一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法
【专利摘要】本发明公开了一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，首先根据基底温度范围将基底温度分为M个区间，每个温度区间拍摄不同温度黑体，同时将探测器原始输出也分为N个区间，标定出M×N帧图像，存储起来；然后，探测器工作时根据基底温度将标定的此基底温度上下的各M帧图像读出；接下来，根据每个像素点的响应值确定对应于基底温度上下两个温度曲线的对应值，再结合基底温度加权计算出最终输出值。本发明在标定时将基底温度的分区间，成功剔除挡片，还考虑了探测器输出非线性带来的非均匀性，将探测器原始输出也进行分区间，这样在标定完所有图像后不需进行第二次标定，一劳永逸，同时也解决了红外探测器非线性响应带来的非均匀性影响。
【专利说明】
-种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法
技术领域
[0001] 本发明属于视频图像增强领域，具体设及一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正 方法。
【背景技术】
[0002] 18世纪早期发现可见光谱W外的红外光，经过两百多年的发展研究，红外光谱的 应用已经取得了很大的进展。从早期粗糖的单像素探测设备到上世纪80年代晚期更加先 进的液氮或复杂的制冷微测福射热计系统，红外成像系统缓慢发展，那时的系统造价居高 不下且不便于携带，使得机忍的应用多年来一直停留在国防、航空航天等重要领域。
[0003] 随着技术的发展，探测器、机忍和软件系统在性能方面都获得一定的发展，并且入 口级产品的价格也在下降，机忍逐渐变得更小、更轻并且更节能。随着邻近的电子元件产生 的热量或容器溫度的变化，或视野中的目标本身福射热量的变化，探测器的增益和标准值 将发生固有的漂移而偏离稳定区，并导致图像不均匀。红外制造商在探测器前面安装一个 机械控制校正挡片，用于阻隔来自目标的所有福射能量，W此来校正探测器的非均匀性，重 新校正的时间间隔在几秒钟到几分钟不等。红外探测器制造商还利用直接安装在探测器上 的热电（帕尔贴效应）加热器或制冷器来稳定探测器的溫度，试图W此来减少探测器的偏 移量。然而，运两种方法只能在有限的工作条件下提供局部解决方法，并且严重消耗成像系 统中的电力预算。
[0004] 采用繁琐的挡片进行非均匀性校正的红外探测系统，在校正的时候阻隔了入射信 号，探测器对场景会有几秒钟的盲视，在目标追踪、在线机器视觉、消防捜救、电力排查等危 险环境中，盲视效应是不能被接受的，特别在一些红外制导导弹飞行的过程中，"盲视"效应 会严重影响导引头对目标方向的判断，使导弹击中错误目标，从而带来极为可怕的后果。另 夕F，挡片校正过程可能耗时数秒并且可能频繁发生，运取决于机忍和它的工作环境，由于机 械部件的存在使得整个探测器系统变重，同时挡片的频繁校正声学噪声，在隐蔽或者秘密 进行的任务中有可能导致不可思量的结果。因此挡片的拆除给非制冷红外热像仪带来了广 阔的应用前景。 阳00引 目前国际市场上，美国化IR公司、法国化IS公司、英国LAND公司都推出了一系列 无挡片热像仪产品，国内市场上，杭州兆扇公司也拥有同类型产品。运些无挡片热像仪产品 均是建立在环境溫度和焦平面基底溫度一致的假设上，是一种基于定标的非均匀性校正方 法。标定时，将红外机忍放置在高低溫箱或者其他可控溫环境中，高低溫箱溫度划分成不同 区间，高低溫箱溫度调整为区间溫度端点，让机忍拍摄高低溫箱内均匀目标，待焦平面溫度 稳定下来后采集一帖图像进行存储，作为该溫度端点的背景值，变换高低溫箱溫度，采集存 储多帖图像。热像仪工作时，根据基底溫度信息值，判断该基底溫度落在标定过程的那两个 溫度端点内，将此两帖图像读出并线性计算出该基底溫度所对应的背景图像，因此，探测器 的输出图像减去计算出的背景值便能够完成挡片的校正。通过运种方式，能够将环境溫度 也考虑在内，即基底溫度漂移时，环境溫度也在漂移，此时需要重新校正背景，于是无挡片 技术完成了随时校正背景的工作，克服了溫度漂移的影响，但该方法没有考虑不同真实目 标对红外探测器输出响应的影响，任然没有解决红外探测器非线性带来的问题，仅能看做 是一点定标算法，在真实目标溫度与基底溫度相差较大时，运种非线性带来的非均匀性越 加明显。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，成功剔除了 非制冷型红外热像仪的挡片，减小系统体积、重量和功耗，提高了设备的可靠性，同时也解 决了红外探测器非线性响应带来的非均匀性影响。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方 法，包括W下步骤：
