吳堅業(yè)，張拴勤，殷德飛

（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

數(shù)碼假彩色成像技術(shù)研究

吳堅業(yè)，張拴勤，殷德飛

（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

假彩色成像偵察一直受到世界各國的重視，近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，假彩色照相也已用于植被、地面資源考察，水域污染檢查等方面。隨著數(shù)碼技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)膠片成像日趨淘汰，國內(nèi)彩紅外膠片基本停產(chǎn)。通過分析傳統(tǒng)膠片假彩色成像的原理，提出了利用數(shù)碼成像設(shè)備加裝近紅外濾光片，二次成像，分別提取綠、紅、近紅外值再合成圖像的方案，實現(xiàn)假彩色成像，并通過典型偽裝網(wǎng)小樣進(jìn)行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明本方案數(shù)碼假彩色成像方法可行。

兵器科學(xué)與技術(shù)；假彩色成像；數(shù)碼；圖像處理；近紅外；偽裝

0 引言

隨著現(xiàn)代偵察技術(shù)的發(fā)展，各種偵察儀器如假彩色照相和成像光譜儀的綜合使用，光學(xué)偵察通過光譜差異揭露偽裝的能力大大提高［1-2］。在假彩色照片上，反射綠光的物體其影像為蘭色，反射紅光的物體其影像為綠色，反射近紅外光的物體其影像則為紅色。它增強(qiáng)了影像的色反差，提高了影像的表達(dá)能力，對處在綠色背景上的目標(biāo)進(jìn)行判讀最為有利。

隨著數(shù)碼技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)膠片照相已經(jīng)越來越少，膠片成像日趨淘汰，偽裝器材已經(jīng)缺少這項檢測內(nèi)容。但假彩色由于其特有的能增強(qiáng)影像的色反差而一直受到偵察遙感領(lǐng)域的重視，基于此開發(fā)了數(shù)碼假彩色照相系統(tǒng)，通過CCD數(shù)碼相機(jī)、濾光片、計算處理技術(shù)等達(dá)到和傳統(tǒng)假彩色照片相同的效果，填補(bǔ)數(shù)碼假彩色照相的空白。

1 膠片假彩色成像原理

假彩色照相就是通過照相系統(tǒng)把目標(biāo)記錄在彩紅外膠片上。彩紅外膠片是一種含有感紅外線乳劑的多層彩色膠卷。彩紅外片又稱為“假彩色片”。彩紅外膠片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層為紅外乳劑層，能感紅外輻射和蘭光，產(chǎn)生青色正像；中層為感綠乳劑層，感綠光和蘭光，產(chǎn)生黃色正像；下層為感紅乳劑層，感紅光和蘭光，產(chǎn)生品紅色正像。這種膠片沒有黃色濾光層，因此在使用時，必須在相機(jī)鏡頭前加上黃色濾光鏡（黃-18或雷登-12），以消除蘭光的影響，突出紅光和紅外波段，增強(qiáng)揭露偽裝綠的能力。

圖1 彩紅外膠片結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of color infrared film

彩紅外膠片的3層乳劑層各自只對一種基本色（紅外、紅、綠）的波段產(chǎn)生感光作用，從被攝對象射來的復(fù)合光，根據(jù)它對彩色感光材料的作用分為3種光譜成分，每種成分僅僅在感受此種光譜區(qū)光線的這一乳劑層造成潛像，通過顯影、漂白、定影、沖洗，最終在感光層上只留下由染料形成的影像。各感光層影像的顏色不同，與被攝物色彩的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 彩紅外照片顏色對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Color corresponding relationship of infrared photograph

