孫文杰，秦 健，孫玉梅

(煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 龍口 265713)

紅外熱成像技術(shù)，是一種現(xiàn)代顯像技術(shù)，它將物體表面的紅外熱輻射差別，轉(zhuǎn)換成人眼可見(jiàn)的灰度圖像。灰度圖像偽彩色增強(qiáng)技術(shù)，能大大提高人眼的信息獲取能力。

自然界中最為廣泛的一種電磁輻射是紅外線輻射，任何物體在絕對(duì)零度以上，都會(huì)輻射出紅外光譜能量，其原子和分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，能量就越大。紅外熱像儀就是利用光敏元件和成像物鏡組成探測(cè)器，捕獲被測(cè)物體表面發(fā)出的紅外光譜能量分布差異情況，通過(guò)顯示器轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光譜圖像的探測(cè)儀器。圖像的不同顏色，代表了物體表面不同的溫度。目前，紅外熱像儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軍事、民用和工業(yè)領(lǐng)域等，主要體現(xiàn)在發(fā)電廠輸配電設(shè)備、建筑系統(tǒng)、冶金熱加工處理系統(tǒng)、產(chǎn)品流程檢查、消防安保、醫(yī)療檢測(cè)、機(jī)械石化、模式識(shí)別、遙感探測(cè)等場(chǎng)合。

現(xiàn)代的紅外熱像儀，不但具有先進(jìn)的探測(cè)元件，還具有相當(dāng)完善的圖像處理技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)高效、清晰地凸顯物體的不同溫度分布情況。但是隨著現(xiàn)代熱像儀應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化，各種噪聲干擾對(duì)圖像的清晰度和色彩具有較強(qiáng)的干擾。

本文從白光等密度偽彩色編碼實(shí)驗(yàn)出發(fā)，提出了基于余弦算子的圖像處理技術(shù)在紅外熱像儀中的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)對(duì)比，該算法能夠有效地抑制圖像高斯噪聲，增強(qiáng)圖像邊緣效果，細(xì)膩呈現(xiàn)的色彩，較自然地對(duì)紅外熱分布進(jìn)行了偽彩色處理。

1 紅外熱成像

1.1 熱成像系統(tǒng)構(gòu)成原理

典型的紅外熱成像系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

圖1 熱成像原理

該系統(tǒng)通過(guò)典型的非制冷紅外焦平面探測(cè)器，在5 000 m內(nèi)進(jìn)行非接觸近距離或遠(yuǎn)距離物體的熱輻射探測(cè)[1]，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)電子系統(tǒng)對(duì)圖像預(yù)處理，最終經(jīng)顯示器呈現(xiàn)熱圖像和溫度值，該圖像稱為偽彩色圖像，溫度值可以計(jì)算，可以進(jìn)行故障區(qū)域判別和因素分析。

1.2 紅外圖像特點(diǎn)

光譜中波長(zhǎng)0.76～400 μm的一段位于可見(jiàn)光紅光的外側(cè)，所以稱為紅外線，根據(jù)紅外線在光譜上距離可見(jiàn)光位置的遠(yuǎn)近，被分為遠(yuǎn)紅外、中紅外和近紅外這3種，各段都有自己的特性，比如利用遠(yuǎn)紅外對(duì)人體組織穿透力強(qiáng)，進(jìn)行理療。雖然目前的紅外熱像感光范圍，已經(jīng)擴(kuò)展到中紅外，但主要探測(cè)的還是近紅外，中紅外CCD感光器像素低。

紅外熱像儀經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展歷史，目前已升級(jí)到第四代，其核心器件是探測(cè)器，擁有高分辨率、大面陣、多波段、智能靈巧型系統(tǒng)級(jí)芯片，具有一定的數(shù)字信號(hào)處理功能，能夠在夜晚和人員無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)地進(jìn)行取景，獲得不同算法處理的彩色圖片。但是目前市場(chǎng)上很多熱像儀拍出的偽彩色圖像，其色彩信息還不夠豐富，不能很好地實(shí)時(shí)顯示任意模式的彩色圖像，對(duì)于某些溫度差異小的圖像細(xì)節(jié)，分辨率還不夠高。

2 偽彩色圖像增強(qiáng)方法對(duì)比

2.1 常用圖像增強(qiáng)技術(shù)

