張冬妍，賈明偉

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

非制冷焦平面（UFPA）紅外探測(cè)器的發(fā)展，標(biāo)志紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)步入小型化和焦平面陣列[1]。針對(duì)UFPA的特點(diǎn)需要更適合的硬件處理系統(tǒng)的搭建使其更有針對(duì)性，簡(jiǎn)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(guò)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(mèng)宇等人提出的基于JEPG2000的紅外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]和董怡等人提出邊緣誤差檢測(cè)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(mén)的硬件支持，二是壓縮的方法計(jì)算量大都不適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。代少生等人的基于DSP的紅外焦平面陣列非均勻性實(shí)時(shí)壓縮校正研究[4]提出了利用灰度值壓縮圖像以方便存儲(chǔ)，簡(jiǎn)化運(yùn)算的思想，但其只針對(duì)非均勻校正。本文針對(duì)連續(xù)圖像處理的特點(diǎn)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(jī)蒙皮溫度數(shù)學(xué)模型，并以此為輻射源分析目標(biāo)[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(diǎn)[7,8]與人眼的視覺(jué)在高亮度和低亮度條件下辨別能力低的特點(diǎn)[9,10]對(duì)應(yīng)，保證圖像壓縮速度的同時(shí)，增強(qiáng)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(fù)責(zé)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(cè)器選用UFPA取代了大型和需要制冷設(shè)備的IRFPA紅外探測(cè)器，整個(gè)系統(tǒng)搭建以小型化，運(yùn)算速度快為目標(biāo)。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(gè)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(biāo)物體的紅外影像經(jīng)鏡頭匯聚成像后聚焦于探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)初步調(diào)整濾波后傳入后級(jí)模塊。在實(shí)際使用中，操控人員可以通過(guò)成像模塊中的調(diào)焦機(jī)構(gòu)調(diào)整成像位置，確保目標(biāo)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(shí)別目標(biāo)物體，計(jì)算相應(yīng)的數(shù)據(jù)并通過(guò)Can總線和視頻線發(fā)送給顯示控制計(jì)算機(jī)。以上系統(tǒng)的搭建，使DSP對(duì)紅外圖像的分析和計(jì)算能力完全發(fā)揮，增加的片外存儲(chǔ)單元了存儲(chǔ)空間，更完整的記錄連續(xù)圖像的特點(diǎn)，為可視化處理以及后續(xù)的圖像處理做好準(zhǔn)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(zhǎng)度為14位二進(jìn)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(zhǎng)度是8位二進(jìn)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(zhǎng)度為14位二進(jìn)制，DSP的圖像掃描時(shí)間變長(zhǎng)，存儲(chǔ)空間變大，尤其是圖像邊緣提取等運(yùn)算的加入，運(yùn)算時(shí)間會(huì)增加2～6倍，即使是運(yùn)算速度1GHz的TMS320C6000系列的DSP在處理連續(xù)處理紅外圖像的過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)圖像顯示的延遲和丟幀。對(duì)于可視化處理將14位二進(jìn)制壓縮成8位二進(jìn)制的方法，本文對(duì)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(jìn)制最高位和最低位分別對(duì)應(yīng)8位二進(jìn)制最高位和最低位，建立如下灰度映射關(guān)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(jí)，在本文分別為28和214。傳統(tǒng)的均勻映射是機(jī)械的被動(dòng)型映射，運(yùn)算速度快，但沒(méi)有對(duì)其成像的優(yōu)化，背景和目標(biāo)邊緣不清晰，為后續(xù)圖像處理的邊緣分離和提取帶來(lái)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(méi)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(jìn)制灰度中，充分利用灰度的高位和低位，實(shí)現(xiàn)選擇性均勻映射。選擇性均勻映射需去掉多余部分，對(duì)此我們對(duì)目標(biāo)和背景進(jìn)行分析?？罩心繕?biāo)以飛機(jī)為例，飛機(jī)一般采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jī)的探測(cè)源（但是有可能會(huì)產(chǎn)生噪聲），飛機(jī)在飛行中會(huì)與空氣發(fā)生摩擦，由氣動(dòng)引起的蒙皮溫度，并對(duì)外產(chǎn)生蒙皮輻射，研究中以此來(lái)作為飛機(jī)的探測(cè)源[5,6]。蒙皮溫度計(jì)算公式：

