謝沈陽，侯思祖

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紫外光和可見光圖像融合現(xiàn)狀研究

謝沈陽，侯思祖

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

紫外成像技術(shù)通過雙光路系統(tǒng)對目標(biāo)進行成像，一路通過紫外相機對240～280 nm波段的紫外光成像得到紫外圖像，另一路通過可見光相機對可見光背景成像得到可見光圖像，并對得到的雙光路圖像融合輸出一路融合后圖像，該系統(tǒng)是雙輸入單輸出系統(tǒng)。該成像技術(shù)在電力和鐵路等領(lǐng)域的電暈檢測和故障定位方面具有很大的優(yōu)勢，受溫度、背景光強度等干擾較小，彌補了其他檢測技術(shù)的不足，在電力、鐵路、軍事等行業(yè)和領(lǐng)域越來越得到重視，得到了國家的大力支持和推廣。

圖像融合；紫外成像；電暈檢測；故障定位

1 研究背景

紫外光和可見光的圖像融合是基于紫外探測發(fā)展起來的，是紫外探測的一部分。20世紀(jì)60年代紫外探測起源于歐美國家的軍事領(lǐng)域，并在80年代末得到較大發(fā)展，主要為滿足發(fā)現(xiàn)軍事目標(biāo)的需求而興起的一種成像技術(shù)[1]。該階段的紫外探測技術(shù)僅是單通道的紫外成像，并未同可見光進行融合。20世紀(jì)90年代末，紫外技術(shù)開始在警用市場得到應(yīng)用。近年來，紫外探測在民用市場尤其是電力和鐵路系統(tǒng)的電暈監(jiān)測中有所發(fā)展，相關(guān)研究逐漸增多。

紫外探測技術(shù)在軍事領(lǐng)域主要是通過探測導(dǎo)彈的尾焰來定位導(dǎo)彈的位置，發(fā)現(xiàn)軍事目標(biāo)。開始是單通道的紫外探測，后來逐漸發(fā)展為紫外光和可見光雙通道成像。在警用領(lǐng)域，紫外探測技術(shù)通過對指紋、體液等進行成像來提取犯罪信息。在電力和鐵路領(lǐng)域，主要用以檢測高壓設(shè)備的早期故障，通過對電暈放電進行探測并結(jié)合可見光成像以達到故障定位的目的[2]。同時，紫外探測在船舶導(dǎo)航、森林防火等領(lǐng)域也有所應(yīng)用。

目前，已知的應(yīng)用于紫外檢測中的圖像融合算法相對簡單，實時性相對較好，但是這些處理算法得到的圖像的融合質(zhì)量較低，經(jīng)常會存在拼接、模糊等現(xiàn)象。這不僅影響觀察者的感受，還對紫外檢測的目標(biāo)判斷和識別也產(chǎn)生了不利影響，甚至對故障識別、故障定位和故障等級判斷以及整個故障檢測系統(tǒng)產(chǎn)生了影響，不利于電力和鐵路系統(tǒng)中電氣設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，甚至有可能造成安全事故，因此，提升紫外和可見光圖像融合質(zhì)量迫在眉睫。

1.1 紫外成像原理

目前，紫外探測主要是通過紫外成像儀來完成的，紫外成像儀的工作原理為：系統(tǒng)由紫外通道和可見光通道組成的平行雙光路系統(tǒng)，光線通過分光鏡（即半透半反鏡，紫外光透過，可將光反射）分成兩路，一路通過紫外濾光片濾光得到240～280 nm波段的紫外光，光線經(jīng)過紫外增強系統(tǒng)、透鏡、CCD相機（CCD，Charge-coupled Device，電荷耦合元件）、同可見光光路耦合，另一路通過全反鏡得到與紫外光平行的光路，通過可見光鏡頭、CCD相機與紫外光路耦合，最后到達圖像處理系統(tǒng)進行圖像融合，得到融合后的圖像[3]。傳統(tǒng)的可見光成像是基于太陽光的反射原理進行成像，受太陽光的影響較大，尤其是在白天陽光強烈的情況下，不利于對電暈、火焰等目標(biāo)進行探測。另外，紅外成像是對紅外線進行探測，利用溫度差原理進行成像，因此受目標(biāo)的背景溫度影響較大，當(dāng)背景溫度和目標(biāo)溫度相同或者接近時，很難準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)目標(biāo)[4]。

