外辐射，到由专用的处理系统生产出 红外数字图像或模拟图像的全过程和全部设备统称为红外成像系统。其系统 框图如下图所示i ”l 【。 豢 辐 分 场 物 囊重 宿 红外 辐射 大气 传输 耋】= 舛 光学 成像 光 电 转 换 预 处 理 图像 信号 输出 图2 - 1 红外成像系统框图 其中，红外光学成像、光电转换、预处理这些都由红外热像仪完成，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 此红外成像的关键设备是红外热像仪，成像质量的好坏，以及噪声的复杂程 度都与其参数( 如温度分辨率、空间分辨率、视场等) 相关。但总体来说， 红外热图像表征景物的温度分布，是灰度图像，没有彩色或阴影。故对人眼 而言，分辨率低、分辨潜力差，没有立体感。另外景物热平衡、红外光波波 长长、传输距离远、大气衰减等原因直接造成红外图像空间相关性强、对比 度低、视觉效果模糊。外界环境的随机干扰和热成像系统的不完善，也给红 外图像带来多种多样的噪声，这些分布复杂的噪声使得红外图像的信噪比比 普通可见光图像低。 但是其可以穿过云雾，也可以夜间成像，并且是被动成像，对所测物体 无任何伤害。这些突出优点，在工业上，则可以实现无损检测。正是因为有 以上无可取代的优点，使得对红外图像处理技术的研究不仅十分必要而且有 重大的意义。 2 2 红外成像系统的噪声分析 3 1 3 2 1 3 3 通常用三维噪声模型来分析热成像系统的噪声情况。三维噪声分析所需 的实验资料是以一个均匀恒定的背景为目标，热成像系统用其采集的连续数 字化图像组成噪声数据组。三维噪声分析随机响应模型为： u ( t ，y ，| 1 1 ) i s + r o ) + r o ) + 日o ) + ( f ，v ) + m ( f ，j 1 1 ) + m o ，1 1 ) + w o ，v ，j 1 1 ) ( 2 1 ) u ( t ，v h ) 代表获得的实验资料的总值，是帧、垂直方向和水平方向的函 数。s 是三维数据组中所有点的总平均值。( 1 ) n ，是固定像素噪声，由空间 双向的零点平均值随机变化构成。它无时间响应。这一噪声对应于成像中的 二维固定空问图形，固定图形噪声即属这一类，它在凝视探测器中占主导地 位。( 2 ) 固定行噪声，o ) ，这一噪声类型描述了仅在垂直方向上零点平均值 的变化。它在时间上固定不变且在水平方向上无响应。一般来讲，它表示数 据在行与行之间固定的非均匀性。这种噪声主要来自于信道间增益或电平的 不适当校正及l f 噪声。( 3 ) 固定列噪声。0 ) ，这一噪声类型代表仅在水平 方向上零点平均值的变化，是时间和水平方向上每列数据的平均值变化。当 合并焦平面数组的不同探测元的输出时，多重通道补偿电平的变化就属这类 噪声。它的另一来源通常是在时间廷迟和积分序列中不同探测元的增益差异。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 4 ) 帧间噪声，( f ) ，这一噪声类型仅代表与时间有关的随机噪声，它在数据 组中是以帧与帧平均值为变数。( 5 ) 时间行噪声。( f v ) ，它是由时间和垂直 方向上零点平均值随机变化构成的，在水平方向上无响应。在数据组中，它 表示时间上和垂直方向上每行数据的平均值变化。这种噪声主要是在合并焦 平面数组各探测元输出时，多重通道的补偿电平上出现的低频噪声。另外在 弱信号处理中也会产生这种噪声。( 6 ) 时间列噪声。o ，| 1 1 ) 这一噪声类型代表 时问和水平方向上的零点平均值变化，是时间和水平方向上每列数据的变化， 主要来自于1 f 噪声和其它一些低频噪声。( 7 ) 时间像素噪声。( f ，v ， ) ，它代 表三维坐标系中三个方向上零点平均值的变化。它与典型的电子探测器噪声 很相近。这种探测器开始有时问性，继而通过成像系统时在扫描装置和焦平 面的垂直与水平方向均有表现。在热成像系统中，光子散粒噪声、电阻热噪 声、放大器噪声等均属这类噪声。 对灰度图像f ( x ，y ) 来说，可以看作是二维亮度分布，则噪声可看作是对 亮度的干扰，用n ( x ，y ) 来表示。噪声是随机的，因而需用随机过程来描述， 即要求知道其分布函数或密度函数。但在许多情况下，这些函数很难测出或 描述，甚至不可能得到，所以常用统计特征来描述噪声。如均值、方差( 交 流功率) 、总功率等。 按噪声对图像的影响可分为加性噪声模型和乘性噪声模型两大类。设 f ( x ，y ) 为理想图像，n ( x ，y ) 为噪声，实际输出图像为g ( x ，y ) 。 对于加性噪声而言，其特点是n ( x ，y ) 和图像光强大小无关。