一种红外图像非均匀性校正方法及系统与流程
本发明涉及红外图像处理领域，具体涉及一种红外图像非均匀性校正方法及系统。
背景技术：
随着红外成像技术的不断发展，已广泛应用于民用、军事等多种领域。在红外成像过程中，红外图像的非均匀性容易受探测器温度、图像场景变化的影响，严重降低红外探测器的成像质量，因此，需要对红外图像进行非均匀性校正，消除外界因素对成像质量的影响。
红外图像非均匀性校正通常采用无快门定标算法，现有的无快门定标算法较多，参见专利号为gb2445254a提出的基于相邻像素差平方和最小的无快门校正算法，该算法首先需要在探测器工作温度范围内采集几十幅均匀本底，然后计算其对应的偏置本底，在实时校正时，通过计算所有偏置本底的加权和来获得实时的偏置校正参数，加权系数可根据图像场景的变化不断地进行自适应更新，但该算法只考虑了探测器温度对图像质量的影响，并未考虑外界场景变化对图像非均匀性的影响，仅实现了基于探测器温度的红外图像的非均匀性校正，该算法校正后的成像质量较差。
另参见专利号为cn201210232737.7提出的一种基于模板法的无快门非均匀性校正算法，该算法选择一幅固定的偏置本底来计算校正参数，随着探测器实际温度和该偏置本底对应的探测器温度差异越来越大，计算误差也会越来越大，导致校正后的图像质量越差。
现有技术中的无快门校正算法得到的红外图像质量较差，需要提出一种新的算法，来提高红外成像质量。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种红外图像非均匀性校正方法，可以消除探测器温度和场景变化对红外成像的影响，提高红外成像质量。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
本发明提供了一种红外图像非均匀性校正方法，包括步骤：
采集探测器在不同温度下的均匀背景图像，采用基于探测器温度的非均匀性校正方法，对待校正图像进行一次校正，得到一幅第一图像；
采集待校正图像在多个不同辐射强度时的均匀背景图像，并对每幅不同辐射强度时的均匀背景图像进行基于探测器温度的非均匀性校正，得到多幅不同辐射强度时的辅助图像；
采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底，根据加权法建立当前场景下的补偿校正模型，通过使补偿校正后图像和期望图像的像素差平方和最小求解所述补偿校正模型中辅助图像的加权系数，得到当前场景下的补偿校正公式，并对第一图像进行补偿校正，得到第二图像。
在上述技术方案的基础上，所述基于探测器温度的非均匀性校正方法包括步骤：
计算探测器的图像增益系数及多个温度点下的偏置本底，采用插值方式估算探测器在当前温度下的偏置本底，得到基于探测器温度的非均匀性校正公式，采用两点校正法对待校正图像进行一次校正。
在上述技术方案的基础上，所述基于探测器温度的非均匀性校正公式具体为：
yij＝gainij(xij+offsetij(t))
式中，gainij是图像坐标(i,j)处的增益系数，xij是待校正图像坐标(i,j)处的像素灰度值，yij是一次校正后的图像坐标(i,j)处的像素灰度值，offsetij(t)是探测器在当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏置本底。
在上述技术方案的基础上，采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底的计算公式为：
式中，oij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像的偏置本底，ffij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像在坐标(i,j)处的像素灰度值，
在上述技术方案的基础上，所述当前场景下的补偿校正公式为：
式中，zij是第二图像在(i,j)处的像素灰度值，yij是第一图像在(i,j)处的像素灰度值，oij(φm)为辐射强度为φm的辅助图像的偏置本底，am为辐射强度为φm的辅助图像的加权系数，q为辅助图像的个数。
在上述技术方案的基础上，求解所述补偿校正模型中辅助图像的加权系数具体过程为：
根据补偿校正模型，得到校正后图像和期望图像的像素差平方和s，计算公式为：
式中，i＝1,2…m，j＝1,2…n，m为图像坐标的行数，n为图像坐标的列数，zij是第二图像在(i,j)处的像素灰度值，
使平方和s的导数为0，求解所有辅助图像的加权系数a1,a2…aq。
本发明还提供了一种红外图像非均匀性校正系统，包括：
一次校正模块，其用于采用基于探测器温度的非均匀性校正方法，对待校正图像进行一次校正，得到第一图像；
