专利名称：基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法
技术领域：
本发明涉及一种超高分辨率大型红外光电成像系统中图像还原的空间变换、时间变换及相关图像处理方法。
背景技术：
超长线列探测器的设计、加工是超高分辨率成像系统的核心技术。法国Sofradir研制成功了性能优越的3000元中波红外探测器。中国在2003年研制成功中波2048元红外探测器。受各种因素限制，更长线列器件研究进展缓慢。而小规模面阵红外焦平面128×128、320×240却已经有了成熟产品。
近年来，传像光纤束有长足进展，在光谱仪器、医疗设备、导弹告警接收器等方面都有应用。北京玻璃研究院于1999年研制了用As-S芯包光纤制备1-6μm波段应用的红外传像光纤束。采用性能可靠的小规模面阵器件，通过特殊结构传像光纤束完成线/面变换，是获得超长线列红外探测器新途径。
受现有制作工艺限制，光纤一般采用六角形排列，而面阵探测器为方形排列；特殊结构传像光纤束入端设计成线列，为提高信噪比，光纤入端1采用叠层设计而光纤出端3为面阵结构，它们由光纤主体2联结(见图1)。为还原图像，需采用特殊算法，定位光纤束中每根光纤的中心位置，将光纤出端3的面阵信息还原为光纤入端1的线阵信息，称此过程为空间变换；扫描目标对象得到的系列面阵图像，利用该系列图像还原原始图像，称此变换为时间变换。为提高信噪比，光纤束采用多层(10层)设计(见图2)，系统采用串并混合扫描的工作方式，这对图像算法提出了特殊要求，需要根据光纤的结构，提取每根光纤的信息，然后进行信息融合，获取高信噪比图像。
发明内容
如上所述，如何对异型传像光纤获取的信息经过空间变换和时间变换来还原原始图像，乃是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的在于，提供一种基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法。
本发明的技术构思是在空间变换中如何精确定位每根光纤的位置，是整个算法的关键，采用双模板自适应算法，首先将光纤中心区域粗略定位；其次，引入图像腐蚀技术，缩小光纤中心区域；最后利用重心算法精确定位光纤中心位置，并以该中心位置作为记录光纤位置的坐标表，后续扫描得到的系列图像按此坐标表读取信息；在进行上述变换之前，还必须对图像进行预处理首先，光纤出端边缘与面阵边缘难以严格平行，造成光纤有效像区在整幅图像中倾斜，需要对其进行旋转，旋转前必须精确检测边缘倾斜角度，采用最小二乘法证明实用有效。其次，对于光纤断丝引起的盲元，必须进行标定。确定光纤中心位置后，利用光纤制作的先验知识，在定位坐标表中添加空缺的位置，根据相邻像素之间相关性获取盲元信息。
综上所述，本发明的技术方案是每次成像时，扫描系统首先对亮度足够且均匀的白色定标物体扫描，获取用于光纤定位的图片，定位每根光纤中心位置；然后，扫描实际目标对象，得到系列图像，经过空间变换、积分运算和时间变换，还原成原始图像。
本发明方法降低了光纤制造工艺要求，对光纤断丝引起的盲元和光学几何失真等问题得到有效处理，降低了系统复杂性，减小了成像系统体积和质量；由于算法中采用了双模板自适应滤波、腐蚀加重心的算法来精确定位光纤中心位置，从而保证了图像的清晰度；又由于数字积分的运用，提高了图像的信噪比；另外，本发明算法还具有速度快、鲁棒性好等特点。
图1是已有异型光纤整体结构示意图；图2是已有异型光纤入端叠层结构示意图；图3是本发明中的倾斜定标图像；图4是本发明中的旋转后的定标图像；
图5是本发明中的双模板算法获得的光纤中心区域图；图6是本发明中的腐蚀法获得光纤中心区域图；图7是本发明中的重心算法获得的光纤中心精确位置图；图8是本发明中的积分算法中信号分离提取图；图9是本发明中的时间变换算法流程图。
具体实施例方式下面根据图3-图9，给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，以便进一步给出本发明的技术细节，并使能易于了解本发明的方法特征和功能特点，但不是用来限定本发明的范围。
为还原原始图像，系统得到的系统图像要经过空间变换、积分算法以及时间变换三个处理步骤，具体操作如下1、空间变换空间变换的目的是将光纤出端3的面阵图像还原成光纤入端1的线阵图像，它包含图像预处理、光纤中心定位两个过程，主要步骤为①系统扫描成像之前，首先对用于定标的物体成像，获取定标图像。实施该步骤时要反复调试，使图像的清晰度尽可能高，这对后续的处理算法至关重要。由于光学系统与相机CCD靶面难以严格平行，获取的图像将会出现倾斜，如图3所示，对倾斜的图像需要旋转校正。
