陳志斌，宋 巖，張 超，劉羽翔，侯章亞

（軍械工程學(xué)院 軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊050000）

引言

近年來紅外熱成像技術(shù)發(fā)展迅速，紅外熱成像設(shè)備幾乎運用于各個領(lǐng)域。紅外熱成像設(shè)備技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)精密、故障率較高，因此對紅外熱成像設(shè)備性能參數(shù)的計量檢測就顯得尤為重要。其中一個重要的參數(shù)是MRTD，MRTD定義為在確定的空間頻率下，觀察者在熱像儀的顯示屏上恰好能分辨出高寬比為7:1四桿靶目標(biāo)圖案時的目標(biāo)和背景的溫差，即為該空間頻率下的最小可分辨溫差。MRTD的傳統(tǒng)測量方法是基于專業(yè)檢測人員主觀判斷得到的，其結(jié)果受檢測人員的影響較大。雖然目前也存在一些MRTD的客觀測量方法［1-2］，但這些檢測方法操作繁瑣且穩(wěn)定性較差［3］，在紅外目標(biāo)與背景的溫差控制［4］、四桿靶目標(biāo)與背景的選取、紅外圖像的采集與處理［5］等方面尚未實現(xiàn)完全的自動化，不能滿足野外在線快速檢測的需求。而且這些客觀檢測方法大多是在實驗室環(huán)境下進行的，檢測設(shè)備復(fù)雜，體積較大，需要光學(xué)平臺，從準(zhǔn)備工作到完成檢測需要的時間較長，不適合野外在線檢測。如果要做到質(zhì)量體積小、精度有保證、操作很簡便，目前還沒有一種成熟的檢測方法和檢測設(shè)備。為解決以上問題，本文研究了基于單黑體目標(biāo)與環(huán)境背景溫差（以下簡稱“單黑體溫差”）、精確控制的紅外熱像儀MRTD野外全自動檢測的相關(guān)技術(shù)。

1 自動檢測裝置的總體設(shè)計

圖1 總體結(jié)構(gòu)及工作流程框圖Fig.1 Overall structure and working process block diagram

要實現(xiàn)紅外熱像儀MRTD在野外環(huán)境下的全自動檢測，在硬件設(shè)計上檢測設(shè)備的體積及質(zhì)量一定要小，便于裝卸，能夠適應(yīng)野外復(fù)雜的地形變化，同時要保證在環(huán)境溫度變化下紅外溫差的模擬精度。在軟件設(shè)計上要使檢測人員的操作盡量簡單，人機工程好，自動化程度高，在實現(xiàn)快速檢測的同時保證檢測的精度。文中設(shè)計的紅外熱像儀MRTD檢測設(shè)備體積及質(zhì)量小，便攜性好，適用于野外在線檢測，軟件設(shè)計實現(xiàn)了紅外熱像儀MRTD的全自動檢測，其總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。檢測設(shè)備由單黑體熱像靶標(biāo)、溫差控制電路、卡塞格林平行光管、CCD、圖像采集卡、微機控制處理系統(tǒng)連接組成。其檢測工作原理是：由微機控制系統(tǒng)控制溫差控制電路，調(diào)節(jié)面源黑體的溫度，使目標(biāo)（四桿靶）與環(huán)境產(chǎn)生需要的溫差，形成一組特定空間頻率下的熱目標(biāo)源，無色差的同軸卡塞格林平行光管將熱目標(biāo)源投射到無限遠(yuǎn)處，模擬無限遠(yuǎn)目標(biāo)進入被檢測熱成像儀的物鏡，對于有視頻輸出接口的被測儀器，將視頻接口與圖像采集卡相連，直接將物鏡輸入的視頻信息傳給微機控制處理系統(tǒng)；對于沒有視頻輸出接口的被測儀器，采用CCD采集被測熱成像儀目視窗口的成像結(jié)果，然后由圖像采集卡采集后輸入到微機控制處理系統(tǒng)中，對輸入的圖像或視頻信息進行相關(guān)處理并顯示處理結(jié)果，從而完成對被檢測熱成像儀MRTD參數(shù)的全自動測量。

