多傳感器光電經(jīng)緯儀圖像增強(qiáng)系統(tǒng)研究

謝澤峰

（中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島125000）

1 引 言

光電經(jīng)緯儀是靶場光電測量的重要設(shè)備，主要用于靶場的導(dǎo)彈、衛(wèi)星等航天器發(fā)射、測控任務(wù)，以及運(yùn)載段的觀測與控姿，同時(shí)可用于常規(guī)靶場的武器精度鑒定及性能檢測工作［1］。

靶場光測經(jīng)緯儀發(fā)展的兩大趨勢，一是提高經(jīng)緯儀本身的測量能力，主要手段是結(jié)合雷達(dá)、遙測、激光測距、各種探測器以及圖像處理等技術(shù)；二是提高測量的可視化程度，主要手段是借助各種探測器和圖像處理技術(shù)。顯然，探測器和圖像處理技術(shù)在光測經(jīng)緯儀發(fā)展中具有重要作用，探測器發(fā)展相對(duì)緩慢且提高性能的成本相對(duì)較高，而圖像處理技術(shù)發(fā)展較快，應(yīng)用靈活，具有較強(qiáng)的推廣意義［2-3］。光學(xué)經(jīng)緯儀中的圖像處理技術(shù)主要涉及到目標(biāo)識(shí)別、增強(qiáng)顯示和特性測量等領(lǐng)域，目標(biāo)識(shí)別和增強(qiáng)顯示對(duì)于測控方面具有直接的實(shí)踐意義［4］，目標(biāo)識(shí)別主要用于目標(biāo)的識(shí)別、脫靶量的輸出和自動(dòng)跟蹤，增強(qiáng)顯示主要用于輔助人眼跟蹤和提高測量的可視化水平。目前，目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究較早，應(yīng)用廣泛，但是復(fù)雜背景下的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)依賴于圖像場景，圖像增強(qiáng)技術(shù)研究火熱，基于單幅圖像或靜態(tài)圖像的圖像增強(qiáng)算法研究較多，而動(dòng)態(tài)圖像的實(shí)時(shí)增強(qiáng)算法研究相對(duì)較少。圖像處理和圖像增強(qiáng)都在一定程度上涉及到圖像的增強(qiáng)顯示［5-6］。

本文簡要介紹光學(xué)測量系統(tǒng)原理，分析各波段光學(xué)系統(tǒng)的性能，給出圖像增強(qiáng)系統(tǒng)方案，介紹各種圖像增強(qiáng)算法，仿真實(shí)現(xiàn)了等間距圖像增強(qiáng)算法。

2 光學(xué)測量系統(tǒng)簡介

2.1 光學(xué)測量系統(tǒng)原理

多傳感器經(jīng)緯儀的光學(xué)測量系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、成像器件、圖像處理系統(tǒng)、圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)和圖像增強(qiáng)系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示，目標(biāo)通過光學(xué)系統(tǒng)成像于成像器件（主要有可見光相機(jī)和各波段紅外相機(jī)），成像器件輸出數(shù)字視頻（部分相機(jī)可同時(shí)輸出模擬視頻），通過光纖通訊系統(tǒng)傳輸給圖像處理系統(tǒng)、圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)和圖像增強(qiáng)系統(tǒng)。其中，一路數(shù)字圖像與測量信息（時(shí)間、角度、幀頻）傳輸給圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行同幀存儲(chǔ)，用于事后數(shù)據(jù)處理；第二路數(shù)字圖像傳輸給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理后輸出脫靶量信息給伺服系統(tǒng)，用于自動(dòng)跟蹤；第三路數(shù)字圖像傳輸給圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)增強(qiáng)顯示和輔助人工跟蹤。

圖1 光學(xué)測量系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of optical measurement system

圖像處理系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)處理圖像獲得脫靶量后發(fā)送給跟蹤系統(tǒng)，上位機(jī)用于選擇自動(dòng)跟蹤方式、目標(biāo)選擇等，并將選擇項(xiàng)傳輸給下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)同時(shí)處理圖像，上位機(jī)處理圖像依賴于操作系統(tǒng)和Visual C++編程軟件，并在圖像處理軟件中顯示8 bit圖像，下位機(jī)通過下位機(jī)板卡處理完圖像后，生成10 bit圖像并以SDI格式輸出圖像。圖像處理系統(tǒng)采用拉伸的形式對(duì)圖像進(jìn)行處理，注重目標(biāo)的識(shí)別，對(duì)圖像的成像質(zhì)量沒有特別要求，因此下位機(jī)輸出的圖像比上位機(jī)顯示的圖像具有更好的可視性，特別對(duì)于弱小目標(biāo)，下位機(jī)輸出的圖像顯示效果更好。