采集模块，其用于采集待校正图像在多个不同辐射强度时的均匀背景图像；
辅助处理模块，其用于对每幅不同辐射强度时的均匀背景图像进行基于探测器温度的非均匀性校正，得到多幅不同辐射强度时的辅助图像；
补偿校正模块，其用于采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底，根据加权法建立当前场景下的补偿校正模型，通过使补偿校正后图像和期望图像的像素差平方和最小求解所述补偿校正模型中辅助图像的加权系数，得到当前场景下的补偿校正公式，并对第一图像进行补偿校正，得到第二图像。
在上述技术方案的基础上，所述一次校正模块包括：
计算模块，用于计算探测器的图像增益系数及多个温度点下的偏置本底，并采用插值方式估算探测器在当前温度下的偏置本底；
校正处理模块，用于根据探测器的图像增益系数和探测器在当前温度下的偏置本底得到基于探测器温度的非均匀性校正公式，采用两点校正法对待校正图像进行一次校正。
在上述技术方案的基础上，采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底的计算公式为：
式中，oij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像的偏置本底，ffij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像在坐标(i,j)处的像素灰度值，
在上述技术方案的基础上，所述补偿校正公式为：
式中，zij是第二图像在(i,j)处的像素灰度值，yij是第一图像在(i,j)处的像素灰度值，oij(φm)为辐射强度为φm的辅助图像的偏置本底，am为辐射强度为φm的辅助图像的加权系数，q为辅助图像的个数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的红外图像非均匀性校正方法，先对红外图像进行一次校正，消除探测器温度变化对红外图像的影响，再对其进行补偿校正，消除图像场景变化对红外成像质量的影响，从而使得校正后的红外成像质量好。
(2)本发明的红外图像非均匀性校正方法，计算简单，运算量小，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例中红外图像非均匀性校正方法的流程图；
图2为本发明实施例中第一组实验的计算结果图；
图3为本发明实施例中第二组实验的计算结果图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种红外图像非均匀性校正方法，包括步骤：
采用基于探测器温度的非均匀性校正方法，对待校正图像进行一次校正，得到一幅第一图像；
采集待校正图像在多个不同辐射强度时的均匀背景图像，并对每幅不同辐射强度时的均匀背景图像进行基于探测器温度的非均匀性校正，得到多幅不同辐射强度时的辅助图像；
采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底，根据加权法建立补偿校正模型，通过使补偿校正后图像和期望图像的像素差平方和最小求解补偿校正模型中辅助图像的加权系数，得到补偿校正公式，并对第一图像进行补偿校正，得到第二图像。
在本发明实施例中，基于探测器温度的非均匀性校正方法为：计算探测器的图像增益系数及多个温度点下的偏置本底，采用插值方式估算探测器在当前温度下的偏置本底，得到基于探测器温度的非均匀性校正公式，采用两点校正法对待校正图像进行一次校正。
参见图1所示，本发明实施例的红外图像非均匀性校正方法，详细步骤包括：
s1：计算增益系数：探测器在同一温度下采集待校正图像在两个不同辐射强度时的均匀背景图像，并将这两幅均匀背景图像分别记为blackh和blackl，计算探测器的图像增益系数；
式中，(i,j)表示图像坐标位置，m、n分别表示图像坐标的行数和列数，gainij是图像坐标(i,j)处的增益系数，blackhij是均匀背景图像blackh在坐标(i,j)处的像素灰度值，blacklij是均匀背景图像blackl在图像坐标(i,j)处的像素灰度值；
s2：计算探测器在各个温度点下的偏置本底：探测器在不同温度下采集待校正图像在相同辐射强度时的均匀背景图像，并记录相应的若干探测器温度点，探测器温度点的个数为l，探测器温度点记为tn，探测器温度点tn的均匀背景图像记为f(tn)，计算探测器在各个温度点下的偏置本底公式如下：
式中，fij(tn)是温度点tn的均匀背景图像f(tn)在坐标(i,j)处的像素灰度值，
s3：估算探测器在当前工作温度下的偏置本底：测量探测器当前温度，从若干探测器温度点中选取与当前温度最近的p个探测器温度点，得到相应探测器温度点的偏置本底，采用插值方式计算探测器在当前温度下的偏置本底offsetij(t)，计算公式如下；