[0008] 步骤1)标定非制冷型无挡片红外热像仪：
[0009] 将非制冷型无挡片红外热像仪放置在可控溫环境中，根据探测器工作溫度范围将 基底溫度平均分为M个区间，M > 1，每个区间端点拍摄黑体标定，改变黑体溫度将非制冷型 无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应平均分为N个区间，N > 1，即一个基底溫度对应 一个探测器原始输出响应均值，得到MXN帖图像，同时记下每帖图像对应的基底溫度与探 测器原始输出响应。
[0010] 步骤2)上述非制冷型无挡片红外热像仪拍摄图像，图像分辨率为AXB，A为行数， B为列数，上述标定的MXN帖图像、每帖图像对应的基底溫度和探测器原始输出响应共同 构建M个曲线组，每个曲线组对应一个基底溫度，且每个曲线组均由AX B条当前响应值与 实际响应值构成的曲线组成。
[0011] 步骤3)非制冷型无挡片红外热像仪工作时，根据探测器当前基底溫度T判断其所 属基底溫度区间，即所属溫度曲线组，获得输出图像。
[0012] 上述步骤2)中，当前响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器每个像素点 的原始输出响应值，实际响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应均 值。
[0013] 上述步骤3)中，判断探测器当前基底溫度T所属基底溫度区间分为两种情况：
[0014] 第一种，当前基底溫度T落在任意一个标定的基地溫度上：根据非制冷型无挡片 红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值Di确定该值对应Tl曲线组 中该点对应的曲线化1上的实际响应值Dl 1，由当前基底溫度T和实际响应值Dli确定任意 一个像素点i对应的实际输出Yi,则阳J所组成的整幅图像即为最后输出图像。
[0015] 第二种，当前基底溫度T落在标定的两个相邻的基地溫度之间，根据非制冷型无 挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值Di确定该值对应Tl曲 线组中该点对应的曲线Tli上的实际响应值Dl 1W及化曲线组中该点对应的曲线化1上的 实际响应值化1，由基底溫度T、实际响应值Dli和实际响应值化1确定任意一个像素点i对 应的实际输出Yi,则阳J所组成的整幅图像即为最后输出图像。
[0016] 上述第二种情况，若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底 溫度T落在标定的两相邻的基底溫度T1、化之间，则由图像的任意一个像素点i的当前输 出值Di找出Tli曲线段对应的两个端点值1。，〇1。）和值Ib, DJ，化及化1曲线段对应的两个
[0017] 端点值^DJ和值hd，DJ，则当前输出值Di满足下述关系式：
[0018]
[0019] 由此得到Di对应于Tl 1曲线的实际响应值Dl 1和对应于化1曲线的实际响应值 Dhi;
[0020] 则任意一个像素点i对应的实际输出Yi由下述公式加权得到：
[0021]
O
[0022] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)增加了标定图像的数量，实际背景计算 时结果更加精确；（2)考虑了不同真实目标对探测器输出响应值的影响，解决了探测器输 出响应非线性带来的非均匀性；(3)本发明完成所有标定图像存储后，不需要二次标定，一 劳永逸。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法的流程图。
