紅外圖像非均勻性校正方法綜述

1、第24卷第1期紅外技術(shù)Vol.24No.12002年1月InfraredTechnologyJan.2002系統(tǒng)與設(shè)計紅外圖像非均勻性校正方法綜述陳銳,談新權(quán)(華中科技大學(xué)電子與信息工程系,湖北武漢,430074)摘要:紅外圖像的非均勻性是制約紅外成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的限制性因素。對國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的兩點校正法進行了原理探討,并闡述了恒定統(tǒng)計平均法、驗室大力研究的非均勻性校正技術(shù)。關(guān)鍵詞:紅外焦平面陣列;非均勻性校正;高通濾波;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中圖分類號:TN216文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A)0120001203式中,x為某一探測器單元的輸入信號,y為可測的輸出信號。如果能求出增益因子a和偏移因子b,就可求得無畸變的輸

2、入信號x。2.1兩點校正法從紅外圖像非均勻性的來源和表現(xiàn)形式可以看出,如果各陣列元的響應(yīng)特性在所感興趣的溫度范圍內(nèi)為線性的,在時間上是穩(wěn)定的,并假定1f噪聲的影響較小,則非均勻性引入固定模式的乘性和加性噪聲,在此條件下焦平面陣列元在均勻輻射背景條件下的輸出為:xij()=uij+vij1概述功能的新一代紅外探測器,采用焦平面探測器的成像系統(tǒng)具有很多優(yōu)點。如果系統(tǒng)的探測器元數(shù)為N,理論上信噪比可提高N倍。但由于各個探測器的響應(yīng)度的不一致,導(dǎo)致紅外圖像的非均勻性,嚴(yán)重影響著紅外傳感器的成像質(zhì)量,因此必須進行紅外非均勻性校正。補償焦平面探測器非均勻性的方法有多種,但由于此類噪聲的來源與瞬態(tài)噪聲不同,

3、不能采用通常的處理方法(幀場處理)。因此抑制固有空間噪聲比抑制瞬態(tài)噪聲更困難,必須采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理的方法。到目前為止還沒有找到適應(yīng)性較強的算法,方法的研究都是面向某種特定條件和工作模式的。目前探測器非均勻性校準(zhǔn)方法主要有兩點溫度定標(biāo)法(TPC)、多點溫度定標(biāo)法(ETPC)、恒定統(tǒng)計平均法(CSC)、時域高通濾波法(THPFC)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANNC)等。目前應(yīng)用最廣的是兩點溫度定標(biāo)法和多點溫度定標(biāo)法。以上多種方法可分為兩大類:線性校正和非線性校正。其中前三種屬于線性校正技術(shù),后兩種屬于非線性校正技術(shù)。技術(shù)上線性校正相對非線性校正來說較為成熟。(2)其中:為輻射通量,uij和vij是坐標(biāo)為(

4、i,j)陣列元的增益和偏移量,對于每一個陣列元,uij和vij的值都是固定的,并且不隨時間變化。因此采用兩點法校正即可實現(xiàn)紅外焦平面陣列圖像的非均勻校正,即yij=Gij+xij()+Oijyij為校正后的輸出。(3)Gij,Oij分別為兩點校正法的校正增益和校正偏移量,兩點校正法在光路中插入一均勻輻射的黑體,通過各陣列元對高溫TH和低溫TL下的均勻黑體輻射的響應(yīng)計算出Gij和Oij,從而實現(xiàn)非均勻校正。在圖1中給出了兩點校正法的示意圖,兩點法校正將所有陣列元在高溫TH和低溫TL下的響應(yīng)分別規(guī)一化為VH和VLVH=Gijxij(H)+OijVL=Gijxij(L)+Oij2非均勻性校正方法線性

5、校正假設(shè)探測器單元的響應(yīng)呈線性,y=ax+b收稿日期:2001205228(4)(5)(1)校正增益和校正偏移量即可通過下式計算出來Vol.24No.1紅外技術(shù)Jan.2002相對式(1)增加了響應(yīng)的噪聲項,并提出了使用Wiener濾波方法估計增益因子和偏移因子的方法。理論上,這種方法優(yōu)于CS算法,但其計算復(fù)雜,不適合實際系統(tǒng)使用。2.3時域高通濾波器法陣列元的響應(yīng)特性隨時間緩慢的變化和陣列元內(nèi)部的1f噪聲集中在低頻部分。目標(biāo)相對于雜波背景在像平面上具有較大的運動速度,因此目標(biāo)信號具有相當(dāng)?shù)母哳l能量;,。其原理如圖2所示。直線a和直線b分別代表一個陣列元的響應(yīng)特性,直線c為校正后所有陣列元的響

6、應(yīng)特性圖1兩點校正法示意圖Fig.1DiagramofTPCGij=Oij=ij)-(6)(7)圖2時域高通濾波算法原理框圖Fig.2BlockdiagramofTHPFCVVx()xijL)-xij(H)其中xij(H)和xij(L)分別為像元(i,j)在高溫和低溫均勻輻射背景下的響應(yīng)。將各陣列元的校正增益Gij和校正偏移量值Oij預(yù)先存儲起來,在探測過程中以此對探測器的響應(yīng)值按式(3)不斷進行校正。兩點校正法假定探測元的響應(yīng)特性在所感興趣的溫度范圍內(nèi)是線性的,實際情況并非如此。為彌補兩點校正方法的這一不足,可進一步采用選擇多個溫度點進行多點校正。2.2恒定統(tǒng)計平均法CS算法建立在如下假設(shè)之