2 自動檢測技術(shù)的硬件設(shè)計

實現(xiàn)紅外熱像儀MRTD的野外在線檢測最突出的問題是在復(fù)雜多變的環(huán)境溫度下保證紅外靶標(biāo)與背景的模擬溫差精度。因此為了提高野外檢測時模擬溫差的控制精度和穩(wěn)定度，在本檢測系統(tǒng)中我們采用了單黑體溫差控制技術(shù)來模擬目標(biāo)與環(huán)境的溫差。采用單個黑體有效地減小了測試系統(tǒng)的體積，同時用2個溫度傳感器分別探測環(huán)境背景和黑體目標(biāo)的溫度，提高了溫差控制的環(huán)境適應(yīng)性，保證了測量結(jié)果的精確度。其溫差自動控制硬件設(shè)計原理框圖如圖2所示。

溫控系統(tǒng)硬件主要由紅外溫差輻射源黑體、溫度控制系統(tǒng)、紅外靶標(biāo)、溫度傳感器、微機控制處理系統(tǒng)等組成。其中面源黑體采用半導(dǎo)體制冷器件帕爾貼進行制冷和加熱，面源黑體發(fā)射板采用硬鋁材料制作，目標(biāo)溫度傳感器安裝在發(fā)射板頂部，背景溫度傳感器安裝在靶標(biāo)板上，微機控制處理系統(tǒng)通過串口RS232與溫度控制系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)對溫度的控制，溫度控制系統(tǒng)為0.01℃級高精度調(diào)節(jié)器，具有兩路模擬輸出，輸出1用于黑體升溫控制，輸出2用于黑體的降溫控制。

圖2 模擬溫差自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計原理框圖Fig.2 Block diagram of simulated temperature automatic control system

單黑體溫差控制原理：由微機控制處理系統(tǒng)給出初始溫差設(shè)定值ST，在某一時刻t1繼電器1接通溫度傳感器1，將四桿靶溫度值T1送至溫度控制系統(tǒng)，由其內(nèi)部的單片機讀取后保存，并把該溫度值作為環(huán)境溫度值。T1與溫差設(shè)定值ST作加法運算得到T2＝T1＋ST，溫控系統(tǒng)根據(jù)T2自動調(diào)節(jié)輸出1或輸出2的輸出量，作為控溫電路的輸入信號，兩路信號分別經(jīng)過電壓跟隨器后，由減法運算電路進行輸出1減輸出2的運算，得到功率放大電路的控制信號，由功率放大器驅(qū)動帕爾貼升溫或降溫模擬目標(biāo)的溫度，此后繼電器1和繼電器2相繼閉合打開，將目標(biāo)與背景的當(dāng)前溫度值T1和T2傳送至溫控系統(tǒng)中得到當(dāng)前溫差值PT，溫控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定溫差ST與當(dāng)前溫差PT的差值自動調(diào)節(jié)輸出量，進而控制功率放大電路對帕爾貼進行適量的升溫和降溫。溫度傳感器1不斷地傳遞當(dāng)前的環(huán)境溫度，通過反饋調(diào)節(jié)控制面源黑體的溫度，保證在環(huán)境溫度變化的情況下目標(biāo)與背景模擬溫差的穩(wěn)定性。通過采用單黑體控制技術(shù)模擬目標(biāo)與環(huán)境的溫差，可以有效地減小環(huán)境溫度變化對檢測結(jié)果的影響，保證MRTD的檢測精度。

3 自動檢測技術(shù)的軟件設(shè)計

3.1 模擬溫差與圖像采集控制

實現(xiàn)紅外熱像儀MRTD的全自動快速檢測，對模擬溫差的自動控制以及圖像的準(zhǔn)確采集有著較高的要求，不僅需要分別實現(xiàn)模擬溫差和圖像采集的自動控制，而且需要兩者相互配合，在恰當(dāng)時間共同完成控制工作。它們的軟件設(shè)計流程如圖3所示。

為滿足不同微機的串口通訊需求，程序可以自動識別微機所使用的串口號，并自動連接到對應(yīng)的串口，與溫控系統(tǒng)保持通信，同時打開對應(yīng)的圖像采集卡，實時地采集被測熱像儀的目視成像結(jié)果。接著微機向溫控系統(tǒng)發(fā)送通信碼設(shè)置單黑體的溫度差PT，然后設(shè)置一個定時器，每隔300 ms向溫控系統(tǒng)發(fā)送通信碼讀取面源黑體的當(dāng)前溫度差值，這時在緩存區(qū)中有溫控系統(tǒng)發(fā)送回來的響應(yīng)數(shù)據(jù)，程序?qū)崟r監(jiān)控緩存區(qū)的內(nèi)存狀態(tài)，濾除掉不需要的數(shù)據(jù)，提取出單黑體的當(dāng)前溫度差值ST，并與設(shè)置的溫差作比較得△T＝｜PT-ST｜，根據(jù)溫控系統(tǒng)的控制精度（0.01℃）以及多次計量標(biāo)定，將閾值設(shè)置為0.05℃。