假彩色照相主要利用綠色植物和人工綠在近紅外波段的反射差異來揭露人工綠的。生長茂盛的綠色植物所含的葉綠素在近紅外波段具有很高的反射率，在照片上呈現(xiàn)為多層次的紅色；而普通在近紅外波段反射率低的人工綠，在照片上則呈現(xiàn)為蘭綠色。當(dāng)然也有人工綠即使近紅外反射很高，卻也不顯示紅色，這主要與膠片的感光度、人工綠光譜反射曲線等有關(guān)，由于數(shù)碼假彩色不會存在這個問題，所以在此不予詳細(xì)討論。膠片假彩色照相呈色機(jī)理解釋如下:設(shè)白晝光照光譜輻射照度為Eλ，如圖3所示；黃色濾光鏡透射率為λ，如圖4所示；膠片的光譜靈敏度分布（感色性）為Sλ，如圖5所示；綠色目標(biāo)的光譜反射率為ρ（λ），如圖6所示。

圖3 白晝光照光譜輻射曲線Fig.3 Spectral radiation curves of daylight

圖4 黃-18或雷登-12濾光片透射率Fig.4 Transmittivities of yellow-18 and Rehden-12 filters

則在彩紅外照片（正片）上，目標(biāo)的響應(yīng)（輻射出射度）為

又設(shè)目標(biāo)在紅外區(qū)、紅光區(qū)和綠光區(qū)的響應(yīng)分別為

在彩紅外照片上，主色對應(yīng)于max（φI，φR，φG）所對應(yīng)的波段。若以柯達(dá)2443、柯達(dá)3443為片基，對典型的植物綠，則有

由于φI＞φG＞φR，所以圖6的植物綠在膠片上的響應(yīng)以紅外輻射為主，故在照片上呈現(xiàn)紅橙色。

圖5 柯達(dá)2443、柯達(dá)3443膠片感色性曲線Fig.5 Colour sensitive curves of Kodak 2443 and Kodak 3443 films

圖6 綠色植物的光譜反射曲線Fig.6 Spectral reflection curve of green plant

2 假彩色成像的特點

假彩色成像有兩個顯著的特點:1）在一張彩紅外照片上，同時具有可見光和近紅外形成的影像，因而這種膠片不僅保持了紅外線航空片在揭露偽裝方面的特點，而且還能將一般的黑白片和近紅外片顯示不出來的某些目標(biāo)的細(xì)部清楚地反映出來；2）以象征性的彩色表達(dá)物體的影像。在一般黑白片上，物體的影像是以深淺不同的黑度來表達(dá)的，而在彩紅外照片上，反射綠光的物體其影像為蘭色，反射紅光的物體其影像為綠色，輻射近紅外線的物體其影像則為紅色。這些顏色顯然不是物體的原來顏色，但它卻增強(qiáng)了影像的色反差，提高了影像的表達(dá)能力，使影像清楚易辨，尤其是對處在綠色背景上的目標(biāo)進(jìn)行判讀最為有利。因此，假彩色成像對查明復(fù)雜地形和某些目標(biāo)的性質(zhì)，揭露不良偽裝（主要是人工綠和植物綠的差異）、探測拋撒在綠色植被上的大面積雷場以及用于植被考察、地面資源考察、水域污染檢查等方面都有著極其重要的作用。

3 數(shù)碼假彩色原理

3.1 數(shù)字圖像文件

隨著數(shù)碼技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)膠片成像日趨淘汰，彩紅外膠片已基本停產(chǎn)。數(shù)碼照相技術(shù)已經(jīng)成熟。數(shù)碼相機(jī)是采用CCD或COMS作為感光元件，通過光學(xué)系統(tǒng)成像在感光元件上，感光元件通過AD轉(zhuǎn)換自動保存成數(shù)字圖像文件。保存的圖像文件一般有BMP、JPG等格式，其標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，紅、綠、藍(lán)顏色信號位置等有規(guī)定的格式，方便處理。下面以BMP文件格式為例，進(jìn)行簡單介紹。

BMP位圖文件結(jié)構(gòu)文件由4個部分組成:位圖文件頭（bitmap-file header）、位圖信息頭（bitmap-information header）、彩色表（color table）和定義位圖的字節(jié)陣列，位圖文件的組成具有的形式如表1所示。