[0024] 图2是真实场景的红外视频序列图像和各种无挡片算法效果图，其中图（a)为探 测器输出未经过无挡片算法的图像；图化）为经过传统无挡片算法处理的图像；图（C)为 经过本发明的无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法处理后的图像。
【具体实施方式】
[00巧]下面结合附图进一步详细说明。
[00%] 在红外视频图像序列中，由于探测器像元对相同的福射源产生的响应不一致，导 致在图像上出现明显的固定图案噪声，即非均匀性，严重影响了图像质量。为了校正非均匀 性，非制冷型红外热像仪会在探测器前面加上挡片，W挡片挡下时的那一帖图像作为背景 与探测器实际输出进行运算。挡片校正实质其实是一种单点校正方法，就是用探测器实际 的输出值减去挡片挡下时的一帖图像，那么我们可W模拟挡片的运种校正过程，预先将多 帖不同基底溫度下的图像存储在flash等不掉电存储器里，待有效数据来临时根据当前溫 度信息判断从flash里读出相应的两帖图像，由运两帖图像来计算出背景再与实际数据流 进行运算来校正非均匀性，运样就可W去掉挡片。运种无挡片的方法其实质是多区段的单 点校正，任然没有解决红外探测器非线性带来的非均匀性问题。
[0027] 若在传统多区段单点校正的无挡片校正方法基础上，考虑红外探测器输出响应的 非线性，即在将基底溫度分为不同区间的基础上将探测器输出响应也分为不同区间，一个 基底溫度对应一个探测器原始输出响应进行标定，然后在有效数据来临时计算每个像素点 的输出，便能校正掉红外探测器输出响应非线性带来的非均匀性问题。
[0028] 结合图1，一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，包括W下步骤：
[0029] 步骤1)标定非制冷型无挡片红外热像仪：
[0030] 将非制冷型无挡片红外热像仪放置在可控溫环境中，根据探测器工作溫度范围将 基底溫度平均分为M个区间，M > 1，每个区间端点拍摄黑体标定，改变黑体溫度将非制冷型 无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应平均分为N个区间，N > 1，即一个基底溫度对应 一个探测器原始输出响应均值，得到MXN帖图像，同时记下每帖图像对应的基底溫度与探 测器原始输出响应。
[0031] 步骤2)上述非制冷型无挡片红外热像仪拍摄图像，图像分辨率为AXB，A为行数， B为列数，上述标定的MXN帖图像、每帖图像对应的基底溫度和探测器原始输出响应共同 构建M个曲线组，每个曲线组对应一个基底溫度，且每个曲线组均由AX B条当前响应值与 实际响应值构成的曲线组成；分辨率为AXB的图像中包含AXB个像素点，一个像素点对应 一条曲线，且每条曲线均是由M段线段组成。
[0032] 上述当前响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器每个像素点的原始输出 响应值，实际响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应均值。
[0033] 步骤3)非制冷型无挡片红外热像仪工作时，根据探测器当前基底溫度T判断其所 属基底溫度区间，即所属溫度曲线组，获得输出图像。
[0034] 判断探测器当前基底溫度T所属基底溫度区间分为两种情况：
[0035] 第一种，当前基底溫度T落在任意一个标定的基地溫度上：根据非制冷型无挡片 红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值Di确定该值对应Tl曲线组 中该点对应的曲线Tli上的实际响应值Dl 1，由此实际响应值Dli即为任意一个像素点i对 应的实际输出Yi,则阳J所组成的整幅图像即为最后输出图像；
[0036] 若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底溫度T落在任意 一个标定的基地溫度Tl上，则由图像的任意一个像素点i的当前输出值Di找出Tl 1曲线段 对应的两个端点值1。，DJ和值Ib, DJ，则当前输出值Di满足下述关系式：
[0037]
[0038] 由此得到Di对应于Tl 1曲线的实际响应值Dl 1，则此时则任意一个像素点i对应的 实际输出Yi=DliD