圖3 溫差控制與圖像采集流程Fig.3 Process of temperature control and image capture

當(dāng)ΔT＜0.05℃時，計數(shù)器開啟，Num 加1（Num為當(dāng)前溫差PT連續(xù)進入閾值范圍內(nèi)的次數(shù)），表明當(dāng)前溫差PT接近設(shè)置溫差ST，如果當(dāng)前溫差PT連續(xù)30次在閾值范圍內(nèi) （Num≥30），表明當(dāng)前溫差已經(jīng)穩(wěn)定在設(shè)置溫差附近，此時程序立即關(guān)閉定時器，停止讀取當(dāng)前溫度值并控制CCD采集當(dāng)前一幀圖像到緩存區(qū)，用以后續(xù)處理。當(dāng)計數(shù)器Num開始計數(shù)后，如果Num＜30，則Num值保持不變，繼續(xù)讀取當(dāng)前溫度差值PT，一旦PT超出了閾值范圍，則立刻將計數(shù)器置零（Num＝0），并返回繼續(xù)讀取當(dāng)前溫度差值，重復(fù)以上過程。Num計數(shù)器同時具有計時的功能，Num每加1代表穩(wěn)定時間加300ms。

3.2 MRTD自動檢測方法

在全自動檢測中，我們采用CCD代替人眼來采集被測熱像儀的目視成像結(jié)果，并將其積分時間調(diào)節(jié)到0.05s，與人眼大致相同，利用四桿靶目標(biāo)區(qū)域與背景區(qū)域的灰度差來實現(xiàn)對四桿靶目標(biāo)的分辨。

在軟件設(shè)計時考慮到野外快速檢測的需求，將初始溫差設(shè)置為1.0℃，當(dāng)實際溫差穩(wěn)定在1.0℃后程序控制CCD采集當(dāng)前幀圖像放入緩存區(qū)，對采集的圖像進行分析處理，準(zhǔn)確地提取出四桿靶目標(biāo)以及背景區(qū)域，保存區(qū)域坐標(biāo)，分別計算溫差1.0℃下目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域的平均灰度值，得到兩者的灰度差GrayD，根據(jù)CCD和熱像儀的分辨能力以及人眼對灰度圖像的敏感度，當(dāng)GrayD＜3時認(rèn)為人眼無法分辨出四桿靶區(qū)域。如果被測熱像儀的MRTD大于1.0℃，那么當(dāng)實際溫差穩(wěn)定在1.0℃左右時，程序無法提取出四桿靶以及背景區(qū)域，此時直接輸出檢測結(jié)果“MRTD大于1.0℃”，表明被測熱像儀的溫差分辨性能較差。

當(dāng)GrayD＞3時，表明在溫差1.0℃時可以分辨出四桿靶區(qū)域，為了縮短檢測時間直接將下一個溫差值設(shè)定0.5℃，然后分上下兩段分別判斷。當(dāng)實際溫差穩(wěn)定在0.5℃左右后，采集當(dāng)前溫差圖像并根據(jù)已得到的目標(biāo)與背景區(qū)域計算灰度差GrayD。當(dāng)GrayD＜3時，表示在0.50℃時觀察不到四桿靶圖像，那么 MRTD可能是0.5℃、0.6℃、0.7℃、0.8℃、0.9℃中的任何一個，接著就設(shè)置溫差為0.6℃，如果此時的GrayD＞3，則輸出被測熱像儀的 MRTD為設(shè)置0.5℃時采集到的實際溫差，否者設(shè)置溫差為0.7℃，按照上面的方法依次向上設(shè)置溫差，直到溫差為0.9℃時結(jié)束。當(dāng)設(shè)置溫差為0.5℃且GrayD＞3時，表示溫差在0.5℃時仍然可以觀察到四桿靶圖像，那么MRTD小于0.5℃，接 著 設(shè) 置 溫 差 為 0.4℃、0.3℃、0.2℃、0.1℃，即按照上面的方法依次向下設(shè)置溫差，直到溫差為0.1℃時結(jié)束，如果當(dāng)溫差為0.1℃時，GrayD仍然大于3，則輸出“被測熱像儀的MRTD優(yōu)于0.1℃”。