紫外成像與以上兩種方式不同的是，紫外圖像的獲得是通過對240～280 nm波段的紫外光進行探測得到。受大氣層的吸收作用影響，太陽光輻射到地球表面的該段光波幾乎為0.而電暈、火焰等發(fā)光輻射的該段紫外光不受大氣層的影響[5]。因此，通過對地球表面的電暈、火焰特有的波段進行探測即可避免太陽光的以及溫度的影響干擾，準(zhǔn)確探測得到電暈、火焰等目標(biāo)信息，再利用可見光相機得到目標(biāo)的背景成像信息，通過對兩圖像的融合處理即可得到目標(biāo)和背景融合后的圖像，以此來準(zhǔn)確定位目標(biāo)位置。

1.2 圖像融合原理

圖像融合可以分為三個層次，五個部分。三個層次分別為預(yù)處理層、融合層和應(yīng)用層。五個部分包括原圖像、去噪和增強、圖像配準(zhǔn)、圖像融合和圖像融合質(zhì)量評價。按照信息抽象的程度與處理階段的特點，圖像融合可以分為以下三層次[6]。

1.2.1 像素級融合

像素級圖像融合是最基本的融合層次。直接在圖像的原始像素數(shù)據(jù)上進行操作，像素級圖像融合中保留了源圖像中較多的原始性信息，融合結(jié)果較為可靠。相對于其他兩種融合方式，該種融合方式準(zhǔn)確性高，融合后圖像具有很強的細節(jié)表現(xiàn)力，但同時需要對每個像素進行處理，因此整個圖像處理過程的計算量也非常大，實時性有待提高，對系統(tǒng)的存儲和處理能力提出了較高的要求。

1.2.2 特征級融合

特征級圖像融合，是對從源圖像中提取出邊緣、輪廓、方向等特征信息進行處理的融合方法，該種融合方法可以實現(xiàn)對信息的高度壓縮，保留了大量圖像關(guān)鍵信息，剔除了次要信息，因此運算量相對較小，同時實時性得到了提高，該種方法適用于對圖像配準(zhǔn)的要求較低的場合，可以適用于異源圖像融合中。

1.2.3 決策級融合

決策級圖像融合是對源圖像的信息進行邏輯推理或統(tǒng)計推理而實現(xiàn)的融合。決策級圖像融合是通過設(shè)定一定的決策準(zhǔn)則，對圖像進行特征提取并對其進行分類的一種融合方式，該種方式是以認知模型為基礎(chǔ)，處理對象是特征類，所包含的圖像細節(jié)信息更少，因此，比特征級融合計算量更小，同時具有容錯性高、數(shù)據(jù)要求低、分析能力強等優(yōu)點，但是需要在后臺建立數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)對特征類進行分析處理。

