張冬妍，賈明偉

（東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

非制冷焦平面（UFPA）紅外探測器的發(fā)展，標志紅外監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)步入小型化和焦平面陣列[1]。針對UFPA的特點需要更適合的硬件處理系統(tǒng)的搭建使其更有針對性，簡化的紅外圖像處理算法也是必要的。紅外圖像的可視化處理是紅外圖像處理過程中重要的一部分，以往的紅外圖像僅僅是壓縮處理方便傳輸，例如朱夢宇等人提出的基于JEPG2000的紅外系統(tǒng)的設計[2]和董怡等人提出邊緣誤差檢測方法中提到的多層小波變換的壓縮方法[3]，兩種情況一是需要專門的硬件支持，二是壓縮的方法計算量大都不適合實時監(jiān)測。代少生等人的基于DSP的紅外焦平面陣列非均勻性實時壓縮校正研究[4]提出了利用灰度值壓縮圖像以方便存儲，簡化運算的思想，但其只針對非均勻校正。本文針對連續(xù)圖像處理的特點搭建了可視化處理的硬件系統(tǒng)，提出了可變閾值選擇性均勻映射的可視化處理方法，分析了飛機蒙皮溫度數(shù)學模型，并以此為輻射源分析目標[5,6]，將空中背景的紅外圖像灰度值集中偏低且內(nèi)部均勻的特點[7,8]與人眼的視覺在高亮度和低亮度條件下辨別能力低的特點[9,10]對應，保證圖像壓縮速度的同時，增強了圖像質(zhì)量，更適合處理連續(xù)紅外圖像。

1 可視化處理硬件系統(tǒng)搭建

可視化處理的硬件系統(tǒng)的構(gòu)建以DSP為核心，負責系統(tǒng)整體的調(diào)度和圖像的分析處理。利用CPLD完成視頻圖像的采集和初步處理。紅外探測器選用UFPA取代了大型和需要制冷設備的IRFPA紅外探測器，整個系統(tǒng)搭建以小型化，運算速度快為目標。硬件系統(tǒng)的流程如圖1所示。

依據(jù)功能的不同，系統(tǒng)可分為兩個模塊即紅外成像模塊和圖像處理模塊。成像模塊的主要職能是紅外圖像的成像及濾波。目標物體的紅外影像經(jīng)鏡頭匯聚成像后聚焦于探測器上，經(jīng)過初步調(diào)整濾波后傳入后級模塊。在實際使用中，操控人員可以通過成像模塊中的調(diào)焦機構(gòu)調(diào)整成像位置，確保目標物體清晰。圖像處理模塊主要由 DSP、CPLD和必要的通訊接口外圍電路組成。CPLD主要完成圖像數(shù)據(jù)采集以及噪聲剔除，DSP完成圖像可視化和識別目標物體，計算相應的數(shù)據(jù)并通過Can總線和視頻線發(fā)送給顯示控制計算機。以上系統(tǒng)的搭建，使DSP對紅外圖像的分析和計算能力完全發(fā)揮，增加的片外存儲單元了存儲空間，更完整的記錄連續(xù)圖像的特點，為可視化處理以及后續(xù)的圖像處理做好準備工作。

圖1 硬件系統(tǒng)流程圖Fig.1 Hardware system flow chart

2 圖像的可視化處理

大部分UFPA采集圖像后輸入處理芯片的圖像數(shù)據(jù)長度為14位二進制，灰度的最小精度為1/214；處理芯片輸入到常規(guī)顯示器的圖像數(shù)據(jù)長度是8位二進制，灰度的最小精度是1/28。如果芯片處理的數(shù)據(jù)的單元長度為14位二進制，DSP的圖像掃描時間變長，存儲空間變大，尤其是圖像邊緣提取等運算的加入，運算時間會增加2～6倍，即使是運算速度1GHz的TMS320C6000系列的DSP在處理連續(xù)處理紅外圖像的過程中，也會出現(xiàn)圖像顯示的延遲和丟幀。對于可視化處理將14位二進制壓縮成8位二進制的方法，本文對比研究了傳統(tǒng)均勻映射、選擇性均勻映射和可變閾值的選擇性均勻映射。

2.1 傳統(tǒng)的均勻映射

傳統(tǒng)的均勻映射是將14位二進制最高位和最低位分別對應8位二進制最高位和最低位，建立如下灰度映射關系：

式中：W'—轉(zhuǎn)化之后的灰度值；W—轉(zhuǎn)化之前的灰度值；G1—轉(zhuǎn)化系數(shù)；scale1和scale2為轉(zhuǎn)化前后的灰度級，在本文分別為28和214。傳統(tǒng)的均勻映射是機械的被動型映射，運算速度快，但沒有對其成像的優(yōu)化，背景和目標邊緣不清晰，為后續(xù)圖像處理的邊緣分離和提取帶來一定的難度。

2.2 選擇性均勻映射

傳統(tǒng)映射中的灰度直方圖，高位和低位都沒有或者很少有像元，為此，可將直方圖兩邊的 “多余部分”去掉，映射到8位二進制灰度中，充分利用灰度的高位和低位，實現(xiàn)選擇性均勻映射。選擇性均勻映射需去掉多余部分，對此我們對目標和背景進行分析?？罩心繕艘燥w機為例，飛機一般采用渦輪發(fā)動機，羽流（尾后羽狀廢氣柱流）一般溫度在幾百攝氏度，羽流中的分子濃度較低，一般不作為飛機的探測源（但是有可能會產(chǎn)生噪聲），飛機在飛行中會與空氣發(fā)生摩擦，由氣動引起的蒙皮溫度，并對外產(chǎn)生蒙皮輻射，研究中以此來作為飛機的探測源[5,6]。蒙皮溫度計算公式：