即有： g o ，y ) 一f ，) ，) + 疗( 上，_ ) ，)( 2 2 ) 对于乘性噪声模型而言，其特点是n ( x ，y ) 和图像光强大小相关，随亮度 的大小变化而变化。即有： g ，y ) - f ( x ，y ) 【1 + 竹 ，) ，) 】tf ( x ，y ) + 厂g ，_ ) ，) 月o ，) ，) ( 2 3 ) 乘法噪声模型和它的分析计算都比较复杂。通常想办法让其变换成加性 噪声模型来处理。 本文采用的是静止图像，噪声分布较为复杂。因为红外图像较为模糊， 不可直接进行噪声处理。故先提取主轮廓，并进行加权中值滤波处理，然后 与原图像相乘来消除决大多数噪声。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 数字图像的数学表示 为了便于对红外图像处理，必须将其转换成数字图像。通过数字化处理 的专用集成电路芯片( 如s a a 7 1 1 1 ，这是p h i l i p s 公司的一款可编程视频输 入处理芯片) 【卅进行取样和量化，产生一个矩阵。假如一幅图像f ( x ，y ) 被取 样，则产生的数字图像有m 行和n 列。原点的坐标值是( x ，y ) - - ( o ，0 ) ，沿图 像第一行的下一个坐标值用( x ，y ) ：( 0 ，1 ) 来表示，依次类推，这只是表明其 坐标所在位置，并不代表取样的物理坐标实际值。 可以用紧凑矩阵形式写出完整的m * n 数字图像： ，0 ，y ) 一 ，( 0 0 )厂( 0 固 ，( 0 ，一1 ) f ( 1 , 0 )，q n 一1 ) f ( m - 1 , o ) f ( m 一1 ，1 ) f ( m 一1 一1 ) ( 2 - 4 ) 矩阵中的每个元素称为图像单元、图像元素或像素。 以更正规的数学术语来描述取样和量化可能有用。令z 和r 分别表示整 数集和实数集。取样过程可看作是把x y 平面分为网格，每一网格中心的坐标 是笛卡尔积z 2 的一对元素，z 2 是所有有序元素对( 五，z ，) 的集合，毛和z ，是 z 中的整数。因此，如果( x ，y ) 是z2 中的整数，并且f 是把灰度级值( 即实 数集r 的一个实数) 赋予每个特定坐标对( x ，y ) 的函数，则“x ，y ) 就表示一 幅数字图像。我们通过这样一个函数的赋值过程将数字图像进行量化。 数字化过程对于m 、n 值和每个像素的离散灰度级数l 需要一个判定。 对m 和n 除了必须取正整数外没有其他要求。然而，出于处理、存储和取 样硬件的考虑，灰度级典型的取值是2 的整数次幂： l ；2 ( 2 - 5 ) 当一幅图像有2 灰度级时，实际上通常称该图像是k 比特图像。 取样值是决定一幅图像空间分辨率的主要参数。空间分辨率是图像可辨 别的最小细节。同样灰度级分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化。 当没有必要对涉及像素的物理分辨率进行实际度量和在原始场中分析细 节等级时，通常把大小为m x n ，灰度为l 级的数字图像称为空间分辨率为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 m x n 像素、灰度级分辨率为l 级的数字图像。 2 4 仿真软件m a t l a b 的相关知识 m a t l a b ( m a r t d xl a b o r a t o r y , e p 矩阵实验室) 是数值分析领域很有影 响的美国学者c l e v em o l e r 首创开发，于1 9 8 2 年由m a t h w o r k s 公司推出的一 款高性能的可视化数值计算软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图 形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。m a t l a b 语言在 矩阵运算和数值计算等方面都具有强大的功能，非常直观、简洁，且效率高、 交互性好，因而它在科学与工程计算方面的优势是显而易见的。它既可以作 为一种功能强大的“计算器”，又可以作为一个计算工具被其他应用程序调用。 m a t l a b 的功能强大，界面友善并且开发性强，是应用学科计算机辅助 分析设计、仿真、教学以及科技文字处理不可缺少的基础软件。m a t l a b 的 推出得到各个领域专家学者的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应 用提供了基础。 