在圖像識(shí)別技術(shù)中，為了獲得更多的有效信息，在采集到紅外感應(yīng)圖像數(shù)據(jù)后，就需要對(duì)較為模糊的紅外圖像進(jìn)一步目標(biāo)增強(qiáng)，尤其是黑白或其他灰度圖像?；叶葓D像有不同的灰度級(jí)，對(duì)應(yīng)著每個(gè)像素通道都有灰度值，不同灰度值可通過(guò)線性或非線性映射函數(shù)進(jìn)行區(qū)域或邊緣增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)紅綠藍(lán)三基色合成出偽彩色圖像，使得觀察目標(biāo)層次分明而更易于識(shí)別。

目前，較為常用的偽彩色增強(qiáng)處理方法有3種：空間灰度分割法、灰度色彩映射法和頻率域?yàn)V波法。

（1）空間灰度分割法。把灰度圖像的灰度值分割成若干段，每一段賦予一種色彩。該方法直觀簡(jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)，為早期紅外熱像儀采用的圖像處理方法，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)都有售該類儀器，效果不太好，色彩數(shù)目有限，視覺(jué)效果生硬，量化噪聲大。下面是一種8位位深的偽彩色編碼，增強(qiáng)效果如圖3。

J=floor(I/32);

J1=floor(J/4);

J2=rem(floor(J/2),2);

J3=rem(J,2);

POut(:,:,1)=J1;

POut(:,:,2)=J2;

POut(:,:,3)=J3。

（2）灰度色彩映射法。把灰度圖像分為紅綠藍(lán)3個(gè)通道，每一個(gè)通道采用不同的映射函數(shù)進(jìn)行增強(qiáng)處理。該方法比灰度分割法圖像增強(qiáng)效果要好，可以將灰度圖像變換為具有多種色彩漸變的偽彩色圖像。下面是圖像變換原理、偽彩色編碼及其圖像增強(qiáng)效果。

圖2 灰度色彩映射原理

if(0

I(i,j,1)=0;I(i,j,2)=4*I(i,j,2);I(i,j,3)=255;

else if(64

I(i,j,1)=0;I(i,j,2)=255;I(i,j,3)=-4*I(i,j,3)+128;

else if(128

I(i,j,1)=4*I(i,j,1)-128;I(i,j,2)=255;I(i,j,3)=0;

else I(i,j,1)=255;I(i,j,2)=-4*I(i,j,2)+255;I(i,j,3)=0。

（3）頻率域?yàn)V波法。把灰度圖像經(jīng)傅里葉變換，切換到頻率域?qū)ζ湓鰪?qiáng)處理。該方法采用紅綠藍(lán)3個(gè)不同傳遞特性的濾波器，對(duì)變換后的圖像頻譜進(jìn)行分割，如為突出高頻成分細(xì)節(jié)，可以把紅色通道設(shè)置成高通濾波器；再如可以設(shè)計(jì)帶阻濾波器抑制圖像中的某些頻率成分。

下面是256色以下灰度圖像濾波代碼及其圖像增強(qiáng)效果。

I=imread('brain.bmp');

[m n p]=size(I);

F=fft2(I);fftshift(F);

h=ones(1,1)/2;Red=imfilter(F,h);Redcolor=ifft2(Red);

h=ones(5,5)/25;Green=imfilter(F,h);Greencolor=ifft2(Green);

h=ones(1,5)/25;Blue=imfilter(F,h);Bluecolor=ifft2(Blue);

Redcolor=real(Redcolor)/100;

Greencolor=real(Greencolor)/100;

Bluecolor=real(Bluecolor)/100;

POut(:,:,1)=Redcolor;POut(:,:,2)=Greencolor;POut(:,:,3)=Bluecolor;

Figure;imshow(POut)。

圖3 圖像增強(qiáng)效果對(duì)比

以上3種常用偽彩色編碼算法，對(duì)灰度范圍處理簡(jiǎn)單，不是每個(gè)灰度值對(duì)應(yīng)不同色彩，而是每一段灰度圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一種色彩，圖像增強(qiáng)效果不是很清晰，對(duì)應(yīng)紅外感應(yīng)的灰度圖像也是如此。下面介紹的余弦算子，較好地解決了灰度范圍集中不易偽彩色化的問(wèn)題，使灰度圖像按照余弦函數(shù)自然增強(qiáng)后實(shí)現(xiàn)偽彩色化。