圖像處理系統(tǒng)只處理短波紅外圖像和中波紅外圖像，并且只采用拉伸方式對(duì)圖像進(jìn)行處理，與圖像處理系統(tǒng)不同的是，圖像增強(qiáng)系統(tǒng)不僅處理短波紅外圖像和中波紅外圖像，還處理可見光CCD圖像，圖像增強(qiáng)系統(tǒng)所使用的圖像增強(qiáng)算法比較多。圖像處理系統(tǒng)與圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的不同之處還有，圖像處理系統(tǒng)因?yàn)樽詣?dòng)跟蹤需要，要處理100幀的數(shù)字圖像，而圖像增強(qiáng)系統(tǒng)只用于顯示，只需要處理25幀的數(shù)字圖像，兩者都需要對(duì)高幀頻圖像進(jìn)行抽幀處理。

2.2 各波段光學(xué)系統(tǒng)

多傳感器光電經(jīng)緯儀具有三個(gè)波段的傳感器（探測器），其中可見光波段的CCD傳感器，短波波段的短波紅外傳感器，中波波段的中波紅外傳感器。CCD光學(xué)系統(tǒng)與短波紅外光學(xué)系統(tǒng)采用共口徑（如圖2所示）、光譜分光設(shè)計(jì)，采用鍍膜鏡片透過可見光反射短波紅外，從而實(shí)現(xiàn)分光，中波紅外具有獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)。多波段共口徑技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，其可以滿足對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多波段信息行準(zhǔn)確探測的要求，既可以得到目標(biāo)的可見光圖像，又可以得到目標(biāo)的紅外圖像［7］。

圖2 多傳感器共口徑示意圖Fig.2 Multi-sensor common aperture schematic

3 圖像增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用

3.1 圖像增強(qiáng)系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)圖像增強(qiáng)系統(tǒng)由數(shù)字圖像輸入、圖像處理和圖像顯示或輸出等部分組成。如圖3所示，各傳感器數(shù)字圖像通過CameraLink接口傳輸給機(jī)上光纖，機(jī)上光纖傳輸給機(jī)下光纖，機(jī)下光纖對(duì)各路數(shù)字圖像進(jìn)行分路，CCD數(shù)字圖像分四路，一路用于存儲(chǔ)，一路用于圖像增強(qiáng)，兩路備用；SWIR數(shù)字圖像分五路，一路雙medium用于存儲(chǔ)，一路單medium用于校正，一路用于圖像處理，一路用于圖像增強(qiáng)，一路備用；MWIR數(shù)字圖像分四路，一路用于存儲(chǔ)，一路用于圖像處理，一路用于圖像增強(qiáng)，一路備用。

各傳感器各有一路數(shù)字圖像傳輸給圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，用于增強(qiáng)顯示，傳輸給圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)字圖像在機(jī)下光纖輸出時(shí)被抽幀成25幀，圖像增強(qiáng)系統(tǒng)采集卡采用標(biāo)準(zhǔn)的CameraLink接口圖像采集卡。圖像增強(qiáng)系統(tǒng)主機(jī)采用DELL Precision Tower 7910工作站，圖像增強(qiáng)軟件采用Visual C++編程工具開發(fā)，三路圖像同時(shí)顯示于軟件界面，可選擇其中一路放大顯示，各圖像可以采用不同的軟件算法進(jìn)行增強(qiáng)顯示。另外三路圖像增強(qiáng)處理后，轉(zhuǎn)換成SDI視頻格式，通過SDI視頻輸出卡輸出。

圖3 圖像增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Image enhancement system schematice

3.2 圖像增強(qiáng)算法

紅外圖像增強(qiáng)算法［8］主要分為空域法和頻域法。空域法在空間域內(nèi)對(duì)圖像像素的灰度級(jí)直接進(jìn)行變換，包括點(diǎn)運(yùn)算和鄰域運(yùn)算，其中點(diǎn)運(yùn)算又包括灰度級(jí)校正、灰度變換和直方圖修正，鄰域運(yùn)算主要包括圖像平滑和圖像銳化。頻域法就是在圖像的某種變換域內(nèi)對(duì)圖像的變換值進(jìn)行運(yùn)算，主要包括低通濾波、高通濾波和同態(tài)圖像增強(qiáng)?？紤]到圖像增強(qiáng)的實(shí)時(shí)化，圖像增強(qiáng)的運(yùn)算量不能太大，否則將難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，因此基于點(diǎn)運(yùn)算的圖像增強(qiáng)算法在實(shí)時(shí)處理上占有更大優(yōu)勢［9-10］。

多傳感器經(jīng)緯儀圖像增強(qiáng)軟件界面所圖4所示，右邊三幅圖像分別為短波紅外、可見光、中波紅外圖像，左邊大圖像為右邊三幅圖像之一的選擇放大。在右邊三幅圖像中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，可以選擇不同的圖像增強(qiáng)算法，三幅圖像獨(dú)立選擇圖像增強(qiáng)算法，可供選擇的圖像增強(qiáng)算法主要有：無增強(qiáng)顯示（可選擇高低位顯示），圖像平滑，直方圖均衡，對(duì)數(shù)增強(qiáng)，銳化增強(qiáng)，三種去霧算法，二種濾波算法，偽彩色增強(qiáng)和灰度級(jí)等間距增強(qiáng)算法，其中灰度級(jí)等間距增強(qiáng)算法是針對(duì)灰度集中場景設(shè)計(jì)的。

