本发明专利技术涉及一种针对红外焦平面探测器阵列所成图像的非均匀性校正方法，属于红外热成像领域。本发明专利技术通过在红外热像仪的光阑处安装一个可自动伸缩的边框黑体视场光阑，进行边框下的两点校正，得到边框黑体覆盖下探测元的增益校正因子与偏置校正因子；并在两个场景下分别采集f帧经初始校正后的图像，得到每个场景下f-1组帧间位移参数。再采用代数方法获取f-1组有帧间位移的图像对内部探测元的校正参数，取帧平均后得到最终的校正矩阵G与0用于后续红外视频整个视场的校正。本方法具有快捷、自适应、系统小型化的优势；可用于制冷与非制冷红外焦平面探测器热成像系统的设计和生产制造、星上红外热成像系统、红外告警系统、科学研究等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种针对红外焦平面探测器阵列(Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA)所成图像的非均勻性校正方法，属于红外热成像领域。
技术介绍
红外焦平面探测器阵列(IRFPA)具有结构简单、探测能力强、功耗低、帧频高、稳定性好等优点，在红外搜索系统、机载前视红外系统、成像导引头和成像跟踪系统中得到广泛的应用。IRFPA根据阵列结构可分为两类，一类是线阵，一类是凝视型面阵。其中，凝视型面阵探测器由于省去了结构复杂的光机扫描结构，得到越来越广泛的应用。由于IRFPA中成千上万个探测元对于同一辐射输入的光电响应不一致，导致图像质量都受到固定背景噪声(Fixed Pattern Noise, FPN)的污染，也就是所谓的非均勻性。 非均勻性通常表现为空间上随机分布、时间上集中于低频的固定模式噪声，它会随着工作条件变化而缓慢漂移，并且随着工作时间的延长而加重。非均勻性噪声严重影响了系统的成像性能，降低了系统的温度分辨率。利用现代信号处理技术对凝视型IRFPA的非均勻性进行校正(Norumiformity Correction, NUC)，可以使均勻性很差的凝视型IRFPA获得满意的视觉效果和自适应的补偿的温漂噪声，从而提高热成像系统的温度分辨率，具有巨大的应用价值和实际意义。现有非均勻性校正方法大致可分为两类，即基于参考辐射源的校正方法 (Calibration-Based NUC, CBNUC)和基于场景的自适应校正方法(Scene-Based NUC, SBNUC)。CBNUC的基本思想是利用参考辐射源为IRFPA器件提供均勻的辐照度，并对每个探测单元的响应输出进行测量，计算出各探测单元的校正因子——增益和偏置。SBNUC的基本思想是计算增益和偏置因子的数据不是取自参考源，而是全部或部分来自拍摄场景的信息，该方法不需要遮挡全视场，不影响目标跟踪，但同时也存在计算量过大等问题。实际工程应用中广泛使用的是一点校正方法(One Point Correction, 0PC)和两点校正方法(Two Point Correction, TPC)，它们都属于CBNUC方法。TPC方法假设探测元的非均勻性由增益参数G与偏置参数0决定，通常分别采用高低温黑体遮挡视场，以获取校正参数G与0。此后的每帧图像与GO进行乘加运算，从而完成非均勻性补偿。OPC方法在建模时认为增益参数G恒等于1，计算时只考虑偏置因数的影响，校正效果差于TPC方法。 OPC与TPC校正方法在系统工作时需要遮挡视场，会影响系统的正常工作，在目标跟踪等场合可能会造成目标的丢失。SBNUC方法中的代数方法通过代数运算获取图像的帧间位移，并最终求得校正矩阵，计算量相对较小，但校正效果相当于CBNUC中的OPC方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了能够有效提高红外热像仪的成像质量，降低焦平面非均勻性的同时及时补偿温漂噪声，提出了一种基于边框黑体视场光阑的红外两点非均勻性校正方法，用于凝视型焦平面阵列的非均勻性校正。本专利技术技术方案的具体实现步骤如下步骤一、改进红外热像仪。在红外热像仪的光阑处安装一个可自动伸缩的边框黑体视场光阑。该视场光阑表面均勻地涂着黑体材料，黑体材料要求有较高的发射率。光阑设计成可控温的，可以通过半导体制冷或水冷的方式进行温度控制。在机械结构上，光阑设计成可伸缩的，这样就可以根据图像校正的需要插入与抽出成像视场。边框黑体视场光阑可伸出的最大范围为刚好能遮挡住视场的边缘。