3.3 四桿靶目標(biāo)與背景區(qū)域的自動提取

實現(xiàn)熱像儀MRTD的全自動測量，最重要的就是要準(zhǔn)確地提取出四桿靶目標(biāo)以及背景區(qū)域，然后利用目標(biāo)與背景區(qū)域的灰度差來實現(xiàn)對MTRD參數(shù)的測量，四桿靶區(qū)域和背景區(qū)域提取的越精確，MRTD的檢測結(jié)果越精確。同時為了實現(xiàn)在野外環(huán)境下的快速測量，最初的溫差不能設(shè)置太大，否者從一個較大的溫差降到檢測需求的溫差需要較長的等待時間，不符合快速檢測的需要，為此在檢測設(shè)備中我們設(shè)置初始最大溫差為1.0℃，利用該溫差下的紅外成像結(jié)果提取出目標(biāo)與背景的區(qū)域。

由于惡劣的外界環(huán)境條件和探測儀器本身固有的特性，與可見光圖像相比紅外圖像普遍存在目標(biāo)與背景對比度較差、邊緣模糊、噪聲較大等缺點，很大程度上影響了四桿靶區(qū)域提取的效果。因此為了準(zhǔn)確地提取四桿靶目標(biāo)區(qū)域以及背景區(qū)域，提高MRTD的檢測精度，文中結(jié)合了線性濾波器與非線性濾波器的優(yōu)點，提出了一種線性濾波與非線性濾波相結(jié)合的混合濾波算法，在實現(xiàn)對紅外圖像濾波的基礎(chǔ)上，更好地保留了圖像的邊緣信息，圖4所示為文中針對四桿靶形態(tài)特征采用的5像素×5像素濾波窗口，該濾波窗口被劃分為4個區(qū)域（a）、（b）、（c）、（d），所劃分區(qū)域中不包括待處理點本身，其中中心帶○的像素點為待處理像素點，4個區(qū)域內(nèi)像素點的灰度均值和方差分別記為meana、meanb、meanc、meand，δ2a、δ2b、δ2c、δ2d。

圖4 5像素×5像素濾波窗口Fig.4 5＊5 filtering window

該濾波算法是這樣實現(xiàn)的：首先根據(jù)下式判斷待處理點的噪聲類型：

式中f（x，y）為待處理點的灰度值，如果滿足（1）式，表明待處理點為脈沖噪聲，如果滿足（2）式表明為邊緣點，其他情況屬于平滑區(qū)域。

如果待處理點是脈沖噪聲，則在以待處理點為中心的3像素×3像素鄰域內(nèi)進行中值濾波，將濾波后的值賦予待處理點，如下式中（3）所示；如果待處理點是邊緣點，則將meana、meanb、meanc、meand、f（x，y）進行中值排序，將中值賦予待處理點，如下式（4）所示；如果待測點處于平滑區(qū)域，則對其進行加權(quán)均值濾波如下式（5）所示：

圖5為CCD采集的紅外熱像儀目視結(jié)果，圖6為使用文中提出的混合濾波后的效果圖。經(jīng)過濾波后圖像中四桿靶區(qū)域被清晰地呈現(xiàn)出來，提取圖像的灰度直方圖如圖7所示，通過觀察發(fā)現(xiàn)直方圖中存在明顯的波谷，可以通過全局門限對濾波后的圖像進行閾值分割。

圖7 圖像的直方圖Fig.7 Image's histogram

初始閾值選取為圖像的平均灰度值，然后按照文獻(xiàn)［6］中提出的方法不斷疊加得出最終的全局門限，閾值分割后的圖像如圖8所示。

圖8 閾值分割后的圖像Fig.8 Image after threshold segmentation

可以看出在閾值分割后得到了大致的四桿靶的圖像，但是在四桿靶的邊緣還存在較多的毛刺和缺口，此時對圖像進行形態(tài)學(xué)的開運算以消除小的毛刺并修復(fù)缺口。開運算即是先對圖像用結(jié)構(gòu)元素S腐蝕接著用同樣的結(jié)構(gòu)元素進行膨脹恢復(fù)。根據(jù)四桿靶的形態(tài)特征，選用3像素×1像素的長方形結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)元素對圖像進行開運算，圖9顯示了對圖8的圖像進行開運算后的結(jié)果。

