紅外圖像增強(qiáng)在公安系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)思敏++秦靜++張森++劉廣迪

摘要：紅外成像技術(shù)在公安系統(tǒng)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，如安檢、探測(cè)、防盜、夜間偵查等，但紅外技術(shù)會(huì)受到十分復(fù)雜的噪聲影響，使得紅外圖像所能得到的信息量較為局限?？梢岳肍PGA優(yōu)秀的并行處理能力，再結(jié)合諸如邊緣檢測(cè)，濾波平滑處理等算法的合理搭配，對(duì)紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，讓紅外技術(shù)在公安領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

關(guān)鍵詞：公安；紅外技術(shù)；圖像增強(qiáng)；算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）20-0177-03

公安事業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)科技的強(qiáng)大支撐，為響應(yīng)公安部提出的堅(jiān)持向科技要警力，要戰(zhàn)斗力，把科學(xué)精神、科技手段和高新技術(shù)裝備應(yīng)用到各項(xiàng)公安工作中去，堅(jiān)持以科技強(qiáng)警的號(hào)召，近年來(lái)全國(guó)各級(jí)公安機(jī)關(guān)通過(guò)整合現(xiàn)有的各種圖像技術(shù)資源，進(jìn)一步完善公安圖像偵察和安全防范系統(tǒng)，為公安預(yù)防與探測(cè)、偵查與破案提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。近年來(lái)，隨著紅外成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，紅外技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與安檢、探測(cè)、防盜、夜間偵查等公安的諸多領(lǐng)域[1]。但是由于紅外成像容易受到拍攝時(shí)具體環(huán)境的噪聲影響，導(dǎo)致紅外成像的圖像效果普遍不夠理想。紅外圖像的高背景低對(duì)比度，信噪比低和灰度范圍較窄等問(wèn)題都會(huì)減少圖像中能夠提取出的有用信息量，因此，必須要對(duì)質(zhì)量下降后的紅外圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃惴ㄔ鰪?qiáng)處理，提高紅外圖像成像的質(zhì)量，使我們得到的紅外圖像更適用于人眼的視覺(jué)觀察，有利于公安部門(mén)進(jìn)行安全防范，預(yù)測(cè)預(yù)警，偵查破案等工作的開(kāi)展。

提高紅外圖像質(zhì)量的方法有兩種，一種是提高紅外探測(cè)器的性能，使我們盡可能地得到可辨識(shí)度高的圖像；第二種是在紅外探測(cè)器的電子處理部分加入可以實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理的功能，通過(guò)有選擇性的處理來(lái)突出一些機(jī)器或人所感興趣的信息，剔除一些無(wú)用的噪聲信息，以此來(lái)提高圖像可獲取的信息量。在公安實(shí)戰(zhàn)中，各地區(qū)各部門(mén)經(jīng)濟(jì)條件，差異較大，提高紅外探測(cè)器的性能一方面難度較大，近幾年中，紅外探測(cè)器的研發(fā)也沒(méi)有太舉世矚目的突破，另一方面先進(jìn)的紅外探測(cè)器價(jià)格也相對(duì)昂貴，不是每個(gè)公安系統(tǒng)都能配備得起昂貴的先進(jìn)紅外探測(cè)器來(lái)達(dá)到較高的紅外成像的目的。那么我們就要從第二種提高紅外圖像質(zhì)量的方法入手，就是在紅外測(cè)器進(jìn)行紅外成像后加入圖像增強(qiáng)功能模塊。眾所周知，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，都是基于串行結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算，它將具有ALU（Arithmetic logic Unit）執(zhí)行的一串邏輯電路操作或是算術(shù)通過(guò)串行的方式來(lái)執(zhí)行運(yùn)算。ALU所必要的數(shù)據(jù)則由CPU的其余部分負(fù)責(zé)提供。所以，不管我們所處理的圖像尺寸如何，數(shù)量多寡，傳統(tǒng)的串行計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)都無(wú)法很好地適應(yīng)圖像增強(qiáng)處理工作。圖像處理的特殊性使人們開(kāi)始考慮使用硬件平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)并且開(kāi)發(fā)圖像處理的并行性，由于硬件平臺(tái)本身就是并行運(yùn)算的，所以基于硬件平臺(tái)可以非?？焖俚剡M(jìn)行圖像增強(qiáng)等一系列的運(yùn)算。但是硬件平臺(tái)具有一些缺點(diǎn)和不足，那就是他的配置問(wèn)題，只要他的配置完成，就可以非常方便快捷的進(jìn)行處理和運(yùn)算，但是如果處理的任務(wù)一旦改變，便需要重新配置這些硬件平臺(tái)，這樣的重新配置即使能夠?qū)崿F(xiàn)也是非常麻煩和困難的[2]。1985年，Xilinx公司推出了全球第一款FPGA（Field Programmable Gate Array）產(chǎn)品XC2064，預(yù)示著這一問(wèn)題終于得到了解決。FPGA就是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它既具備了計(jì)算機(jī)平臺(tái)所具有的靈活性又具備硬件平臺(tái)所固有的并行性，它的功能通過(guò)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言可以很容易的進(jìn)行重新配置。FPGA具有靈活性高，容量大，并行處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠很好地解決圖像增強(qiáng)處理問(wèn)題。本文介紹了一些紅外圖像增強(qiáng)算法，通過(guò)Verilog語(yǔ)言將這些算法編寫(xiě)出來(lái)，然后下載到FPGA開(kāi)發(fā)板中來(lái)處理從紅外探測(cè)器中得到的圖像。以這樣的方法實(shí)時(shí)處理紅外圖像，得到信息量更大的紅外圖像，能夠更好地發(fā)揮紅外技術(shù)在公安系統(tǒng)中的作用。