式中：Ts—物體的蒙皮溫度；T0—大氣溫度；M—飛機的速度（單位：馬赫）。飛機的飛行速度一般在0.5～2.5Ma，取環(huán)境溫度為10℃，可知飛機的蒙皮溫度在50℃～340℃。理想化的天空背景輻射特性是由大氣輻射的亮度和陽光的散度疊加而成，一般天空背景應包括云層，對其紅外圖像的分析可知，天空輻射的特點是溫度低，亮度弱，但內(nèi)部分布較均勻[7,8]，因此天空所成的背景都集中在灰度低的某一個范圍內(nèi)。有了背景和目標的分析，以及在UFPA上大量圖像的實驗數(shù)據(jù)，以該實驗背景為條件，灰度映射：

式中：G2—轉(zhuǎn)化系數(shù)；b—轉(zhuǎn)化常數(shù)，當 W＜rT或W＞rD時舍去，對上式求解得：

將式（5）～（6）代入式（4）后得灰度轉(zhuǎn)化：

所得灰度直方圖如圖2所示。

從上面的研究結(jié)果可見，選擇性均勻映射把灰度兩側(cè)空白部分去掉，對圖像對比度的優(yōu)化處理，所得的目標與背景之間有較清晰的邊緣，但背景整體偏暗，這對空中多目標的成像質(zhì)量會有一定的影響，為此，研究了可變閾值的選擇性均勻映射方法實現(xiàn)高質(zhì)量的可視化處理。

2.3 可變閾值的選擇性均勻映射

可變閾值的選擇性均勻映射是對選擇性均勻映射方法的改進，大部分情況中，目標所占的像元范圍在（3×3）～（10×10）之間，由于所占的像元數(shù)量少，而相對噪聲又比較大，不適合以此選取為閾值，因此本文在背景中選取合適的期望值。

可變閾值的選取是本方法的關鍵。一般來說，先分離出背景和目標，并對背景的圖像進行對數(shù)正態(tài)分布或gamma分布的擬合并建模，求取其導數(shù)并選擇導數(shù)最小的點來作為閾值，但是這樣計算量太大不適合作為連續(xù)圖像處理的方法。實際研究中只選取背景圖像中的某一個或某幾個較暗區(qū)域，并以均值來代替期望的閾值，實際驗證誤差不大于0.93%。例如紅外鏡頭的分辨率是（384×288），在圖像的四個角落各取48×36個像元，根據(jù)公式6和7，分別求出其灰度的均值和方差，根據(jù)高斯理論的 “3σ原則”，除去方差大于3倍的點（壞點、噪聲）得到期望的均值，在8位二進制的低灰階階視覺盲點 （等級24以下人眼分辨不清）中選取合適的值與其對應。求取小于該閾值灰度的像元個數(shù)，將像元灰度按從高到低排列，去掉相同的像元個數(shù)后，所對應的灰度值作為其較高閾值，并與高灰階視覺盲點 （200以上）合適的值對應，將不在映射部分的像元灰度值調(diào)整為W0或W1，得到更便于觀察的紅外圖像，得到灰度映射：

式（8）和式（7）中i，j分別代表像元的橫縱坐標，k表示該點的灰度。M，N表示分辨率的長度和寬度，本文即為48和36。

式中：W0為255，W1為0，rH和rL分別為可變閾值。其中rL=ε。

可變閾值方法的圖像和直方圖分別如圖3、4所示，多目標如圖5所示。

圖3 可變閾值的紅外圖像Fig.3 Variable threshold value of the infrared image

圖4 可變閾值的紅外圖像直方圖Fig.4 Variable threshold value of the infrared image histogram

可變閾值的均勻映射的運算較快，進一步增強了對比度，適合人眼觀察的同時，保證了監(jiān)測的灰度范圍。在多目標中也有良好的效果，并為圖像的邊緣分離和提取做好基礎。實際驗證，可變閾值的均勻映射算法優(yōu)化情況下，每幅圖像的處理時間約為7.8ms，完全滿足了連續(xù)圖像處理中畫面流暢的要求。

3 結(jié)論

本文完成了針對UFPA紅外探測器的小型化，運算速度快的要求的可視化處理系統(tǒng)的搭建，CPLD，DSP和片外存儲單元的結(jié)合，充分發(fā)揮了DSP的計算能力，有效地為可視化處理以及圖像處理的后續(xù)工作做準備。針對空中背景的連續(xù)紅外圖像可視化處理，提出可變閾值的選擇性均勻映射方法，不同于傳統(tǒng)壓縮處理方法，分析空中目標和背景的特點，在背景灰度中尋求可變閾值的同時，簡化了灰度壓縮算法的處理，得到的紅外圖像目標清晰，輪廓明顯，適當?shù)脑鰪娏藢Ρ榷?，既保證了監(jiān)測范圍，又適合人眼觀察。該方法的主要目標是提高圖像壓縮速度和成像質(zhì)量，為后續(xù)圖像處理做準備。在處理空中連續(xù)紅外圖像中，畫面流暢，且對空中單一目標和多目標，簡單背景和復雜背景均有很強的適應性，在民事領域?qū)⒌玫搅己玫膽谩?/p>

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