基于工控機(jī)的紅外圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹立華

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

基于工控機(jī)的紅外圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹立華

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

為了提高紅外圖像處理系統(tǒng)的集成度和通用性，本文設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的一體化紅外圖像處理系統(tǒng)。首先給出該系統(tǒng)的硬件組成原理；然后介紹了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想，著重介紹了紅外圖像增強(qiáng)；最后結(jié)合飛機(jī)目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，結(jié)果表明本系統(tǒng)圖像采集、存儲(chǔ)、增強(qiáng)顯示和目標(biāo)跟蹤功能正常，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，通用性強(qiáng)。

紅外；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；一體化

隨著紅外探測(cè)器技術(shù)和紅外應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前，紅外技術(shù)不管在軍事上、民用方面的應(yīng)用都越來越廣泛，其中紅外圖像的處理技術(shù)的需求也越來越大，同時(shí)對(duì)其集成化和通用性提出了更高的要求。

本文設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的一體化紅外圖像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)集圖像采集、存儲(chǔ)、增強(qiáng)顯示、目標(biāo)跟蹤功能與一體，并且能適應(yīng)多種紅外相機(jī)輸出的圖像，通用性強(qiáng)。通過對(duì)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)圖像存儲(chǔ)無丟幀，圖像增強(qiáng)顯示對(duì)比度強(qiáng)，目標(biāo)提取和跟蹤算法穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性高。

1 系統(tǒng)硬件組成原理

本文設(shè)計(jì)的基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)平臺(tái)的一體化紅外圖像處理系統(tǒng)的硬件組成原理框圖如圖所示。

圖1 一體化紅外圖像處理系統(tǒng)硬件組成原理圖

如圖1所示，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是該系統(tǒng)的核心處理器，是系統(tǒng)所有軟件的運(yùn)行硬件平臺(tái)，負(fù)責(zé)圖像采集、增強(qiáng)、存儲(chǔ)和目標(biāo)的提取與跟蹤功能，同時(shí)負(fù)責(zé)與紅外探測(cè)器和外部設(shè)備進(jìn)行通訊。紅外探測(cè)器輸出的紅外圖像經(jīng)過圖像采集卡進(jìn)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，圖像采集卡可以設(shè)置多種采集模式，因此可以適應(yīng)多種格式的紅外圖像；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)將內(nèi)存中的圖像進(jìn)行處理，原始紅外圖像經(jīng)過圖像增強(qiáng)實(shí)時(shí)顯示后，可以通過圖像輸出設(shè)備輸出，供遠(yuǎn)端用戶觀察使用；同時(shí)目標(biāo)的提取、跟蹤的結(jié)果輸出到后續(xù)使用平臺(tái)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用windows操作系統(tǒng)為平臺(tái)，C++為開發(fā)語言，應(yīng)用多線程技術(shù)提高應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性，多線程應(yīng)用程序的框架如圖所示。

如圖2所示，在程序?qū)⑦\(yùn)行所需的環(huán)境和變量初始化完成后，創(chuàng)建四個(gè)線程，圖像采集線程、圖像存儲(chǔ)線程、圖像跟蹤線程和圖像顯示線程。圖像采集線程對(duì)輸出的紅外圖像進(jìn)行采集，當(dāng)采集到一陣圖像后，將當(dāng)真圖像緩存進(jìn)存儲(chǔ)、處理和顯示緩存區(qū)，同時(shí)通知存儲(chǔ)、處理和顯示線程對(duì)圖像進(jìn)行后續(xù)處理。存儲(chǔ)線程負(fù)責(zé)對(duì)圖像的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，處理線程負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)的提取、跟蹤和識(shí)別等算法的實(shí)現(xiàn)，顯示線程負(fù)責(zé)對(duì)紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理和外送。

圖2 軟件設(shè)計(jì)總體流程圖

2.2 圖像增強(qiáng)算法

本文紅外圖像增強(qiáng)算法采用單尺度Retinex算法（SSR），單尺度中心環(huán)繞Retinex算法（SSR）的數(shù)學(xué)模型為：

R(x,y)=log(F(x,y)?log(G(x,y)*F(x,y ))

其中：F(x,y)為紅外探測(cè)器輸出的原始圖像；R(x,y)為反射圖像；G(x,y)為環(huán)繞函數(shù)。

從式可以看出，通過環(huán)繞函數(shù)G(x,y)和輸出圖像

F(x,y)的卷積，對(duì)亮度圖像L(x,y)進(jìn)行估計(jì)，得到估計(jì)的亮度圖像L'(x,y)，然后從輸出圖像F(x,y)減去估計(jì)的亮度圖像L'(x,y)，得到估計(jì)的反射圖像r'(x,y)，在對(duì)r'(x,y)做線性變換，就得到了算法增強(qiáng)后的圖像。

根據(jù)上述介紹原理，單尺度中心環(huán)繞Retinex算法最重要的是環(huán)繞函數(shù)G(x,y)的選取，環(huán)繞函數(shù)最早使用過Land提出的平方反比函數(shù)，其公式如下：

這種平方反比函數(shù)，后來被改進(jìn)為：

還有一種目前使用比較多的環(huán)繞函數(shù)，即高斯環(huán)繞函數(shù)，其表達(dá)式為：

其中，c為環(huán)繞函數(shù)的空間常數(shù)，即為環(huán)繞函數(shù)高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，這個(gè)空間常數(shù)決定了圖像的動(dòng)態(tài)壓縮范圍和色彩再現(xiàn)效果，它的選取是根據(jù)應(yīng)用需要，在上述兩方面的折中選擇。通過合理的設(shè)置空間常數(shù)c，可以使增強(qiáng)的圖像具有動(dòng)態(tài)范圍的壓縮，同時(shí)其色彩又具有恒定性，使通過單尺度中心環(huán)繞Retinex增強(qiáng)算法后的圖像具有很好的主觀性能。本文研究的圖像，都是紅外的灰度圖像，沒有色彩恒定性問題，但隨著環(huán)境背景和目標(biāo)的不同，紅外圖像的效果也存在這差異，因此單尺度中心環(huán)繞Retinex算法對(duì)灰度紅外圖像也具有同樣的效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)本文設(shè)計(jì)的圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，選用某640*480長波紅外相機(jī)，對(duì)某飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤試驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集目標(biāo)的紅外圖像送至本系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)紅外圖像進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、目標(biāo)提取和實(shí)時(shí)增強(qiáng)顯示。實(shí)時(shí)采集的圖像如圖所示。

圖3 某飛機(jī)的實(shí)時(shí)跟蹤圖像

對(duì)存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行事后判讀，沒有丟幀情況，目標(biāo)提取穩(wěn)定連續(xù)，如圖3所示，紅外目標(biāo)的對(duì)比度強(qiáng)，增強(qiáng)效果較好。

4 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)的圖像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能適應(yīng)多種紅外傳感器輸出的圖像格式，實(shí)時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、目標(biāo)提取跟蹤和增強(qiáng)顯示；軟件采用多線程技術(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。該系統(tǒng)集成度高，通用性強(qiáng)，在紅外應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]RAFAEL C.Gonzalez，et al．Digital Image Processing．Second Edition[M].北京：電子工業(yè)出版社．2002.．

[2]何斌，馬天予.《Visual C++數(shù)字圖像處理》[M].人民郵電出版社，2003.

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TP3

A

1674-6708（2015）149-0151-02

曹立華，研究方向：圖像處理