基于圖像融合的新型紅外熱成像系統(tǒng)

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新型紅外熱成像系統(tǒng)實現(xiàn)了紅外、可見光圖像等信息數(shù)據(jù)的采集,通過平臺前端實現(xiàn)圖像融合,并且由實際效果進(jìn)行分析,經(jīng)過主觀觀察,結(jié)合客觀指標(biāo),融合之后的圖像在效果的呈現(xiàn)上都要比單波段形成的圖像所能夠展現(xiàn)的信息更加的豐富,增強(qiáng)了對環(huán)境的表達(dá)能力。

1 圖像融合系統(tǒng)構(gòu)建與調(diào)試

1.1 圖像融合系統(tǒng)整體實現(xiàn) 為了采集到紅外圖像、可見光圖像,需要以圖像融合為基礎(chǔ)構(gòu)建新型紅外熱成像系統(tǒng)。圖1為新型紅外熱成像系統(tǒng)組成原理圖。

圖1 新型紅外熱成像系統(tǒng)組成原理圖

由圖1能夠看出整個系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成,USB總線前端為圖像采集部分,PC機(jī)是對圖像進(jìn)行處理部分。物體發(fā)出紅外輻射經(jīng)由鏡頭捕獲最終成像,同時可見光也能夠通過鏡頭被對應(yīng)系統(tǒng)捕獲最終成像,之后的圖像經(jīng)過核心板完成數(shù)字化分析,在通過USB傳輸?shù)絇C端,接收到的信息主要應(yīng)用多線程完成對圖像的處理。線程能夠?qū)Λ@取到的圖像進(jìn)行接收,應(yīng)用圖像算法,最終將數(shù)據(jù)傳入到可視化框架當(dāng)中,圖像就會在顯示屏當(dāng)中顯像。核心板與傳輸板、紅外驅(qū)動板與TEC驅(qū)動板等通過插座完成連接,調(diào)整鏡頭、傳感器等的位置,調(diào)試當(dāng)中應(yīng)用的電源需要進(jìn)行的電流監(jiān)控,PC機(jī)在進(jìn)行圖像處理之后,就會在屏幕當(dāng)中成像。整個新型紅外熱成像系統(tǒng)的構(gòu)成需要經(jīng)過多次調(diào)試,前端收集、傳輸以及數(shù)據(jù)處理等三部分不可或缺。

1.2 程序設(shè)計總體框架 Verilog語言是進(jìn)行程序設(shè)計時使用最為廣泛的技術(shù),通常流程是確定總體功能,由上至下將總體功能進(jìn)行系統(tǒng)劃分為不同模塊,在由不同模塊進(jìn)行細(xì)化處理,分成更小單位的單元設(shè)計,最終應(yīng)用硬件語言完成對功能單元的設(shè)計。之后由下至上,逐級進(jìn)行綜合調(diào)整,最終會形成整體系統(tǒng)功能設(shè)計。而軟件設(shè)計就需要針對探測器和傳感器開展,主要是控制配置、信息采集傳輸?shù)裙δ?。圖2為程序設(shè)計總體框架

圖2 程序設(shè)計總體框架

2 新型紅外熱成像系統(tǒng)算法

2.1 圖像融合算法實現(xiàn) 數(shù)字圖像其本質(zhì)就是巨大的數(shù)字矩陣,矩陣當(dāng)中不同的值都代表著相對應(yīng)的像素灰度值。圖像經(jīng)過處理時,最基礎(chǔ)部分為圖像存放容器,容器設(shè)計直接關(guān)系到圖像處理的效率和質(zhì)量,容器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化,PC端采集到圖像,解包之后就可以將圖像存入到容器當(dāng)中,最后在進(jìn)行算法處理。紅外圖像分離之后進(jìn)行校正,校正也可以分為單點或者兩點,將原始圖像當(dāng)中的非勻稱點去除,紅外圖像進(jìn)行去噪,采用高斯濾波;或者增強(qiáng),應(yīng)用非銳化掩膜。而對于可見光圖像也需要將其分離至容器當(dāng)中,利用高斯濾波或者中值濾波進(jìn)行去噪處理。紅外圖像、可見光圖像經(jīng)過濾波處理完成之后,分別對其進(jìn)行重樣采集,通常分辨率在400X300像素。透視變化矩陣在計算的時候需要在最初部分進(jìn)行保存,之后根據(jù)配準(zhǔn)程序進(jìn)行矩陣相乘,這種計算方式能夠降低耗時,提升算法的實時性。