边框黑体视场光阑进入视场的有效边框宽度c由两帧之间最大位移确定，原则为能够适应所有可能的运动方向。为了便于描述，将边框黑体视场光阑覆盖下像元所组成的集合定义为P1,未被黑体覆盖下像元所组成的集合定义为p2。步聚二 .将红外热像仪出厂的校正参数查找表(V O0作为改进后的红外热像仪的初始校正参数，用于对所采集图像的初始校正。步骤三、进行边框下的两点校正。将边框黑体视场光阑分别在高温th和低温、时整个插入视场，得到其覆盖下探测元所接受到的辐射值χah)和χ(、)后，随即缩回。边框黑体视场光阑所覆盖的探测元(i， j)对高低温辐射的响应为y (i，j，th)与y (i，j，、)，可得边框黑体覆盖下探测元的增益校正因子爱与偏置校正因子g(rj)= ,xit^xiId.(U)^P1(1)■ = χ(〒，”-χ，;Μ){lj)GPi(2)y(hj,ti)-y(hj,th)步骤四、使用步骤一改进后的红外热像仪在两个场景下分别采集f帧经初始校正后的图像。若相邻两帧图像为一对，则每个场景下都组成f-Ι个帧对；对每个帧对进行帧间位移估计，得到每个场景下f-Ι组帧间位移参数。其中，帧间位移估计方法可采用基于梯度的位移估计方法、基于投影的位移估计方法、频域位移估计方法等。步骤五、采用代数方法获取步骤四中的某一组有帧间位移的图像对内部探测元的校正参数。具体代数方法如下1)设在场景S下，IRFPA的探测元(i，j)第k帧所接收到的红外辐射值为xk(i， j，S)，探测元响应为yk (i，j，S)，则有yk(i, j, S) = a(i, j)xk(i, j, S)+b(i, j) (i, j) e P2(3)其中a(i，j)表示乘性噪声，b(i，j)表示加性噪声。探测元响应与红外辐射值之间呈线性关系，可得Xk{l,j,S)=y^L·^(4)本专利技术的方法需要确定图像序列中相邻帧间亚像元级的位移量。假设IRFPA的图像序列中第k帧yk与第k+Ι帧yk+1为一组有二维相对位移的图像对，yk+1相对yk的位移为(ak, β,), a k表示两帧之间的垂直位移，向下为正；β k表示两帧之间的水平位移，向右为正。位移量可表示为整数和小数之和，即 =L0U+A*‘ A=LA」+^ft(5)其中，L%」和Δ a k分别表示位移量a k的整数和小数部分，L怂」和Δ β k分别表示位移量β k的整数和小数部分。双线性插值时所用的四个系数Y (1,k), Y (2,k), Y (3,k), Y (4,k)分别为Y (l,k)=ΔakΔ β,Y (2,k)=Δak(i-lY (3,k)=(i-■|Δakl)Y (4,k)=(i-■|Δakl)易知Y a,,k) +Y (2."kl) Δ ^kI(6)按照国际惯例约定垂直向下和水平向右的方向为正(其余三个相对运动方向也可类推建模)，则可得到第k+Ι帧的信号输出双线性插值估计(/, j, S) = ci(i, j)xk+l (/, j, S) + b(i, j)(7)其中，/= 2 + [%」，3 + [%」工 ’M，_/+ = 2 + [八」，3 + [八」工，#。M，N 分别表示 IRFPA的垂直与水平分辨率。根据双线性插值模型，之+1 d, j, S) = r(U) (S)xk (/ - k」-W - LA」-1，S) + Y(Xk) (S)xk (/ - h」-W -⑷，s)+Y(Xk) (S)xk O' - L 」J - LA」_ ！，s)+―⑶幼-⑷"-⑷，s)为了便于表示，进行简化，简化方法如下(9)(8)xd,k)(^)=xAi-I-w-偏-1,S)X(2’t)(X)=I-W-,S)X(3’t)(X)=,J--,S)X(4,k)本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．基于边框黑体视场光阑的红外两点非均匀性校正方法，其特征在于：具体实现步骤如下：步骤一、改进红外热像仪；在红外热像仪的光阑处安装一个可自动伸缩的边框黑体视场光阑；边框黑体视场光阑进入视场的有效边框宽度ｃ由两帧之间最大位移确定，原则为能够适应所有可能的运动方向；步聚二．