圖4 圖像增強(qiáng)軟件界面Fig.4 Image enhancement software interface

3.3 等間距增強(qiáng)算法

鑒于外場圖像灰度過于集中，末段目標(biāo)弱小時(shí)目標(biāo)背景灰度接近，且其他圖像增強(qiáng)算法容易造成灰度合同，多傳感器光電經(jīng)緯儀增加了一種簡單有效的等間距增強(qiáng)算法。該算法的基本思路是，統(tǒng)計(jì)灰度圖像被占有的灰度數(shù)量n，灰度圖像的第i個(gè)灰度被映射到新的灰度255×i/n。等間距增強(qiáng)算法的Matlab實(shí)現(xiàn)主要代碼如圖5所示，Visual C++代碼實(shí)現(xiàn)同理。

圖5 等間距增強(qiáng)算法Matlab代碼Fig.5 Equal spacing enhancement algorithm matlab code

4 仿真驗(yàn)證與分析

4.1 仿真驗(yàn)證

選取外場兩組640（H）×512（V）短波紅外圖像進(jìn)行等間距增強(qiáng)算法測試，如圖6和7所示，（a）為原始圖像，（b）為增強(qiáng)圖像。 由圖可見，增強(qiáng)圖像對(duì)比度更加明顯，細(xì)節(jié)信息顯示更加突出。

圖6 短波紅外圖像1Fig.6 Short wave infrared image 1

圖7 短波紅外圖像2Fig.7 Short wave infrared image 2

4.2 主觀視覺效果分析

主觀上，圖6和7中原始圖像的細(xì)節(jié)欠豐富，圖像對(duì)比度小，背景和目標(biāo)圖像層次不明顯，圖像的整體視覺效果模糊；增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)豐富，背景和目標(biāo)圖像層次明顯，目標(biāo)清晰度高，圖像的整體視覺效果清晰。

4.3 客觀定量分析

客觀上，為驗(yàn)證圖像增強(qiáng)的有效性，采用信息熵和標(biāo)準(zhǔn)差作為增強(qiáng)效果的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)［11］。

信息熵：

標(biāo)準(zhǔn)差：

式中，pr( rk) 為灰度直方圖；f表示圖像 f( x ，y)的灰度平均值；M和N表示圖像的行數(shù)和列數(shù)，圖像的信息熵反映圖像包含的信息量大小，信息熵越大，圖像中含有的信息量就越多。圖像的標(biāo)準(zhǔn)差反映圖像的細(xì)節(jié)信息，標(biāo)準(zhǔn)差越大，圖像細(xì)節(jié)信息就越多，也就越清晰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1和2所示。

表1 紅外圖像1增強(qiáng)客觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)Tab.1 Infrared image 1 enhances objective evaluation

表2 紅外圖像2增強(qiáng)客觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)Tab.2 Infrared image 2 enhances objective evaluation

由表1和2可知，與原圖像相比，增強(qiáng)圖像的信息熵不變，而標(biāo)準(zhǔn)差變大，說明原始圖像經(jīng)過等間距增強(qiáng)算法后，增強(qiáng)圖像信息量一點(diǎn)都不會(huì)減少，反而包含的圖像細(xì)節(jié)信息量變多了，圖像清晰度提高了，圖像整體可視化增強(qiáng)效果明顯。

4.4 實(shí)時(shí)性分析

采用DELL Precision Tower 7910工作站，在core i7-6820 CPU@3.30 GHz、4 GHz RAM計(jì)算機(jī)環(huán)境下，采用等間距增強(qiáng)算法處理短波紅外圖像，處理一副圖像的平均時(shí)間為0.008856 s，最大時(shí)間小于0.009 s，一般認(rèn)為單幀圖像處理時(shí)間低于0.04 s即可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化，因此完全能夠滿足圖像增強(qiáng)顯示實(shí)時(shí)處理要求。

5 結(jié) 論

本文分析了靶場光測經(jīng)緯儀的發(fā)展趨勢，對(duì)圖像處理和圖像增強(qiáng)進(jìn)行了簡單分析，在介紹多傳感器經(jīng)緯儀的光學(xué)測量系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，分析了多傳感器經(jīng)緯儀各波段光學(xué)系統(tǒng)的性能，介紹了該型經(jīng)緯儀采用的圖像增強(qiáng)系統(tǒng)方案和各種圖像增強(qiáng)算法，并仿真實(shí)現(xiàn)了等間距圖像增強(qiáng)算法。