圖9 開運算結(jié)果Fig.9 Image after opening operation

由圖像可以看出在開運算后得到了較為平滑和清晰的四桿靶圖像，為了尋找四桿靶區(qū)域，需要對圖像進行輪廓提取。提取方法：遍歷開運算后圖像中灰度值為255的點，當(dāng)它的8領(lǐng)域灰度值都為255時則認(rèn)為該點為內(nèi)部點，將該點刪除，如果該點的8領(lǐng)域中至少有一個為0時，則認(rèn)為該點為輪廓點，保存下來繼續(xù)檢測下一個點。圖10顯示了圖9中四桿靶的輪廓圖像。為了防止濾波不完全造成的輪廓提取錯誤，在提取輪廓后進行篩選，計算每個輪廓的長度Lx，并求出所有輪廓的平均值Lave，如果Lx＜｜Lave-20｜，則認(rèn)為該輪廓不是四桿靶輪廓，予以刪除。

圖10 四桿靶輪廓Fig.10 Contour of four bars target

在進行檢測時，我們設(shè)置初始溫差為1.0℃，此時可能因為熱像儀的性能問題，在溫差為1.0℃時熱像儀已經(jīng)不能分辨出四桿靶，為防止程序在提取四桿靶目標(biāo)與背景區(qū)域時報錯，在篩選輪廓后進行輪廓數(shù)量的統(tǒng)計，如果輪廓數(shù)量大于4則程序繼續(xù)執(zhí)行，如果輪廓值小于4，則程序接續(xù)，輸出信息“被測熱像儀的MRTD＞1.0℃”。

在確定了四桿靶的輪廓后，我們希望能夠得到四桿靶的坐標(biāo)位置以便在后面的處理中直接運用此區(qū)域。通過找出單個輪廓的最左、最右、最上、最下的4個坐標(biāo)點，擬合出4個矩形區(qū)域，使它們分別剛好包含每個靶桿，通過4個矩形區(qū)域左上角頂點的坐標(biāo)和矩形的長寬就可以得到4個矩形區(qū)域的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置。然后取包含4個小矩形的大矩形區(qū)域（不包括4個小矩形區(qū)域）作為背景區(qū)域，如圖11所示。在計算參數(shù)MRTD時，四桿靶區(qū)域以及與其鄰近的背景區(qū)域時是最關(guān)心的對象，適當(dāng)?shù)乜刂拼缶匦蔚姆秶梢杂行У販p小背景區(qū)域的計算量，同時提高MRTD結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖11 目標(biāo)與背景區(qū)域Fig.11 Area of target and background

4 實驗結(jié)果分析

選用某型號的手持式紅外熱像儀進行實測實驗，選取3組不同空間頻率下的紅外靶標(biāo)板，分別用人眼觀察法和本文提出的全自動檢測方法進行了3次對比實驗，實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同空間頻率下，人眼觀察與全自動檢測實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of eye observation and automatic test under different spatial frequencies

通過實驗可知，本文提出的MRTD全自動檢測方法測得的結(jié)果與人眼觀察所得結(jié)果基本吻合，具有較好的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

分別從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面研究了紅外熱像儀MRTD在野外環(huán)境下全自動快速檢測的關(guān)鍵技術(shù)，通過采用單黑體溫差控制技術(shù)提高了設(shè)備的便攜性和溫差控制精度；通過結(jié)合CCD圖像采集、串口通信、黑體控制以及圖像處理等多項技術(shù)保證了溫差控制與圖像采集的全自動化與協(xié)調(diào)統(tǒng)一；采用新穎的混合濾波、閾值分割、形態(tài)學(xué)處理、輪廓提取與篩選的綜合算法準(zhǔn)確地提取出四桿靶目標(biāo)與背景區(qū)域，實現(xiàn)了MRTD檢測的全自動化；溫差的分階段設(shè)置較好地滿足了MRTD快速檢測的需求。本文方法僅能適用于野外在線檢測時3種典型空間頻率的四桿靶。

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