将红外热像仪出厂的校正参数查找表Ｇ０、Ｏ０作为改进后的红外热像仪的初始校正参数，用于对所采集图像的初始校正；步骤三、进行边框下的两点校正；将边框黑体视场光阑分别在高温ｔｈ和低温ｔｌ时整个插入视场，得到其覆盖下探测元所接受到的辐射值ｘ（ｔｈ）和ｘ（ｔｌ）后，随即缩回；边框黑体视场光阑所覆盖的探测元（ｉ，ｊ）对高低温辐射的响应为ｙ（ｉ，ｊ，ｔｈ）与ｙ（ｉ，ｊ，ｔｌ），可得边框黑体覆盖下探测元的增益校正因子 与偏置校正因子其中，Ｐ１为边框黑体视场光阑覆盖下的像元集合；步骤四、使用步骤一改进后的红外热像仪在两个场景下分别采集ｆ帧经初始校正后的图像；若相邻两帧图像为一对，则每个场景下都组成ｆ－１个帧对；对每个帧对进行帧间位移估计，得到每个场景下ｆ－１组帧间位移参数；步骤五、采用代数方法获取步骤四中的某一组有帧间位移的图像对内部探测元的校正参数；具体代数方法如下：１）设在场景Ｓ下，红外焦平面探测器阵列的探测元（ｉ，ｊ）第ｋ帧所接收到的红外辐射值为ｘｋ（ｉ，ｊ，Ｓ），探测元响应为ｙｋ（ｉ，ｊ，Ｓ），则有ｙｋ（ｉ，ｊ，Ｓ）＝ａ（ｉ，ｊ）ｘｋ（ｉ，ｊ，Ｓ）＋ｂ（ｉ，ｊ） （ｉ，ｊ）∈Ｐ２ （３）其中ａ（ｉ，ｊ）表示乘性噪声，ｂ（ｉ，ｊ）表示加性噪声，Ｐ２为未被黑体覆盖的像元集合；探测元响应与红外辐射值之间呈线性关系，可得设红外焦平面探测器阵列的图像序列中第ｋ帧ｙｋ与第ｋ＋１帧ｙｋ＋１为一组有二维相对位移的图像对，ｙｋ＋１相对ｙｋ的位移为（αｋ，βｋ），αｋ表示两帧之间的垂直位移，向下为正；βｋ表示两帧之间的水平位移，向右为正；位移量为其中， 和Δαｋ分别表示位移量αｋ的整数和小数部分，和Δβｋ分别表示位移量βｋ的整数和小数部分；双线性插值时所用的四个系数γ（１，ｋ），γ（２，ｋ），γ（３，ｋ），γ（４，ｋ）分别为γ（１，ｋ）＝｜ΔαｋΔβｋ｜γ（２，ｋ）＝｜Δαｋ｜（１－｜Δβｋ｜）γ（３，ｋ）＝（１－｜Δαｋ｜）｜Δβｋ｜ （６）γ（４，ｋ）＝（１－｜Δαｋ｜）（１－｜Δβｋ｜）易知γ（１，ｋ）＋γ（２，ｋ）＋γ（３，ｋ）＋γ（４，ｋ）＝１；按照国际惯例约定垂直向下和水平向右的方向为正，可得到第ｋ＋１帧的信号输出双线性插值估计其中， Ｍ，Ｎ分别表示红外焦平面探测器阵列的垂直与水平分辨率；根据双线性插值模型，进行简化如下：则式（８）可简化为则第ｋ＋１帧信号输出的双线性插值估计为为了求取校正参数 与 需要获取两个图像帧对（ｙｋ（Ｓ１），ｙｋ＋１（Ｓ１））与（ｙｋ（Ｓ２），ｙｋ＋１（Ｓ２））），根据（１２）式组成一个二元一次方程组，解该方程组，可得探测器内部探测元的增益校正因子 与偏置校正因子其中λｋ（Ｓ）＝１－γ（４，ｋ）（Ｓ）２）为方便划分像素，引入如下定义：ｃ＋１≤ｌ≤ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ），定义某一行与某一列范围内的探测元区域为Ｇｌ，该区域内的探测元包括｛（ｌ，ｌ），．．．，（Ｍ，ｌ）；（ｌ，ｌ＋１），．．．，（ｌ，Ｎ）｝；对于探测元区域Ｇｌ内的递推校正的过程如下：①令ｌ＝ｃ＋１；②对（ｉ，ｊ）∈Ｇｌ，以左上角的未校正探测元（ｌ，ｌ）为起点，根据式（１３）、（１４）与（１５），按照向下或向右的顺序递推计算探测元的校正参数，直至完成Ｇｌ范围内所有探测元校正参数的计算；计算时，对于Ｇｌ内的每一个探测元，其左上方探测元的校正参数 都是已知的；③令ｌ′＝ｌ＋１，对（ｉ，ｊ）∈Ｇｌ′按照同样步骤计算Ｇｌ′的校正参数，第②步中Ｇｌ范围内已经计算出的校正参数将参加到运算中来；④令ｌ＝ｌ′重复②－③步直至ｌ＝ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）＋１；步骤六、用步骤三中所得的边框黑体视场光阑所覆盖下探测元（ｉ，ｊ）的校正参数 以及步骤四中所得的帧间位移参数，按照步骤五所述代数方法，对边框黑体未覆盖的视场中其他探测元进行递归校正，获取红外热像仪整个视场共ｆ－１组的增益与偏置校正因子；步骤七、对步骤六中得到的ｆ－１组增益校正因子与偏置校正因子分别取帧平均，得到最终的校正矩阵Ｇ与Ｏ；步骤八．将步骤七中所得的校正因子Ｇ与Ｏ更新至步骤一的初始校正参数查找表，将校正矩阵Ｇ与Ｏ应用于后续红外视频整个视场的校正。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘崇亮，金伟其，修金利，刘秀，王霞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11
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