[0039] 第二种，当前基底溫度T落在标定的两个相邻的基地溫度之间，根据非制冷型无 挡片红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值Di确定该值对应Tl曲 线组中该点对应的曲线Tli上的实际响应值Dl 1W及化曲线组中该点对应的曲线化1上的 实际响应值化1，由基底溫度T、实际响应值Dli和实际响应值化1确定任意一个像素点i对 应的实际输出Yi,则阳J所组成的整幅图像即为最后输出图像。
[0040] 若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底溫度T落在标定 的两相邻的基底溫度T1、化之间，则由图像的任意一个像素点i的当前输出值Di找出Tl 1 曲线段对应的两个端点值1。，DJ和值Ib, DJ，W及化1曲线段对应的两个端点值h。，DJ 和值hd，DJ，则当前输出值Di满足下述关系式：
[0041 ]
[0042]
[0043] 由此得到Di对应于Tl 1曲线的实际响应值Dl 1和对应于化1曲线的实际响应值 Dhi;
[0044] 则任意一个像素点i对应的实际输出Yi由下述公式加权得到：
[0045]
阳046] 实施例1
[0047] 一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，具体方法步骤如下：
[0048] 采用336X256像素的非制冷型氧化饥红外热像仪采集红外图像，帖频为25帖每 秒。
[0049] 首先，将此红外热像仪放在可控溫环境中，根据探测器工作溫度范围将溫度分为 20个区间，调节环境溫度使其处于溫度区间的某一端点，待探测器工作稳定后基底溫度便 于环境溫度相同，也就相应的将探测器基底溫度划分为20个区间。然后，让热像仪拍摄溫 度可变的均匀物体（比如黑体），改变黑体溫度，探测器输出响应值也相应作出改变，通过 调节黑体溫度将探测器输出响应值也分为20个区间（W探测器所有像素输出响应的均值 为标准），运样一个基底溫度对应一个探测器输出响应，待探测器输出值稳定将一帖图像存 储起来，同时记下此时的基底溫度值和探测器所有像素输出响应的均值。分别改变基底溫 度和探测器输出响应值，得到400帖图像存储起来，同时分别记下每次对应的基底溫度值 和探测器所有像素输出响应的均值。由于探测器的不同像素点对同一均匀目标的响应有所 差异，则对于行为336列为256的一副图像而言，运400帖图像和每次对应的基底溫度值 和探测器所有像素输出响应的均值可看做是相同基底溫度下的当前响应值与实际响应值 (均值）的336X256条溫度曲线（折线，每条都有20段），不同的基底溫度对应不同的曲 线组，总共有20个运样的曲线组。
[0050] 接下来，非制冷型红外热像仪开始工作时，能通过专口引脚将探测器基底溫度T 读出，判断其落在哪两个基底溫度区间内，如Tl,化内，由此可将之前标定的Tl和化分别 对应的各20帖图像读出。与上述类似，运40帖图像可看做是2个曲线组Tl曲线组和化 曲线组，Tl曲线组表示基底溫度为Tl的当前响应值与实际响应值（均值）的336X256条 溫度曲线，化曲线组表示基底溫度为化的当前响应值与实际响应值（均值）的336X256 条溫度曲线，运样，任意一个像素点i有两条曲线Tli和化1与之对应。
[0051] 当有效数据来临时，由当前图像的任意一个像素点i当前输出值Di先确定其对应 Tli曲线和化1曲线的具体哪一段，找出Tl 1曲线该段的两个端点值1。，〇1。)、值Ib,DJ和化1 曲线该段的两个端点值h。，DJ、值hd，DJ，则当前输出值Di满足下述关系式：
[0052]
[0053]
[0054] 式中，Di。、Dib为该像素点标定在Tl基底溫度标定的响应值，Dl。、Dlb为标记的Tl 基底溫度下实际响应值（均值），Dli为D 1对应于Tl 1曲线的实际响应值，Dh 1为D 1对应于 Thi曲线的实际响应值，由此可计算出Dl 1、化1。 阳化5] 接下来，结合低溫基底溫度Tl、高溫基底溫度化和当前图像基底溫度T，与每个像 素点的实际响应值Dli、化1进行加权运算，便能得到每个像素点的实际输出Y 1，其加权公式 如下：
[0056]