7、上:1)每個探測器單元的輸出信號的統(tǒng)計平均值是很恒定的。2)輸入到每個圖2中y(n)=x(n)-f(n)(14)(15)低通采樣輸出為:f(n)=x(n)N+1-(1N)f(n-1)式中:N為設(shè)置的幀數(shù)?？梢韵燃僭O(shè)某像素在第n幀經(jīng)增益校正后得到一個濾波器輸入量x(n),經(jīng)過無限沖擊響應(yīng)濾波器(IIR2DF)低通處理后得到了低通輸出f(n),再通過減法運算得到一個高通輸出y(n)。經(jīng)Z變換得到傳遞函數(shù)為:H(z)=Y(z)X(z)=(N-1)(z-1)Nz-(N-1)(16)這種方法抑制了1f噪聲對圖像和NUC的影響,克服了基于參照元校正存儲量大的問題,但也要求探測器響應(yīng)率有較好的線性。2.4人

8、工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以完全不對FPA進行標(biāo)定(或自動標(biāo)定),是紅外成像系統(tǒng)的理想境界,依賴于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法自適應(yīng)地進行校正系數(shù)的更新是目前實驗室研究的熱點之一。具體辦法是:讓每一個神經(jīng)元連接一個陣列元,再設(shè)計一個隱含層,它的每一個神經(jīng)元就像水平細(xì)胞元那樣與鄰近的幾個陣列元連接起來,得到它們的平均輸出值反饋到它的上層神經(jīng)元去計算非均勻性,采用最陡下降法依據(jù)實際景象逐幀迭代,直至達(dá)到最佳狀探測器單元的輸入信號的統(tǒng)計方差都相等。則式(1)可寫成為:my=Ey=Eax+b=aEx+b=amx+b(8)222y=ax(9)(10)(11)(12)不失一般性,假設(shè)mx=0,x=1,則有b=mya=yx=(y-my

9、)y在實際計算時,均方根可用平均絕對誤差代替;平均值和平均絕對誤差可用迭代方式計算。國外針對CS算法進行了專用模擬芯片的研究。MajeedM.Hayat等提出了另一個更接近實際的線性模型:y=ax+b+n2(13)2002年1月陳銳等:紅外圖像非均勻性校正方法綜述第24卷第1期態(tài)。過程如下:1)計算鄰域平均值:fij=(xi,j-1+xi,j+1+xi-1,j+xi+1,j)4(17)行定標(biāo),校正系數(shù)可以經(jīng)過學(xué)習(xí)連續(xù)更新,對探測器參數(shù)的線性和穩(wěn)定性要求不高,但研究工作量大,應(yīng)用時計算量大,需要特殊并行計算機結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。2)令y=Gx+O,其中G為增益校正因子,O為偏移量校正因子。誤差函數(shù):2(

10、18)F(G,O)=(Gx+O-f)利用此函數(shù)的梯度函數(shù)和最陡下降法,可以得到計算G和O的迭代公式:(19)Gn+1=Gn-2ax(y-f)On+1=On-2a(y-f)3結(jié)束語紅外探測器是紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,但紅外圖像的非均勻性直接影響系統(tǒng)的質(zhì)量。因此解決非均勻性校正成了頭等重要的問題。盡管世界范圍內(nèi)的FPA、技術(shù)途徑多種多樣,專家和工程師們的著眼提高精度和算法處理速,在實驗室還在大力研究其它非線性校正方法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正法、時域高通濾波器法。(20)其中:a為下降步長,n為幀數(shù)。3)利用線性校正算法,計算yn+1=Gn+1Xn+a+On+1(可見,進參考文獻(xiàn)1SchulzM,Caldw

11、ellL.Non2uniformitycorrectionandcorrectabilityofinfraredfocalplanearraysJ.InfraredPhysics&Technology,1995.36:763777.2HarrisJG.Non2uniformitycorrectionusingtheconstant2statisticsconstraint:analoganddigitalimplementationsA.SPIEC,1997.3061:895905.3MajeedM.Hayat.Model2basedreal2timenon2uniformitycorrect

12、ioninfocalplanearraydetectorsA.SPIEC,1998.3377:122131.4ScribnerDA.Adaptivenon2uniformitycorrectionforIRfocalplanearraysusingneuralnetworksA.SPIEC,1991.1541:100108.作者簡介:陳銳,1979年生,男,華中科技大學(xué)碩士研究生,主要研究方向圖像處理、數(shù)字信號處理、多媒體技術(shù)、光電成像技術(shù)。談新權(quán),1945年生,男,華中科技大學(xué)教授,主要從事光電技術(shù)、激光通信、通信與信號處理、數(shù)字視頻技術(shù)研究。StudyonNon2uniformityCor

13、rectionofInfraredImageCHENRui,TANXin2quan(Electronics&InformationEngineeringDepartment,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Infrarednon2uniformityhaslimitedthequalityofinfraredimagingsystem.Inthispaper,wediscussedtheap2proachoftwo2temperaturepointscorrection(TPC)indetail.Asthefurtherresearchinthisarea,constant2statisticscorrection(CSC),temporalhigh2passfilte