1 紅外成像技術(shù)

1.1 紅外成像的分類(lèi)

眾所周知，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)介于0.4微米到0.75微米之間，而紅外線(xiàn)是一種波長(zhǎng)介于0.75微米到1000微米的電磁波，其在光譜中的位置位于可見(jiàn)光中紅色光之外，故稱(chēng)之為紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)又分為近紅外線(xiàn)和熱紅外線(xiàn)，近紅外線(xiàn)波長(zhǎng)介于0.75微米至2.0微米之間，而熱紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)介于2.0微米至1000微米之間。在我們所生活的自然界中，任何物體都可以輻射出不同的紅外線(xiàn)，因此，我們可以通過(guò)特殊的電子設(shè)備來(lái)接收物體所發(fā)出的紅外輻射，并根據(jù)我們所觀測(cè)的目標(biāo)物體與其背景所輻射出的紅外線(xiàn)之差形成可供我們?nèi)庋塾^察的紅外圖像。

當(dāng)今的紅外成像技術(shù)可以分為被動(dòng)紅外成像和主動(dòng)紅外成像。所謂被動(dòng)紅外成像技術(shù)，主要是我們所采用的測(cè)量?jī)x器不主動(dòng)發(fā)出紅外，而是被動(dòng)地去接受物體所發(fā)出來(lái)的紅外輻射，由于自然界中物體溫度只要超過(guò)絕對(duì)零度，就一定會(huì)輻射出不同波長(zhǎng)的電磁波，電磁波的波長(zhǎng)和輻射強(qiáng)度會(huì)根據(jù)溫度的變化而隨之改變，以此為根據(jù)，我們就可以通過(guò)運(yùn)用光電技術(shù)來(lái)接收到自然界中物體自身所輻射出來(lái)的介于0.75微米到1000微米的紅外線(xiàn)特定波段的信號(hào)，并將這些光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)一步計(jì)算出畫(huà)面中的溫度差，從而形成可供我們視覺(jué)分辨的圖像和形狀，這樣被動(dòng)接受物體所輻射出來(lái)的紅外線(xiàn)來(lái)形成圖像的技術(shù)我們稱(chēng)之為被動(dòng)紅外成像，通常也將它稱(chēng)之為紅外熱成像技術(shù)。并將其根據(jù)溫度的不同來(lái)加入偽彩色技術(shù)，使其變得更加生動(dòng)具體形象。紅外熱成像技術(shù)可以被用在安檢中，非接觸式測(cè)量體溫，還可以用于夜間探測(cè)在監(jiān)控區(qū)域是否有未被允許進(jìn)入的人員活動(dòng)。所謂主動(dòng)紅外成像技術(shù)是指，不接受物體所輻射的紅外線(xiàn)，而是探測(cè)器本身主動(dòng)去發(fā)射紅外線(xiàn)，然后我們接收從物體上反射回來(lái)的紅外電磁波，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，形成肉眼所能看到的圖像和形狀。一般主動(dòng)紅外裝置都由紅外發(fā)射器、接收器、信號(hào)轉(zhuǎn)換、處理和顯示器等部分來(lái)組成。在公安系統(tǒng)中，主動(dòng)紅外成像技術(shù)應(yīng)用廣泛，可以在夜間，可見(jiàn)光不足的情況下，看清監(jiān)控區(qū)域，有效降低夜間犯罪的發(fā)生率。