2.2 紅外圖像預(yù)處理算法 紅外圖像產(chǎn)生異質(zhì)性的因素主要來自器件本身的異質(zhì)性,用來放置紅外焦平面,由于制造工藝參數(shù)和每個像素的特性,存在差異,讀出電路單元之間也存在差異,即使是均勻的紅外輻射輸入,各像元的響應(yīng)也不一致,使得輸出圖像具有嚴(yán)重的異質(zhì)性。器件的工作狀態(tài)也會引入不均勻性,如器件本身的溫度、工作環(huán)境的溫濕度等;另外,探測器前端的光學(xué)系統(tǒng)也會引起不均勻性,如透鏡畸變、光軸偏移等。這種不均勻性會使圖像中的目標(biāo)變得模糊,幾乎無法分辨,這對紅外圖像的質(zhì)量有很大的影響。因此,必須對紅外圖像進(jìn)行非均勻性校正。

2.3 單點校正算法 單點校正是非均勻校正中最簡單、最快的算法。單點校正假設(shè)紅外成像系統(tǒng)工作環(huán)境溫度穩(wěn)定,紅外輻射均勻,每個探測像素的增益非常接近。單點校正算法本身非常簡單,易于實現(xiàn)和執(zhí)行,但作為參考源的均勻輻射靶板采集的幾幀圖像的質(zhì)量直接影響到最終的校正效果。另外,值得一提的是,在許多實際情況下,在采集參考圖像時沒有被輻射源照射的靶板,而是直接用擋板近似代替均勻的輻射源。此外,探測器的每個像素增益不可能非常接近,這導(dǎo)致單點校正的圖像效果不足。目前,單點校正算法在商業(yè)應(yīng)用中應(yīng)用較少,主要應(yīng)用于計算速度快、圖像質(zhì)量差的場合。

2.4 兩點校正算法 兩點校正算法探測器的響應(yīng)率在一定的時間范圍內(nèi)具有線性特性,噪聲是加性和乘性的,而紅外探測器的非均勻性是在相同的輸入下每個探測器像素具有不同的線性輸出響應(yīng)。兩點非均勻校正算法的實質(zhì)是以一條標(biāo)準(zhǔn)曲線為參考,對每個檢測像素的響應(yīng)曲線進(jìn)行變換,使同一輻射條件下的響應(yīng)曲線與該曲線重合。兩點校正算法是基于線性假設(shè)的,隨著非線性響應(yīng)的增大,校正效果必然惡化。在實際應(yīng)用中,一般將兩點法推廣到多個溫度段校正。在許多商業(yè)應(yīng)用中,溫度每變化1到2度,就會重新計算響應(yīng)度和偏差,生成多個查找表,然后使用像素響應(yīng)值來確定哪個查找表用于校正。

結(jié)論

紅外圖像算法的發(fā)展使實時校正技術(shù)更加完善,能夠為紅外熱成像提供更加優(yōu)質(zhì)的校正效果,使新型紅外熱成像系統(tǒng)的圖像處理算法得到優(yōu)化,在新型紅外熱成像系統(tǒng)中,通過系統(tǒng)前端進(jìn)行的原始圖像可以直接傳輸?shù)狡脚_系統(tǒng)當(dāng)中,不需要經(jīng)過其他處理,圖像的處理主要是由平臺系統(tǒng)中FPGA處理完成,這樣能夠降低CPU計算資源消耗,這種移植方式會對圖像完成濾波或者插值。如果使相對復(fù)雜的圖像也可以直接經(jīng)過CPU進(jìn)行計算處理,多種的計算處理方式實現(xiàn)了圖像計算與快速處理的同時準(zhǔn)確執(zhí)行,使系統(tǒng)數(shù)據(jù)在傳輸與處理上的速度不斷地提升。新型紅外熱成像系統(tǒng)后端是對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行的反饋,新型紅外熱成像系統(tǒng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,因此,在程序設(shè)計的時候要充分的考慮前端采集圖像的控制問題,并且通過USB完成反向控制操作,之后會對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,實現(xiàn)平臺的圖像融合,這將會實現(xiàn)新型紅外熱成像系統(tǒng)操作更加簡化,智能化水準(zhǔn)進(jìn)一步提高。