2 圖像融合的發(fā)展現(xiàn)狀

近幾十年來，圖像融合在信息判斷上發(fā)揮著越來越重要的作用，相應(yīng)算法的研究也得到了很大的發(fā)展。但是由于目前紫外檢測在國內(nèi)處于起步階段，有關(guān)紫外光和可見光圖像融合的研究相對較少。圖像融合算法從最初的加權(quán)平均、到H.Adelson和J.Burt等人首次提出了利用拉普拉斯金字塔理論并應(yīng)用于圖像融合，此后，各專家學(xué)者在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了高斯金字塔、梯度金字塔、低通比率金字塔、形態(tài)學(xué)金字塔以及FSD金字塔等（filter-subtract-decimate）。其中，高斯金字塔和拉普拉斯金字塔被引用在紫外和可見光的融合中。T.Ranchin和L.Wald提出的離散小波變換進行遙感圖像的融合發(fā)展出了形態(tài)學(xué)小波變換、atrous小波變換、小波幀變換、小波包變換等，其中，離散小波變換、形態(tài)學(xué)小波變換等應(yīng)用于紫外可見光圖像融合算法中。離散小波變換的出現(xiàn)使圖像融合進入了快速發(fā)展的軌道，尤其在近幾年新的數(shù)學(xué)模型不斷改善和應(yīng)用，衍生出一系列優(yōu)秀成果，比如劉軍提出了基于模糊矩陣的小波變換融合法。為彌補小波變換的不足，一些多尺度幾何分析方法被提出，比如Ridgelet（瘠波變換）、Curvelets（曲波變換）、Contourlet（輪廓波變換）等。同時，其他的方法比如基于主成分分析的圖像融合方法也得到了極大發(fā)展。此外，許多學(xué)者為提高融合圖像的辨識度和觀測度，在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上又提出了假彩色融合圖像的映射算法、ICA真彩色圖像融合算法、基于色彩傳遞的偽彩色圖像融合算法等彩色圖像融合算法，這些算法也在紫外和可見光圖像融合中有應(yīng)用。2013年，張卓提出了基于PCNN和Shearlet變換的紅外與可見光圖像融合算法；2013年韓亮提出了圖像分割與平穩(wěn)小波變換法融合紅外與可見光圖像；2014年孫新德提出了基于QPSO和統(tǒng)計特征的紅外與可見光圖像融合；2015年馬立新教授將PCNN圖像融合算法應(yīng)用到紫外成像系統(tǒng)中，取得了不錯的融合效果。2016年王雪提出了基于視覺顯著性和NSCT的紅外與可見光圖像融合算法；2017年劉先紅提出了基于多尺度方向引導(dǎo)濾波和卷積稀疏表示的紅外與可見光圖像融合，2017年張新征提出了基于多特征一多表示融合的SAR圖像目標(biāo)識別；2017年楊紅菊提出了基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)的特征融合圖像檢索方法，等等。

3 結(jié)論

本文對紫外成像和圖像融合的原理進行了介紹，并對當(dāng)前算法進行了研究，這些算法的提出和改進都大大改善了融合圖像的質(zhì)量。由于紫外與可見光圖像的融合研究起步較晚，國內(nèi)相關(guān)研究相對較少，但是這些算法在紅外-可見、遙感和醫(yī)學(xué)等圖像融合領(lǐng)域有所應(yīng)用，發(fā)展相對成熟，對紫外和可見光圖像融合研究有很大的借鑒意義。

［1］Youngseok Kim，Kilmok Shong.The Characteristics of UV Strength According to Corona Discharge From Polymer Insulators Using a UV Sensor and Optic Lens［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26（03）：1579-1584.

［2］李煉煉，孟剛，鄧慰.輸變電設(shè)備電暈放電紫外圖譜量化參數(shù)提?。跩］.高壓電器，2017，53（07）：0229-0235.

［3］賀振華，王瑋，黃文武.兩種紫外成像儀檢測電暈放電的對比研究［J］.高壓電器，2014，8（02）：80-86.

［4］周影，婁洪偉，周躍，等.微弱日盲紫外電暈自動實時檢測方法［J］.中國光學(xué)，2015，8（06）：927-932.

［5］王金煒，湯衛(wèi).SuperB便攜式紫外成像儀在500 kV變電站的應(yīng)用［J］.電力科技與環(huán)保，2016，32（05）：60-62.

［6］王文治.實時紫外與可見光融合信號處理及實現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2015.

2095－6835（2019）03－0066－02

TP391.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.066

謝沈陽（1991—），男，研究方向為圖像處理。侯思祖（1962—），男，研究方向為圖像處理。

〔編輯：張思楠〕