其主要特色包括： 面向对象特性，图形、窗口等都是对象，可以通过属性改变它们； 单一的数据结构：矩阵； 矩阵自动动态伸缩； 矩阵的大小几乎可以是任意大( 只同虚拟内存有关) ； 编程简单：b a s i c 一样的命令语言； 变量不用定义； 功能强大的图形处理与数值计算功能： 系统扩充方便：可以随时向系统增加函数； 先进的帮助系统：程序头部由“”开始的部分自动成为帮助文字； 与w o r d 的无缝结合，w o r d 里可以直接使用m a t l a b 功能： 与c 语言的接口； 符号推导、数理统计、自动控制等扩充工具库。 m a t l a b 语言已是当今国际科学界最具影响力、最有活力的软件，其语 言在各国高校与研究单位起着重大的作用。2 0 0 2 年6 月，美国m a t h w o r k s 公司推出其全新的m a t l a b 6 5 正式版，2 0 0 4 年5 月又推出了6 5 的改进版 本m a t l a b 7 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 由于m a t l a b 7 0 强大的数据处理和界面设计能力，使它在数字图像处 理中有着与其他软件所无法比拟的优势，我们可以方便地从各个方面对图像 的性质进行深入的研究，因此本文将m a t l a b 作为图像处理的仿真工具， 用以验证图像处理算法的有效性。 2 5 本章小结 综上所述，由于红外数字图像具有关联性强、对比度低、没有立体感、 比较模糊，所本文结合这些特点采用点运算方面的二次函数方法予以初步分 离，并依次采用一阶微分、二阶微分及改进直方图均衡算法予以处理。针对 噪声复杂( 本文图像中主要为脉冲噪声和随机噪声) ，则先采用加权均值滤波 予以初步处理，并使用两幅图像( 一阶微分所提取的经加权均值滤波后主轮 廓及原图像) 相乘消除决大多数的噪声。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第三章红外图像直方图增强及其改进算法 在传统的图像处理算法中，针对低照度可见光图像。一般都采用直方图 均衡算法，该算法可以有效的分离目标与背景，因此处理后的图像层次感强，对 比度较为明显。红外图像与底照度图像有较大的相同之处( 图像较为模糊， 目标与背景难以分离) ，因此我们将直方图均衡算法应用到红外图像处理中并 针对红外图像的本身的特点将该算法进行改进。 3 1 直方图处理算法概述 直方图的一般定义是：对于数字图像f ( x ，y ) ，设图像灰度值为 r o ，t ，r 2 ，r k 。，则概率密度函数p ( ) ： 盹) i 鬻燃且有荟k - 1 p 咖r j -，【，l ，面驻萄丽且伺盏) 。1 灰度直方图是多种空间域处理技术的基础。它反映了数字图像中每一灰 度级与其出现像素频率间的统计关系。它能描述该图像的概貌，例如图像的 灰度范围、每个灰度级出现的概率、灰度级的分布、整幅图像的平均明暗和 对比度等，为对图像进一步处理提供了重要依据。大多数自然图像，包括几 乎所有的红外图像由于其灰度分布集中在较窄的区间，引起图像细节不够清 晰。采用直方图修整后可使图像的灰度间距拉开或使灰度分布均匀，从而增 大反差，使图像细节清晰，达到增强的目的。 以下是直升机所对应的原图及其直方图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 1 直升机原红外圈 这是一幅比较典型的缸外灰度图， 具有如下特点： 图3 2 原图所对应的直方图 与可见光分析比较后，发现其直方图。 ( 1 ) 像素值动态范围部大，很少有充满整个灰度区间的； ( 2 ) 像素相对比较集中，像素灰度分布范围之外其他像素基本为o ： ( 3 ) 直方图有明显的尖峰存在，多数情况下为单峰或双峰( 主次峰) 。 一幅好的高对比度图像，其灰度直方图分布较为均匀，能够充盈整个区 间且不会溢出。这样的图像，灰度丰富，且细节能够有较好的表现。其直方 图轮廓大概如下所示： 二二二二 图3 3 理想直方图的草图 对于图3 2 观察可以得到其直方图主要集中于5 0 一1 3 0 ，图像比较模糊， 有必要拉开过于集中的灰度间距，那么直方图均衡算法将是很好的选择。 2 直方图均衡化算法分析 3 s l 直方图均衡的作用是改变图像中灰度概率分布，使其均匀化。其实质是 使图像中灰度概率密度较大的像素向附近灰度级扩展，因而灰度层次拉开， 而概率密度较小的像素的灰度级收缩，从而让出原来占有的部分灰度级，这 样的处理使图像充分有效地利用各个灰度级，因而增强了图像对比度。 设原图像f ( x ，y ) 的灰度区间为【，】，均衡后的图像g ( x ，y ) 的灰度区 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 间p 二，s 二】，r 和s 分别表