2.2 余弦算子的自然偽彩色編碼

依據(jù)傳統(tǒng)白光光學(xué)信息處理系統(tǒng)中，灰度圖像的白光等密度偽彩色編碼實(shí)驗(yàn)[5]，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，最終得到零級(jí)譜偽彩色圖像強(qiáng)度與原始灰度值之間的算子關(guān)系為

式中，

f(i,j)為紅外熱像儀探測(cè)得到的灰度圖像像素值；

y(i,j)為經(jīng)過(guò)余弦算子灰度變換作用后，得到的單色灰度像素值；

λ為對(duì)應(yīng)像素值f(i,j)的三基色波長(zhǎng)參考相對(duì)值。

由于f(i,j)取值為0～255，故λ一般取值也為0～255，對(duì)于y(i,j)，其輸出值為歸一化數(shù)值0～1。

上述關(guān)系如圖4所示。

圖4 單色灰度變換

由y(i,j)表達(dá)式，可以得出RGB三基色偽彩色處理的配色方程：

該方法能處理24位多種常見(jiàn)格式的圖像，得到的偽彩色圖像輪廓清晰，亮度及色彩層次感強(qiáng)，具有較高的灰度靈敏度。

r=input('Please input color value(0-255):r=');

Ir(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/r);

imwrite(Ir,'Ir.bmp');

figure;imshow(Ir);title('Red Enhancement');

g=input('Please input color value(0-255):g=');Ig(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/g);

imwrite(Ig,'Ig.bmp');

figure;imshow(Ig);title('Green Enhancement');

b=input('Please input color value(0-255):b=');

Ib(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/b);

下面是針對(duì)紅外熱像儀圖像增強(qiáng)技術(shù)，采用傳統(tǒng)偽彩色圖像增強(qiáng)算法和弦函數(shù)圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比。對(duì)同一幅紅外圖像，得到不同的試驗(yàn)結(jié)果。

如圖5(b)傳統(tǒng)灰度色彩映射法偽彩色編碼，效果較差，而且不能實(shí)時(shí)可調(diào)，

圖 5(c)r=123，g=96，b=154 和圖 5(d)r=78，g=123，b=80是利用余弦算子在不同可調(diào)參數(shù)下偽彩色的結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的灰度色彩映射法在灰度太集中時(shí)圖像顯示不清晰，不能實(shí)時(shí)分析各段的溫度圖像。

本文所提余弦算子自然偽彩色編碼能很好地根據(jù)波長(zhǎng)值 λR、λG、λB(程序中為 r、g、b) 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高溫區(qū)、低溫區(qū)，溫度不同的地方色彩不同，容易分辨出不同的溫度區(qū)域，所成紅外偽彩色圖像清晰。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)紅外熱像儀成像原理，為保障采集的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)清晰地再現(xiàn)場(chǎng)景圖像，優(yōu)異的數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)，能夠使非常規(guī)紅外圖像得到人們視覺(jué)上的認(rèn)可，易于圖像識(shí)別。常用偽彩色圖像算法，不能夠?qū)崟r(shí)靈活的對(duì)灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行自然處理，而余弦算子偽彩色編碼對(duì)紅外成像的圖像增強(qiáng)效果，優(yōu)于傳統(tǒng)偽彩色編碼方法，能夠較為真切的反映出場(chǎng)景區(qū)域內(nèi)不同紅外能量差別。其形成的圖像，還可以同可見(jiàn)光譜圖像進(jìn)行融合顯示，更進(jìn)一步把圖像的有效信息呈現(xiàn)出來(lái)。

[1]寧國(guó)祥，易新建.紅外焦平面陣列圖像的偽彩色編碼和處理[J].紅外技術(shù)，2002，3(2)：57-59.

[2]曹茂永，郁道銀.高灰度分辨率圖像的偽彩色編碼[J].光學(xué)技術(shù)，2002，28(2)：115-117.

[3]JinmingSu,HongLiu.Matlab program ofhigh level[M].Beijing:Publishing House ofElectronics Industry,2005.

[4]王仕璠,劉 藝.現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004.