式中，offset(t1),…offset(tp)是与温度点t1,t2…tp对应的偏置本底，offsetij(tn)为温度点tn下图像坐标(i,j)处的偏置本底，kn(t)为探测器温度点tn对应的插值基函数，
式中，t为探测器的当前工作温度；
s4：一次校正：根据图像增益系数和探测器在当前温度下的偏置本底，得到基于探测器温度的非均匀性校正公式，并使用基于探测器温度的非均匀性校正公式对待校正图像进行一次校正，得到第一图像；
yij＝gainij(xij+offsetij(t))
式中，gainij是图像坐标(i,j)处的增益系数，xij是待校正图像坐标(i,j)处的像素灰度值，yij是一次校正后的图像坐标(i,j)处的像素灰度值，offsetij(t)是探测器在当前工作温度下图像坐标(i,j)处的偏置本底；
s5：校正不同辐射强度时的均匀背景图像：探测器在同一温度下采集待校正图像在q个不同辐射强度时的均匀背景图像，记录该探测器温度点tt和相应的q个辐射强度，将q个不同的辐射强度分别记为φ1,φ2,…φq，将与之对应的均匀背景图像分别记为f(φ1),f(φ2),…f(φq)，
根据基于探测器温度的非均匀性校正公式，对每幅不同辐射强度时的均匀背景图像分别进行校正，相应得到q幅不同辐射强度的辅助图像，得到辅助图像的计算公式为：
ffij(φn)＝gainij(fij(φn)+offsetij(tt))
式中，fij(φn)是均匀背景图像f(φn)在坐标(i,j)处的像素灰度值，tt为探测器温度点，offsetij(tt)为探测器在当前温度tt下的偏置本底，gainij是图像坐标(i,j)处的增益系数，ffij(φn)是辐射强度为φn的辅助图像在坐标(i,j)处的像素灰度值；
s6：采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底；
式中，oij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像的偏置本底，ffij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像在坐标(i,j)处的像素灰度值，
s7：得到当前场景下的补偿校正公式：根据加权法计算当前场景下实时的偏置本底，计算公式为：
oij＝a1×oij(φ1)+a2×oij(φ2)+…+ap×oij(φp)
式中，a1,a2…aq为加权系数，oij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像的偏置本底，oij为当前场景下实时的偏置本底；
建立补偿校正模型为：
式中，zij是第二图像在(i,j)处的像素灰度值，yij是第一图像在(i,j)处的像素灰度值，oij(φm)为辐射强度为φm的辅助图像的偏置本底，am为辐射强度为φm的辅助图像的加权系数，q为辅助图像的个数；
通过使补偿校正后图像和期望图像的像素差平方和最小求解补偿校正模型中辅助图像的加权系数a1,a2…aq，得到补偿校正公式；
s8：补偿校正：根据补偿校正公式，对第一图像进行补偿校正，得到第二图像。
上述步骤s3中，插值温度点个数p的选取需要根据采集均匀本底时的温度间隔和探测器本身的特性而定。由经验得知，当温度间隔大约为5℃时，在保证图像质量的条件下，p最大取值为5。
步骤s7的求解补偿校正模型中辅助图像的加权系数具体过程为：
s71：根据补偿校正模型，得到校正后图像和期望图像的像素差平方和s，计算公式为：
式中，i＝1,2…m，j＝1,2…n，m为图像坐标的行数，n为图像坐标的列数，zij是第二图像在(i,j)处的像素灰度值，
s72：分别对每个加权系数均进行求导，并使之为0，求导公式如下：
为了方便化简，令：
其中
化简求导公式，得到：
其中
把上式代入计算当前场景下实时偏置本底的公式中，计算出实时的偏置本底。
本发明实施例还提供了一种红外图像非均匀性校正系统，包括：
一次校正模块，其用于采用基于探测器温度的非均匀性校正方法，对待校正图像进行一次校正，得到第一图像；
采集模块，其用于采集待校正图像在多个不同辐射强度时的均匀背景图像；
辅助处理模块，其用于对每幅不同辐射强度时的均匀背景图像进行基于探测器温度的非均匀性校正，得到多幅不同辐射强度时的辅助图像；
补偿校正模块，其用于采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底，根据加权法建立补偿校正模型，通过使补偿校正后图像和期望图像的像素差平方和最小求解补偿校正模型中辅助图像的加权系数，得到补偿校正公式，并对第一图像进行补偿校正，得到第二图像。
一次校正模块包括：