表1 BMP文件結(jié)構(gòu)Tab.1 BMP file structure

數(shù)字圖像由很多像素組成，是一個二維的像素矩陣，位圖就是采用位映象方法顯示和存儲的圖象。位圖的彩色信號是有三原色RGB組成。自然界中的所有顏色都是由紅、綠、藍(lán)（R、G、B）組合而成。24位彩色圖片實際的位圖數(shù)據(jù)，在頭文件54個字節(jié)以后就是每個像素的RGB值，每個像素占3個字節(jié)，分別記錄R值、G值、B值，實際處理時，只需要讀取相應(yīng)的值就可以。

3.2 數(shù)碼假彩色成像機(jī)理

從BMP文件格式可知，實際圖像上每個像素的RGB值是按規(guī)定位置放置的，這就給數(shù)碼假彩色成像帶來了簡單方便的處理方法。根據(jù)膠片假彩色照片的原理:反射綠光的物體其影像為蘭色，反射紅光的物體其影像為綠色，反射近紅外線的物體其影像則為紅色，所以只要找到每個像素的綠、紅、近紅外值，對它們進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和移位排列，便可得到數(shù)碼假彩色照片。即對得到的綠、紅、近紅外值進(jìn)行光譜響應(yīng)校正和歸一化處理，并將近紅外值放到文件的紅光區(qū)位置、紅光值放到文件綠光區(qū)位置、綠光值放到文件藍(lán)光區(qū)位置，這樣經(jīng)過重新組合的BMP文件就是理想的數(shù)碼假彩色照片了。

3.3 數(shù)碼假彩色成像方法

3.3.1 綠、紅、近紅外值的獲取

為獲得圖像的近紅外值，采用的相機(jī)必須能夠感光到近紅外，一般相機(jī)為保證照相效果，都在內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)中加裝了近紅外截止濾光片，使CCD不感光近紅外信號，所以進(jìn)行假彩色照相前必須改造相機(jī)光路，將相機(jī)內(nèi)部的近紅外濾光片取掉，使CCD可以有效感光近紅外反射信號。

圖像綠、紅數(shù)值的獲取非常方便，在鏡頭前加裝近紅外截止濾光片（和相機(jī)原光路中的近紅外截止濾光片一樣）對目標(biāo)進(jìn)行正常照相，找到文件中每個像素的RGB值，保存R值、G值即可。

近紅外值的獲取，需要在鏡頭前加裝近紅外高通濾光片，如圖7，其在波長760 nm以前截止，波長760 nm以后透過率達(dá)90%，可有效濾除可見光波段的數(shù)據(jù)，只透過所需要的近紅外波段數(shù)據(jù)，加裝濾光片后進(jìn)行正常照相，找到文件中的RGB值，這時會發(fā)現(xiàn)G值、B值基本都是0，R值便是所需要的近紅外值了。

圖7 近紅外高通濾光片F(xiàn)ig.7 High-pass near-infrared filter

3.3.2 CCD光譜響應(yīng)曲線校準(zhǔn)［3］

由于相機(jī)CCD光譜響應(yīng)的不同，會影響RGB值的結(jié)果，從圖8典型CCD器件光譜響應(yīng)曲線可見，在相同的輻照度下，波長0.4 μm處的輸出信號只有最大響應(yīng)的40%左右，為了正確反映照射在光敏元件上的光強(qiáng)分布，需要進(jìn)行必要的校正。

圖8 典型CCD光譜響應(yīng)曲線Fig.8 Typical spectral response curves of CCD

對于CCD面陣，設(shè)光強(qiáng)分布為f（x，y），由光敏元與波長的對應(yīng)關(guān)系，不同光敏元對應(yīng)不同的波長，其相對靈敏度不同，用矩陣K描述:

式中:kij為（i，j）的光敏元的相對靈敏度。由于CCD器件的空間離散作用，光強(qiáng)f（x，y）被相應(yīng)離散為f（λ11），f（λ12），…，f（λij），…f（λmn），記作

式中:f（λij）為（i，j）的光敏元對應(yīng)的光強(qiáng)。同樣可把CCD的輸出用矩陣F′表示:

