基于可調(diào)閾值窗口的紅外盲元檢測算法

闞博涵，殷金堅(jiān)，李凌杰，穆 宇

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

制冷型凝視紅外焦平面探測器(IRFPA)以其靈敏度高、探測能力強(qiáng)、輸出幀頻高及圖像穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)在紅外偵察系統(tǒng)、紅外導(dǎo)引和跟蹤等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但由于半導(dǎo)體材料的不一致性、制作工藝、多通道讀出電路設(shè)計(jì)不一致性等因素的影響［1］，紅外焦平面探測器不可避免的出現(xiàn)諸如非均勻性、盲元等問題，這些問題對正常的紅外圖像造成了巨大的影響。從目前的文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外盲元處理的基本算法是中值濾波、領(lǐng)域插值和基于窗口的算法，這些方法能有效地檢測和處理大部分盲元，但并沒有考慮紅外成像系統(tǒng)光學(xué)、探測器輸出溫漂等因素，因此會不可避免地遺漏部分變化不定的盲元或者誤判某些正常像元，如圖1所示，本文提出了一種基于窗口閾值可調(diào)整的紅外盲元檢測算法，能大幅提升盲元檢測的成功率，降低盲元誤判，對改善紅外圖像質(zhì)量有重要意義。

圖1 盲元遺漏及誤判的紅外圖像

2 盲元模型

通過標(biāo)準(zhǔn)黑體給出了探測器的盲元模型，假設(shè)探測器規(guī)模為320×256，其中某個(gè)像元(i，j)的響應(yīng)率R(i，j)為紅外探測器陣列在一定的積分時(shí)間內(nèi)對單位輻射照度功率的紅外線產(chǎn)生的輸出電信號［2－3］，見公式(1):

式中，i=0～319;j=0～255;V(i，j)為像元對應(yīng)于輻射照度功率P的響應(yīng)電壓。

由公式(1)可得紅外探測器有效像元的平均響應(yīng)率［2－3］:

式中，M=320;N=256;d和h分別是無響應(yīng)像元和異常像元(響應(yīng)明顯易于正常像元)數(shù)。在實(shí)際計(jì)算過程中，d和h隨閾值的改變而發(fā)生變化。

圖2 探測器像元響應(yīng)率分布模型

圖2中，α表示盲元檢測的上限，它說明了盲元的響應(yīng)率超出平均響應(yīng)率的水平，即滿足以下關(guān)系:

β表示盲元檢測的下限，它說明了盲元的響應(yīng)率低于平均響應(yīng)率的水平，即滿足以下關(guān)系:

盲元從圖像視覺角度看和周圍相鄰正常像元的差別比較明顯，且盲元在局部窗口中比較集中，因此從整幀圖像看表現(xiàn)為一些離散的亮暗點(diǎn)，所以用窗口響應(yīng)率進(jìn)行盲元檢測，效果會比全窗口效果更好。

3 盲元檢測步驟

為了獲得最佳的盲元檢測效果，使用標(biāo)準(zhǔn)黑體作為輻射源。熱像儀采集高溫輻射和低溫輻射，采集完成后根據(jù)當(dāng)前的紅外成像光學(xué)系統(tǒng)等選擇適當(dāng)?shù)姆指畲翱?，從而消除光學(xué)系統(tǒng)不同區(qū)域輸入能量不同導(dǎo)致的盲元誤判問題。通過調(diào)整上限α和下限β的值，根據(jù)公式(3)、(4)確定的盲元判斷準(zhǔn)則來判斷當(dāng)前像元是否為盲元［4－6］，具體步驟如表1～3所示。

表1 黑體單點(diǎn)盲元標(biāo)定方法

表2 黑體兩點(diǎn)盲元標(biāo)定方法

表3 基于圖像的盲元標(biāo)定方法

表1所示方法可以消除探測器大部分死元，這些像元呈現(xiàn)全黑或者全白的點(diǎn)，響應(yīng)率極低。

表2所示方法可以消除探測器大部分異常元，這些像元有響應(yīng)，但是和正常像元相比差異很大，響應(yīng)率過高或者過低。

表3所示方法可以消除探測器大部分不穩(wěn)定像元，這些像元在某些時(shí)候響應(yīng)和正常像元類似，有時(shí)候又有差異。

三種方法在盲元檢測過程中可選擇性的使用，也可依次使用。同時(shí)開窗大小也可任意選擇，但是考慮到算法的運(yùn)算速度，推薦窗口大小選擇為2的冪次，同時(shí)考慮到樣本數(shù)選擇不能太小，否則窗口內(nèi)的平均值不足以抵消異常元的影響，造成圖像有效信息被濾除，人為的引起圖像質(zhì)量下降，因此推薦選擇如16、32、64等窗口大小。在盲元檢測的過程中，上限α和下限β值設(shè)置越小，則盲元檢測越嚴(yán)格，盲元識別率越高，但是容易將響應(yīng)率稍偏離平均響應(yīng)率的像元當(dāng)作盲元識別出來，從而造成誤填。此時(shí)通過選擇合適的窗口大小，則可減少誤填的概率，窗口越小，則紅外成像光學(xué)系統(tǒng)、探測器輸出溫漂等影響就越小，識別盲元的概率將大幅提升，但是容易引入噪聲的影響，因此在實(shí)際的盲元檢測過程中，選擇多大的窗口、上限α和下限β的值與探測器本身的性能有很大的關(guān)系，不同的探測器有自身對應(yīng)的一套設(shè)置參數(shù)，該套參數(shù)可存入FLASH中，掉電不會丟失。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從標(biāo)準(zhǔn)黑體采集完高低溫輻射后，使用三種方法結(jié)合不同的開窗大小，對探測器輸出圖像進(jìn)行盲元檢測，如圖3～6所示。圖3采用全幀模式檢測盲元，圖4采用16×16開窗模式檢測盲元，圖5采用32×32開窗模式檢測盲元，圖6采用64×64開窗模式檢測盲元，各種模式下檢測出的盲元數(shù)目如表4所示。

圖5 32×32開窗模式下輸出的紅外圖像

圖6 64×64開窗模式下輸出的紅外圖像

圖3 全幀模式下輸出的紅外圖像

圖4 16×16開窗模式下輸出的紅外圖像

表4 盲元檢測效果列表

圖像質(zhì)量的評判是根據(jù)人眼觀察監(jiān)視器上的紅外圖像舒適程度來決定的。盲元數(shù)目可由軟件自動(dòng)計(jì)算得出。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可知在采取16×16開窗模式及相應(yīng)的上下限閾值可以將探測器輸出圖像上很多的離散盲元點(diǎn)徹底檢測并解決掉，處理后的圖像視覺質(zhì)量得到大幅提升。試驗(yàn)結(jié)果說明本文提出的算法合理可行，對提升紅外熱像儀圖像質(zhì)量有極大的作用。

5 結(jié)論

本文對影響制冷型紅外熱像儀圖像質(zhì)量的盲元進(jìn)行了理論分析，并建立的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)盲元模型提出了一種盲元檢測算法。通過試驗(yàn)可以看出該算法對盲元檢測效率高、檢測效果好，可大幅提升紅外熱像儀的圖像質(zhì)量。

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