计算模块，用于计算探测器的图像增益系数及多个温度点下的偏置本底，并采用插值方式估算探测器在当前温度下的偏置本底；
校正处理模块，用于根据探测器的图像增益系数和探测器在当前温度下的偏置本底得到基于探测器温度的非均匀性校正公式，采用两点校正法对待校正图像进行一次校正。
采用单点校正法计算辅助图像的偏置本底的计算公式为：
式中，oij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像的偏置本底，ffij(φn)为辐射强度为φn的辅助图像在坐标(i,j)处的像素灰度值，
补偿校正公式为：
式中，zij是第二图像在(i,j)处的像素灰度值，yij是第一图像在(i,j)处的像素灰度值，oij(φm)为辐射强度为φm的辅助图像的偏置本底，am为辐射强度为φm的辅助图像的加权系数，q为辅助图像的个数。
通常剩余非均匀性nues是用来衡量红外探测器焦平面阵列响应非均匀性的常用指标，被看作是焦平面阵列响应非均匀性的数字定义，当作为红外图像质量的一种评价标准时，只适用于背景辐射均匀的红外图像，其定义如下：
其中，vi,j是探测器焦平面第i行，第j列的响应输出，d为焦平面阵列中的死像元数，h为焦平面阵列中的过热象元数，vavg是有效像素的响应平均值，m和n分别代表红外图像的行数和列数。
采用红外非制冷型探测器型号是ulispico384p，探测器的分辨率是384×288，工作温度范围是-40到60℃，分别对专利号为gb2445254a提出的基于相邻像素差平方和最小的无快门校正算法(简称为msse算法)、专利号为cn201210232737.7提出的一种基于模板法的无快门非均匀性校正算法(简称为tbs算法)、本发明实施例中的红外图像非均匀性校正方法进行多组实验对比。
第一组实验：场景温度为20℃，探测器工作温度由低温到高温连续变化时采集的31幅均匀背景图像，分别通过上述三种算法对同一红外图像进行非均匀性校正，计算结果如图2所示。
经本发明实施例中的红外图像非均匀性校正方法校正后，红外图像的剩余非均匀性nues是最小的，并且随着探测器工作温度(探测器焦平面温度)的变化，校正效果也比较稳定，波动较小。
由于tbs算法在每个温度段只选用一幅固定的均匀本底作为参考，很难精确计算出探测器在当前工作温度下的偏置本底，当探测器当前工作温度和选用的均匀本底对应的探测器温度相差较小，计算偏置本底的误差就越小，剩余非均匀性nues的值越小，图像质量也就越好，反之，两者的温差越大，计算误差就越大，剩余非均匀性nues的值越大，图像质量也就越差，导致tbs算法校正后的红外图像的剩余非均匀性nues呈周期性变化，稳定性差。
经msse校正后的图像剩余非均匀性曲线基本上没有太大的波动，也比较稳定，但与本发明实施例中的红外图像非均匀性校正方法校正后红外图像的剩余非均匀性nues相比，仍然偏大，校正效果偏差。
可见，采用本发明实施例中的红外图像非均匀性校正方法校正后，红外图像的剩余非均匀性nues最小，而且稳定性好，图像质量更好，较好地抑制了探测器温度对图像非均匀性的影响。
第二组实验：探测器工作温度在20℃附近，场景温度在5℃到40℃之间连续变化，分别通过上述三种算法对同一红外图像进行非均匀性校正，计算结果如图3所示。
经本发明实施例中的红外图像非均匀性校正方法校正后，红外图像的剩余非均匀性nues是最小的，校正后图像质量好，并且随着场景温度的变化，校正效果也比较稳定，波动较小。
经tbs校正后图像的剩余非均匀性nues曲线不再呈现周期性的波动，但稳定性仍然较差，且剩余非均匀性nues偏大，图像质量较差。
经msse校正后的图像剩余非均匀性nues曲线波动较大，稳定性差，随着场景温度的升高，剩余非均匀性nues的值逐渐增大，在常温以下，msse校正后的图像剩余非均匀性nues的值小于bs校正后图像的剩余非均匀性nues，在常温以上，msse校正后的图像剩余非均匀性nues的值大于tbs校正后图像的剩余非均匀性nues，msse算法在校正的过程中没有考虑图像场景温度变化对图像非均匀性的影响。
可见，采用本发明实施例中的红外图像非均匀性校正方法校正后，红外图像的剩余非均匀性nues最小，而且稳定性好，图像质量更好，较好地抑制了场景温度对图像非均匀性的影响。
由上可知，本发明实施例中的红外图像非均匀性校正方法，先对红外图像进行一次校正，消除探测器温度变化对红外图像的影响，再对其进行补偿校正，消除图像场景变化对红外成像质量的影响，从而使得校正后的红外成像质量好；而且该红外图像非均匀性校正方法，计算简单，运算量小，易于实现。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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