1.2 紅外成像的特點(diǎn)

紅外成像是紅外技術(shù)和成像技術(shù)的結(jié)合體，將人或物體所發(fā)射出來(lái)的特定的紅外線(xiàn)波段信號(hào)轉(zhuǎn)換成人類(lèi)肉眼可以分辨的圖形或圖像，紅外成像技術(shù)如同其他射線(xiàn)成像一樣，突破了人類(lèi)的視覺(jué)障礙，讓人類(lèi)可以清楚地分辨出物體表面的紅外射線(xiàn)分布狀況。在進(jìn)行偵查時(shí)，紅外技術(shù)可以適應(yīng)環(huán)境中的各種惡劣狀況，并且隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)。在夜間或山區(qū)偵查時(shí)，由于紅外輻射的穿透性極強(qiáng)，并且可以較遠(yuǎn)距離成像，所以紅外成像技術(shù)不但有很強(qiáng)的識(shí)別能力，而且很難被犯罪嫌疑人發(fā)現(xiàn)。在安檢防范中，使用紅外技術(shù)可以在人員密集區(qū)域很容易的以非接觸式測(cè)溫來(lái)檢測(cè)出體溫異常的人員。在夜間，對(duì)比度較差和光照強(qiáng)度不足是夜晚進(jìn)行偵查和監(jiān)控的最大難點(diǎn)，在紅外夜視技術(shù)還沒(méi)有發(fā)展起來(lái)之前，只能靠肉眼或是普通攝像頭監(jiān)控目標(biāo)及周?chē)h(huán)境[3]。因此，夜晚也就變成了犯罪活動(dòng)的高發(fā)時(shí)段，例如搶劫、盜竊和恐怖活動(dòng)等。根據(jù)美國(guó)的一項(xiàng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，全球有47%的犯罪活動(dòng)都發(fā)生在夜間，原因很簡(jiǎn)單，在夜間，犯罪嫌疑人容易躲藏，更容易接近受害者，而周?chē)罕娤∩?，犯罪現(xiàn)場(chǎng)不容易被發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控?cái)z像也無(wú)法有效的捕捉拍攝到犯罪畫(huà)面，無(wú)法形成證據(jù)，這使得犯罪嫌疑人更加肆意妄為。包括軍事襲擊，行軍等都會(huì)選在夜間進(jìn)行。而主動(dòng)紅外成像技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，很好地解決了夜視盲區(qū)的問(wèn)題，它不依靠自然光，自身發(fā)射紅外線(xiàn)反射成像，也不會(huì)讓犯罪嫌疑人輕易發(fā)現(xiàn)，為公安破案提供強(qiáng)有力的證據(jù)。而且現(xiàn)今的紅外成像已經(jīng)將紅外光、可見(jiàn)光以及激光成像結(jié)合在一起，紅外成像技術(shù)所能得到的圖像越來(lái)越清晰。

但是由于紅外圖像容易受到外界許多因素的影響，諸如大氣衰減、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葧?huì)導(dǎo)致我們得到的圖像視覺(jué)效果不佳，空間相關(guān)性較強(qiáng)、對(duì)比度不高。我們身邊無(wú)處不在的噪聲還有紅外探測(cè)器自身的噪聲都會(huì)影響紅外圖像的畫(huà)質(zhì)，降低它的信噪比，會(huì)使得圖像呈現(xiàn)一種非均勻的圖像畸變、串?dāng)_和固定形狀噪聲等，這都會(huì)讓紅外圖像無(wú)法和正常攝像頭所拍攝到的畫(huà)面相媲美。人類(lèi)對(duì)彩色圖像的敏感度較高，但是對(duì)于紅外成像技術(shù)所得到的灰度圖像的敏感度就差很多了，會(huì)感覺(jué)到其分辨率較差，能從其中得到的有用信息非常局限。紅外圖像作為一種灰度圖像，其圖像較為暗淡，致使目標(biāo)物與背景之間的對(duì)比度低，使得邊緣不夠用清晰，圖像中存在較大的噪聲?？偟膩?lái)說(shuō)紅外圖像的兩大特點(diǎn)就是圖像噪聲問(wèn)題和邊緣模糊問(wèn)題。針對(duì)這兩種問(wèn)題，本文介紹了均值、中值濾波算法和邊緣檢測(cè)算法，以此來(lái)提高圖像質(zhì)量。