[0057] 至此，能校正掉非制冷型红外热像仪的探测器输出响应非线性所带来的非均匀性 影响。
[0058] 结合图2,其中，图2(a)为探测器输出未经过无挡片算法的图像，基本分不清目标 和背景，竖纹和斜纹都存在，非均匀性较严重；图2(b)为经过传统无挡片算法处理的图像， 能分清目标和背景，对比度清晰，一定程度上达到了非均匀性校正效果，但斜纹还是存在， 探测器输出响应的非线性带来的非均匀性问题没有解决；图2(c)为经过本发明的无挡片 红外热像仪的非均匀性校正方法处理后的图像，能分清目标和背景，对比度清晰，斜纹和竖 纹没有出现，很好的校正了探测器输出响应的非线性带来的非均匀性。
【主权项】
1. 一种无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1)标定非制冷型无挡片红外热像仪： 将非制冷型无挡片红外热像仪放置在可控溫环境中，根据探测器工作溫度范围将基底 溫度平均分为M个区间，M > 1，每个区间端点拍摄黑体标定，改变黑体溫度将非制冷型无挡 片红外热像仪的探测器原始输出响应平均分为N个区间，N > 1，即一个基底溫度对应一个 探测器原始输出响应均值，得到MXN帖图像，同时记下每帖图像对应的基底溫度与探测器 原始输出响应； 步骤2)上述非制冷型无挡片红外热像仪拍摄图像，图像分辨率为AXB，A为行数，B为 列数，上述标定的MXN帖图像、每帖图像对应的基底溫度和探测器原始输出响应共同构建 M个曲线组，每个曲线组对应一个基底溫度，且每个曲线组均由AXB条当前响应值与实际 响应值构成的曲线组成； 步骤3)非制冷型无挡片红外热像仪工作时，根据探测器当前基底溫度T判断其所属基 底溫度区间，即所属溫度曲线组，获得输出图像。2. 根据权利要求1所述的无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，其特征在于：上述 步骤2)中，当前响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器每个像素点的原始输出响 应值，实际响应值为非制冷型无挡片红外热像仪的探测器原始输出响应均值。3. 根据权利要求1所述的无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，其特征在于：上述 步骤3)中，判断探测器当前基底溫度T所属基底溫度区间分为两种情况： 第一种，当前基底溫度T落在任意一个标定的基地溫度上：根据非制冷型无挡片红外 热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值Di确定该值对应Tl曲线组中该 点对应的曲线Tli上的实际响应值Dl 1，由当前基底溫度T和实际响应值Dli确定任意一个 像素点i对应的实际输出Yi,则阳J所组成的整幅图像即为最后输出图像； 第二种，当前基底溫度T落在标定的两个相邻的基地溫度之间，根据非制冷型无挡片 红外热像仪实际工作时图像的任意一个像素点i的当前输出值Di确定该值对应Tl曲线组 中该点对应的曲线Tli上的实际响应值Dl 1化及Th曲线组中该点对应的曲线Th 1上的实际 响应值化1，由基底溫度T、实际响应值Dli和实际响应值化1确定任意一个像素点i对应的 实际输出Yi,则阳J所组成的整幅图像即为最后输出图像。4. 根据权利要求3所述的无挡片红外热像仪的非均匀性校正方法，其特征在于：上述 第二种情况，若上述非制冷型无挡片红外热像仪实际工作时探测器当前基底溫度T落在标 定的两相邻的基底溫度T1、化之间，则由图像的任意一个像素点i的当前输出值Di找出Tli 曲线段对应的两个端点值1。，DJ和值Ib, DJ，W及化1曲线段对应的两个端点值h。，DJ 和值hd，DJ，则当前输出值Di满足下述关系式：由此得到Di对应于Tl 1曲线的实际响应值Dl 1和对应于化1曲线的实际响应值化1; 则任意一个像素点i对应的实际输出Yi由下述公式加权得到：
【文档编号】G06T5/00GK105987758SQ201510062027
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月5日
【发明人】隋修宝, 陶远荣, 陈钱, 顾国华, 刘源, 高航, 匡小冬, 潘科辰, 沈雪薇, 孙毅诚
【申请人】南京理工大学