闞博涵，殷金堅，李凌杰，穆 宇

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

制冷型凝視紅外焦平面探測器(IRFPA)以其靈敏度高、探測能力強、輸出幀頻高及圖像穩(wěn)定性好等優(yōu)點在紅外偵察系統(tǒng)、紅外導(dǎo)引和跟蹤等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但由于半導(dǎo)體材料的不一致性、制作工藝、多通道讀出電路設(shè)計不一致性等因素的影響［1］，紅外焦平面探測器不可避免的出現(xiàn)諸如非均勻性、盲元等問題，這些問題對正常的紅外圖像造成了巨大的影響。從目前的文獻來看，國內(nèi)外盲元處理的基本算法是中值濾波、領(lǐng)域插值和基于窗口的算法，這些方法能有效地檢測和處理大部分盲元，但并沒有考慮紅外成像系統(tǒng)光學(xué)、探測器輸出溫漂等因素，因此會不可避免地遺漏部分變化不定的盲元或者誤判某些正常像元，如圖1所示，本文提出了一種基于窗口閾值可調(diào)整的紅外盲元檢測算法，能大幅提升盲元檢測的成功率，降低盲元誤判，對改善紅外圖像質(zhì)量有重要意義。

圖1 盲元遺漏及誤判的紅外圖像

2 盲元模型

通過標準黑體給出了探測器的盲元模型，假設(shè)探測器規(guī)模為320×256，其中某個像元(i，j)的響應(yīng)率R(i，j)為紅外探測器陣列在一定的積分時間內(nèi)對單位輻射照度功率的紅外線產(chǎn)生的輸出電信號［2－3］，見公式(1):

式中，i=0～319;j=0～255;V(i，j)為像元對應(yīng)于輻射照度功率P的響應(yīng)電壓。

由公式(1)可得紅外探測器有效像元的平均響應(yīng)率［2－3］:

式中，M=320;N=256;d和h分別是無響應(yīng)像元和異常像元(響應(yīng)明顯易于正常像元)數(shù)。在實際計算過程中，d和h隨閾值的改變而發(fā)生變化。

圖2 探測器像元響應(yīng)率分布模型

圖2中，α表示盲元檢測的上限，它說明了盲元的響應(yīng)率超出平均響應(yīng)率的水平，即滿足以下關(guān)系:

β表示盲元檢測的下限，它說明了盲元的響應(yīng)率低于平均響應(yīng)率的水平，即滿足以下關(guān)系:

盲元從圖像視覺角度看和周圍相鄰正常像元的差別比較明顯，且盲元在局部窗口中比較集中，因此從整幀圖像看表現(xiàn)為一些離散的亮暗點，所以用窗口響應(yīng)率進行盲元檢測，效果會比全窗口效果更好。

3 盲元檢測步驟

為了獲得最佳的盲元檢測效果，使用標準黑體作為輻射源。熱像儀采集高溫輻射和低溫輻射，采集完成后根據(jù)當(dāng)前的紅外成像光學(xué)系統(tǒng)等選擇適當(dāng)?shù)姆指畲翱?，從而消除光學(xué)系統(tǒng)不同區(qū)域輸入能量不同導(dǎo)致的盲元誤判問題。通過調(diào)整上限α和下限β的值，根據(jù)公式(3)、(4)確定的盲元判斷準則來判斷當(dāng)前像元是否為盲元［4－6］，具體步驟如表1～3所示。

表1 黑體單點盲元標定方法

表2 黑體兩點盲元標定方法

表3 基于圖像的盲元標定方法

表1所示方法可以消除探測器大部分死元，這些像元呈現(xiàn)全黑或者全白的點，響應(yīng)率極低。

表2所示方法可以消除探測器大部分異常元，這些像元有響應(yīng)，但是和正常像元相比差異很大，響應(yīng)率過高或者過低。

表3所示方法可以消除探測器大部分不穩(wěn)定像元，這些像元在某些時候響應(yīng)和正常像元類似，有時候又有差異。

三種方法在盲元檢測過程中可選擇性的使用，也可依次使用。同時開窗大小也可任意選擇，但是考慮到算法的運算速度，推薦窗口大小選擇為2的冪次，同時考慮到樣本數(shù)選擇不能太小，否則窗口內(nèi)的平均值不足以抵消異常元的影響，造成圖像有效信息被濾除，人為的引起圖像質(zhì)量下降，因此推薦選擇如16、32、64等窗口大小。在盲元檢測的過程中，上限α和下限β值設(shè)置越小，則盲元檢測越嚴格，盲元識別率越高，但是容易將響應(yīng)率稍偏離平均響應(yīng)率的像元當(dāng)作盲元識別出來，從而造成誤填。此時通過選擇合適的窗口大小，則可減少誤填的概率，窗口越小，則紅外成像光學(xué)系統(tǒng)、探測器輸出溫漂等影響就越小，識別盲元的概率將大幅提升，但是容易引入噪聲的影響，因此在實際的盲元檢測過程中，選擇多大的窗口、上限α和下限β的值與探測器本身的性能有很大的關(guān)系，不同的探測器有自身對應(yīng)的一套設(shè)置參數(shù)，該套參數(shù)可存入FLASH中，掉電不會丟失。

4 試驗結(jié)果及分析

從標準黑體采集完高低溫輻射后，使用三種方法結(jié)合不同的開窗大小，對探測器輸出圖像進行盲元檢測，如圖3～6所示。圖3采用全幀模式檢測盲元，圖4采用16×16開窗模式檢測盲元，圖5采用32×32開窗模式檢測盲元，圖6采用64×64開窗模式檢測盲元，各種模式下檢測出的盲元數(shù)目如表4所示。

圖5 32×32開窗模式下輸出的紅外圖像

圖6 64×64開窗模式下輸出的紅外圖像

圖3 全幀模式下輸出的紅外圖像

圖4 16×16開窗模式下輸出的紅外圖像

表4 盲元檢測效果列表

圖像質(zhì)量的評判是根據(jù)人眼觀察監(jiān)視器上的紅外圖像舒適程度來決定的。盲元數(shù)目可由軟件自動計算得出。根據(jù)以上試驗結(jié)果，可知在采取16×16開窗模式及相應(yīng)的上下限閾值可以將探測器輸出圖像上很多的離散盲元點徹底檢測并解決掉，處理后的圖像視覺質(zhì)量得到大幅提升。試驗結(jié)果說明本文提出的算法合理可行，對提升紅外熱像儀圖像質(zhì)量有極大的作用。

5 結(jié)論

本文對影響制冷型紅外熱像儀圖像質(zhì)量的盲元進行了理論分析，并建立的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)盲元模型提出了一種盲元檢測算法。通過試驗可以看出該算法對盲元檢測效率高、檢測效果好，可大幅提升紅外熱像儀的圖像質(zhì)量。

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