2 紅外圖像噪聲分析

紅外圖像復(fù)雜的噪聲主要來(lái)源于儀器內(nèi)部所帶來(lái)的一系列的變化和自然界各種其他電磁波的干擾，所以我們無(wú)法得到如電視圖像那樣，信噪比高的畫(huà)面。紅外圖像的噪聲具有不同的來(lái)源、種類(lèi)，甚至形狀都不盡相同，這也導(dǎo)致了紅外圖像噪聲的復(fù)雜性，如顆粒狀噪聲和帶狀噪聲都是其比較常見(jiàn)的噪聲。紅外圖像噪聲所表現(xiàn)出的復(fù)雜性也導(dǎo)致了其具有一定的不可預(yù)見(jiàn)性。

眾所周知，紅外熱成像系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)很吸引人眼球，但其缺點(diǎn)也十分顯著，此系統(tǒng)中的紅外焦平面陣列會(huì)引起圖像的非均勻性，這是由于紅外焦平面陣列中各個(gè)探測(cè)元的結(jié)構(gòu)尺寸不相同、響應(yīng)率不均勻、讀出電路自身和探測(cè)器的耦合性不一致等各種因素導(dǎo)致的。并且溫度、放大器和熱噪聲夜視圖像不清晰的主要因素，其中紅外圖像噪聲的最主要因素是溫度噪聲和熱噪聲這一類(lèi)的白噪聲（white noise）[4]。由于紅外噪聲的復(fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性，所以想要通過(guò)一種算法或幾種算法是很難將其根除的，所以我們通常是通過(guò)多種算法的結(jié)合使用，突出紅外圖像中人們所感興趣的信息，抑制人們所不感興趣的信息，使圖像達(dá)到或者更加接近我們所理想的水平。

在圖像中，噪聲往往是圖像像素中突變的點(diǎn)，我們可以通過(guò)一定的運(yùn)算將這些突變的點(diǎn)去除，這樣就做到將噪聲點(diǎn)濾除，使圖像變得平滑。下面將簡(jiǎn)單介紹我們常用的兩種算法來(lái)濾除紅外圖像的噪聲。

3 紅外圖像去噪算法

3.1 均值濾波算法

均值濾波（Mean filtering）是在我們所要處理的圖像中指定一個(gè)模板，模板可以是的一個(gè)正方形像素點(diǎn)的集合，其中包括了要處理的像素點(diǎn)和其周?chē)?個(gè)相鄰的像素點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算出這個(gè)模板中所有像素點(diǎn)灰度值的平均值，用這個(gè)平均值來(lái)取代中間需要處理的像素點(diǎn)原來(lái)的灰度值，來(lái)達(dá)到抑制像素點(diǎn)突變的情況，然后讓此模板遍歷整個(gè)圖像，這樣就達(dá)到了紅外圖像平滑處理的目的。假設(shè)我們現(xiàn)在需要處理的圖像是，處理后的圖像為，圖像像素大小是，圖像的沖擊響應(yīng)為，大小為，最終圖像經(jīng)過(guò)運(yùn)算后輸出的灰度值為：

均值濾波的優(yōu)點(diǎn)在于公式較為簡(jiǎn)單并且運(yùn)算速度快，它又被稱(chēng)為線(xiàn)性濾波。但是均值濾波的缺點(diǎn)也很明顯，它會(huì)將圖像的一些人們所需要看到的細(xì)節(jié)也處理掉，使得圖像邊緣變得模糊。