式中：Ts—物體的蒙皮溫度；T0—大氣溫度；M—飛機(jī)的速度（單位：馬赫）。飛機(jī)的飛行速度一般在0.5～2.5Ma，取環(huán)境溫度為10℃，可知飛機(jī)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(yáng)光的散度疊加而成，一般天空背景應(yīng)包括云層，對(duì)其紅外圖像的分析可知，天空輻射的特點(diǎn)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(gè)范圍內(nèi)。有了背景和目標(biāo)的分析，以及在UFPA上大量圖像的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以該實(shí)驗(yàn)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(dāng) W＜rT或W＞rD時(shí)舍去，對(duì)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(jiàn)，選擇性均勻映射把灰度兩側(cè)空白部分去掉，對(duì)圖像對(duì)比度的優(yōu)化處理，所得的目標(biāo)與背景之間有較清晰的邊緣，但背景整體偏暗，這對(duì)空中多目標(biāo)的成像質(zhì)量會(huì)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(shí)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(duì)選擇性均勻映射方法的改進(jìn)，大部分情況中，目標(biāo)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(duì)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(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，先分離出背景和目標(biāo)，并對(duì)背景的圖像進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布或gamma分布的擬合并建模，求取其導(dǎo)數(shù)并選擇導(dǎo)數(shù)最小的點(diǎn)來(lái)作為閾值，但是這樣計(jì)算量太大不適合作為連續(xù)圖像處理的方法。實(shí)際研究中只選取背景圖像中的某一個(gè)或某幾個(gè)較暗區(qū)域，并以均值來(lái)代替期望的閾值，實(shí)際驗(yàn)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(gè)角落各取48×36個(gè)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(diǎn)（壞點(diǎn)、噪聲）得到期望的均值，在8位二進(jìn)制的低灰階階視覺(jué)盲點(diǎn) （等級(jí)24以下人眼分辨不清）中選取合適的值與其對(duì)應(yīng)。求取小于該閾值灰度的像元個(gè)數(shù)，將像元灰度按從高到低排列，去掉相同的像元個(gè)數(shù)后，所對(duì)應(yīng)的灰度值作為其較高閾值，并與高灰階視覺(jué)盲點(diǎn) （200以上）合適的值對(duì)應(yīng)，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(biāo)，k表示該點(diǎn)的灰度。M，N表示分辨率的長(zhǎng)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(biāo)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(yùn)算較快，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)比度，適合人眼觀察的同時(shí)，保證了監(jiān)測(cè)的灰度范圍。在多目標(biāo)中也有良好的效果，并為圖像的邊緣分離和提取做好基礎(chǔ)。實(shí)際驗(yàn)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(shí)間約為7.8ms，完全滿足了連續(xù)圖像處理中畫(huà)面流暢的要求。

3 結(jié)論

本文完成了針對(duì)UFPA紅外探測(cè)器的小型化，運(yùn)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(chǔ)單元的結(jié)合，充分發(fā)揮了DSP的計(jì)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(zhǔn)備。針對(duì)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(biāo)和背景的特點(diǎn)，在背景灰度中尋求可變閾值的同時(shí)，簡(jiǎn)化了灰度壓縮算法的處理，得到的紅外圖像目標(biāo)清晰，輪廓明顯，適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)了對(duì)比度，既保證了監(jiān)測(cè)范圍，又適合人眼觀察。該方法的主要目標(biāo)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(zhǔn)備。在處理空中連續(xù)紅外圖像中，畫(huà)面流暢，且對(duì)空中單一目標(biāo)和多目標(biāo)，簡(jiǎn)單背景和復(fù)雜背景均有很強(qiáng)的適應(yīng)性，在民事領(lǐng)域?qū)⒌玫搅己玫膽?yīng)用。

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