②倾斜图像的背景和有效像元之间存在较大灰度差，利用该灰度差，提取图像倾斜角度。图像背景和有效像元交界处看成近似一条直线，在交界处采集一定数量的像素点，记录它们的坐标位置，采用最小二乘法，得到直线斜率，经过反正切运算即是图像边缘倾斜角度，依此对图像进行旋转处理，得到如图4所示效果。保存倾斜角度，留作后用。
③采用双模板算法粗略定位光纤中心区域。设计一个大模板，其由9个3×3(或2×2)小模板构成，小模板的大小根据每根光纤实际占用像素多少来确定，用该模板对整幅定标图像进行卷积运算，对大模板中每个小模板中像素亮度求和。如果当前模板对应的亮度和最大，并且大模板中亮度和最小的模板也超过某一阈值(阈值的设定根据背景亮度而定，需要调试)，则将当前模板中每个像素灰度赋值为255，其他模板中的像素灰度赋值为0。经此处理，定标图像变成一个个白色小方块，该方块粗略标出光纤中心的位置，如图5所示。
④设计一个3×3的‘十’字型模板，模板四角元素对应的像素不参与运算，此举目的为提高效率。利用该模板对上述图像进行全方向腐蚀，腐蚀后，单个亮块面积缩小，亮块包含像元的个数变少，进一步逼进光纤中心位置区域，如图6所示。此运算减少后续计算的工作量，并提高算法的鲁棒性。
⑤采用重心算法精确定位光纤中心。对每个亮块，利用重心算法找出其重心，对应像素即为光纤中心位置，至此，每根光纤中心位置用单个像素表示。重心算法求重心时，从前面的亮块跳跃到后面的亮块，需要利用光纤制作的先验知识，设计跳跃步长，遇到光纤断丝引起的盲元，填补相应标记点。全部光纤中心和断丝标定的位置组成图像的坐标表，作为读取扫描系列图像的依据(如图7所示)。
⑥为提高图像信噪比，光纤入端采用多层叠加设计，实际扫描方式为串并混合方式，根据后续积分算法要求，对每层光纤位置进行分离。利用光纤制作的先验知识，对每层光纤的位置从总坐标表中分离处理，图8所示的是分离处理后第一层光纤位置。
2、积分算法①根据空间变换保存的倾斜角度，对扫描得到的系列图像旋转处理，为提高图像质量，采用双线性插值法旋转，算法如下f(x，y)＝[f(1，0)-f(0，0)]x+[f(0，1)-f(0，0)]y+[f(1，1)+f(0，0)-f(0，1)-f(1，0)]xy+f(0，0)②六角形排列的光纤，隔层光纤在垂直方向一致。在积分算法像素灰度值叠加时，从光纤位置坐标表对应的位置隔行取值，采用加权平均的方法确定像素灰度值。
③遵从图像灰度取值范围，对加权得到的像素灰度值归一化处理，灰度超过255的按灰度为255计算。
3、时间变换①依据位置坐标表，采用上述积分方法对系列面阵图像取值，按照图像四字节补齐存放规律，将面阵图像还原为对应的线阵图像，即一幅面阵图像变换为最终图像中的一行。
②按照扫描先后顺序，将所有线阵图像堆积，得到最终图像。
最后，再结合图9所示的时空变换对本实施例的操作方法加以描述在实施例中，所进行的时空变换是配合空间变化程序100、双模板滤波程序200及积分运算时间变换程序300的运行来实现的，其中(1)空间变换程序100的操作流程是步骤1000，程序启动，之后，执行步骤1001，读入定标模板图像，步骤1002，检测倾角旋转图像，步骤1003，双模板滤波器滤波，步骤1004，全方位腐蚀图像，步骤1005，利用重心算法定位光纤中心位置，最后，执行程序1006，程序结束。
(2)双模板滤波程序200的流程为步骤2000，启动程序，之后，执行步骤2001，设置9个3×3模板遍历图像，步骤2002，对各个小模板像素灰度求和，步骤2003，判断最小灰度和是否大于阈值？若不大于阈值，执行步骤2006，对模板所有像素灰度置“0”；若大于阈值，则执行步骤2004，判断当前模板像素灰度和是否为最大？若不是最大，执行步骤2006，对模板所有像素灰度置“0”；若为最大，则执行步骤2005，对模板所有像素灰度置“255”，(3)积分运算时间变换程序300的流程为步骤3000，启动程序，之后，执行步骤3001，读取系列图像，步骤3002，旋转系列图像，使之还原倾斜度，步骤3003，按空间变换规律，抽取图像信息，步骤3004，按入端光纤叠放规律，隔行信息叠加，步骤3005，按扫描先后顺序存入系列图像，最后，执行步骤3006，程序结束。