3.2中值濾波算法

中值濾波（Median filtering）也需要指定一個(gè)模板，這個(gè)模板通常是或者是的一個(gè)區(qū)域，它通過(guò)計(jì)算這個(gè)區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)灰度值的中值，然后用這個(gè)中值去代替所要處理的像素點(diǎn)的灰度值，使得讓需要處理的像素值接近真實(shí)值，來(lái)達(dá)到去除噪聲的目的。比起均值濾波去噪法，這樣的去噪方法會(huì)保留圖像邊緣等一些信息，是一種非線(xiàn)性濾波。假設(shè)需要處理的圖像是，處理后的圖像是，則處理結(jié)果為：

其中W就是我們所指定的或者是的二維模板，而它的區(qū)域的形狀也可以不同，如圓形、方形、環(huán)狀和線(xiàn)狀等

在FPGA編譯平臺(tái)QUARTUS II中，可以直接使用軟件所提供的2D中值濾波器模塊和2D FIR濾波器模塊，對(duì)圖像或是視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，方便快捷。其中2D中值濾波器宏功能適用于像素為，的中值濾波器的視頻或是圖像。中值濾波器可以在視頻和圖像中去除斑點(diǎn)噪聲和椒鹽噪聲的同時(shí)保持圖像邊緣的清晰。2D FIR濾波宏功能執(zhí)行2D卷積運(yùn)算時(shí)，使用的是系數(shù)為，，的矩陣。2D FIR濾波器對(duì)FPGA資源進(jìn)行高效的使用，以便在整個(gè)運(yùn)算過(guò)程中保留能夠保留完整的精度。有了合適的系數(shù)，2D FIR濾波器就可以執(zhí)行例如銳化、平滑處理和邊緣檢測(cè)等功能。你可以在運(yùn)行時(shí)通過(guò)一個(gè)Avalon-MM的從屬接口對(duì)2D FIR濾波器進(jìn)行配置以改變它系數(shù)的值。

4 紅外圖像邊緣檢測(cè)算法

一幅圖像我們可以把它看作是一個(gè)矩陣，而矩陣中的值便是這幅圖像的連續(xù)灰度值函數(shù)的取樣點(diǎn)。眾所周知，所謂邊緣就是指圖像中畫(huà)面變化最顯著的位置，它表現(xiàn)在函數(shù)中，就是灰度值函數(shù)有著最大變化的地方?；叶戎岛瘮?shù)的變化程度我們可以用梯度值來(lái)衡量，梯度值越大灰度值函數(shù)的變化也就越大，梯度的定義為：

其中和的值可以用多種算子進(jìn)行計(jì)算，諸如Sobel、Prewitt和Roberts算子，上述幾種邊緣檢測(cè)算子都是基于一階導(dǎo)數(shù)的梯度算子，我們以Sobel算子為例。假設(shè)我們所要處理的圖像像素值矩陣為（6），（7）和（8）是Sobel算子在水平和豎直方向上的卷積核，其中是我們要處理的像素點(diǎn)，那么我們需要將領(lǐng)域內(nèi)的每個(gè)像素值和（7）、（8）分別做卷積運(yùn)算，所以我們需要知道到每個(gè)點(diǎn)的像素值。

通過(guò)公式（9）我們便可以計(jì)算出圖像中每個(gè)領(lǐng)域的點(diǎn)的和的值，將其取絕對(duì)值后相加便得到了公式（5）的結(jié)果，令與閥值進(jìn)行比較，如果大于閥值則該點(diǎn)被稱(chēng)為邊界點(diǎn)，如此，就實(shí)現(xiàn)了圖像的邊緣檢測(cè)，其中閥值是通過(guò)對(duì)紅外圖像灰度直方圖的分析得出的，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)作進(jìn)一步調(diào)整[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析現(xiàn)今公安系統(tǒng)的需求和發(fā)展目標(biāo)，看到了紅外成像技術(shù)在公安領(lǐng)域中深入應(yīng)用后所能帶來(lái)的好處。詳細(xì)介紹了紅外成像技術(shù)的原理和分類(lèi)。對(duì)紅外成像技術(shù)所得到的圖像存在的不足進(jìn)行分析，介紹了在紅外探測(cè)器加裝圖像增強(qiáng)功能模塊的可行性和幾種可用于紅外圖像增強(qiáng)算法的原理。通過(guò)多種算法的合理應(yīng)用并與FPGA強(qiáng)大的并行處理能力的配合，一定可以讓紅外圖像越來(lái)越接近人們所期望的成像效果，并在安檢，夜視偵查等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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