权利要求
1.一种基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法，其步骤包括每次成像时，扫描系统首先对亮度足够且均匀的白色定标物体扫描，获取用于光纤定位的图片，定位每根光纤中心位置；然后，扫描实际目标对象，得到系列图像，经过空间变换、积分运算和时间变换，还原成原始图像。
2.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法，其特征在于，所述的对扫描实际目标对象获得的系列图像进行空间变换的步骤是将光纤出端的面阵图像还原成光纤入端的线阵图像，其包括图像预处理和光纤中心定位两个过程，主要步骤包括①系统进行扫描成像之前，首先对用于定标的物体成像，获取用于定标的图像；②利用背景和物体之间的亮度差，采用最小二乘法，检测图像边缘倾斜角度，对图像进行旋转处理，并保存倾斜角度；③采用双模板算法粗略定位光纤中心区域，先根据每根光纤实际占用的像数，设计一个由若干个小模板构成的大模板，之后，进行定标图像扫描，对每个小模板中像素亮度求和，利用光纤中心亮度最强的特点，将最亮的小模板灰度赋值为255，其他模板灰度赋值为0，标出光纤中心的粗略位置；④设计一个3×3的“十”字型模板，采用全方向腐蚀算法得到光纤中心区域，缩小光纤中心位置区域，减少后续计算的工作量，并提高算法的鲁棒性；⑤先对每个亮块利用重心算法找出其重心，并把重心对应的像素确定为光纤中心位置，再从前面的亮块跳跃到后面的亮块，利用光纤制作的先验知识，设计跳跃步长，利用重心算法，逐行精确定位光纤中心位置，遇到光纤断丝引起的盲元，填补相应标记点；最后对全部光纤中心精确定位和断丝标定的位置组成图像的坐标表，作为读取系列图像的依据；⑥根据后续积分算法要求，利用光纤制作先验知识对坐标表进行分离，分出每层光纤的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法，其特征在于，在采用双模板法粗略定位光纤中心区域的步骤中，所说的大模板由9个3×3小模板构成。
4.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法，其特征在于，在采用腐蚀双模块算法的步骤中，所设计的小模板为3×3小模板。
5.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法，其特征在于，所说的对扫描实际目标对象获得的系列图像进行的积分算法，主要步骤为①根据空间变换保存的倾斜角度，对扫描得到的系列图像旋转处理，为提高图像质量，采用双线性插值法旋转；②对六角形排列的光纤，隔层光纤在垂直方向一致，在积分算法像素灰度值叠加时，从光纤位置坐标表对应的位置隔行取值，采用加权平均的方法确定像素灰度值；③遵从图像灰度取值范围，对加权得到的像素灰度值归一化处理，灰度超过255的按灰度为255计算。
6.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法，其特征在于，所说的对扫描实际目标对象获得的系列图像进行时间变换，主要步骤为①依据位置坐标表，采用数字积分对系列面阵图像取值，按照图像四字节补齐存放规律，还原面阵对应的线阵图像；②按照扫描先后顺序，将系列线阵图像堆积，还原成原始图像。
全文摘要
一种基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换的方法，包括步骤每次成像时，扫描系统首先对亮度足够且均匀的白色定标物体扫描，获取用于光纤定位的图片，定位每根光纤中心位置；然后，扫描实际目标对象，得到系列图像，经过空间变换、积分运算和时间变换，还原成原始图像。本发明方法降低了光纤制造工艺要求，对光纤断丝引起的盲元和光学几何失真等问题得到有效处理；降低了系统复杂性，减小了成像系统体积和质量；由于采用双模板自适应滤波、腐蚀加重心的算法来精确定位光纤中心位置，从而保证了图像的清晰度；又由于数字积分的运用，提高了图像的信噪比；另外，本发明方法还具有速度快、鲁棒性好的特点。
文档编号H04N7/22GK1758754SQ20051003079
公开日2006年4月12日 申请日期2005年10月27日 优先权日2005年10月27日
发明者安博文, 方中华, 孙胜利, 陈桂林 申请人:中国科学院上海技术物理研究所