實際上只能得到CCD的輸出結(jié)果F′，而要求的是光強(qiáng)分布矩陣F，由（4）式易得

式中:kij可用標(biāo)準(zhǔn)光源由CCD直接接收。采用已知光譜分布的標(biāo)準(zhǔn)光源，CCD對該光源直接測量后，其測量結(jié)果對應(yīng)于它相應(yīng)波長的轉(zhuǎn)換效率歸一化處理后就可得到相應(yīng)靈敏度kij，采用這種方法直接、準(zhǔn)確。假彩色數(shù)據(jù)合成時，將校準(zhǔn)后的kij直接用于RGB和近紅外值的修正，即可獲得每個像素準(zhǔn)確的RGB和近紅外值了。

4 實驗結(jié)果

使用本方法對偽裝網(wǎng)小樣和綠色植被進(jìn)行假彩色成像，編制了假彩色處理程序［4］。圖9為彩色照片，偽裝網(wǎng)小樣設(shè)置在植被上，圖中難以區(qū)分出來。圖10為數(shù)碼假彩色照片，由于偽裝網(wǎng)小樣的光譜反射曲線在近紅外波段比植被小20%左右，照片上成像明顯的黑色，而綠色植被成像紅色，很容易將偽裝網(wǎng)小樣區(qū)分出來。

圖9 設(shè)置偽裝網(wǎng)小樣的彩色照片F(xiàn)ig.9 Photochrome of camouflage net

圖10 數(shù)碼假彩色照片F(xiàn)ig.10 Digital false color photo

5 結(jié)論

數(shù)碼假彩色成像技術(shù)科學(xué)合理，方法切實可行，能有效揭露不完善偽裝。對比膠片假彩色成像原理可以看出，假彩色膠片的光譜感光靈敏度分布（感色性）不是線性，處理過程也不能修正，而數(shù)碼假彩色成像可以對CCD感光曲線進(jìn)行修正，由此可見，數(shù)碼假彩色成像對近紅外響應(yīng)靈敏度明顯優(yōu)于膠片假彩色成像，其處理方法靈活、成像直觀方便，完全能夠替代傳統(tǒng)膠片假彩色成像。

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［1］ 許衛(wèi)東，呂緒良，陳兵，等.一種基于紋理分析的偽裝器材效果評價模型［J］.兵工學(xué)報，2002，23（3）:329-331. XU Wei-dong.LYU Xu-liang，CHEN Bing，et al.A model based on texture analysis for the performance evaluation of comouflage screen equipment［J］.Acta Armamentarii，2002，23（3）:329-331.（in Chinese）

［2］ 楊雨霖.光學(xué)偵察原理［M］.南京:解放軍理工大學(xué)，1984. YANG Yu-lin.Optical detection principle［M］.Nanjing:PLA U-niversity of Science and Technology，1984.（in Chinese）

［3］ 陳文薌.CCD光譜響應(yīng)曲線的校準(zhǔn)［J］.廈門大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1994，33（6）:781-784. CHEN Wen-xiang.Correction on the spectral responce curve of CCD device［J］.Journal of Xiamen Unversity:Natural Science，1994，33（6）:781-784.（in Chinese）

［4］ 李力，金偉其，黃有為，等.一種低對比度可見光超視距成像的實時圖像增強(qiáng)方法［J］.兵工學(xué)報，2010，31（2）:242-247. LI Li，JIN Wei-qi，HUANG You-wei，et al.Real-time image enhancement processing methods of low contrast visible light overthe-horizon imaging［J］.Acta Armamentarii，2010，31（2）:242-247.（in Chinese）

Study of Digital Infrared False-color Imaging Technology

WU Jian-ye，ZHANG Shuan-qin，YIN De-fei
（The First Engineers Scientific Research Institute，General Armaments Department，Wuxi 214035，Jiangsu，China）

The infrared false-color imaging detection technology has been paid attention to.With the development of the remote sensing technology in recent years，the infrared false-color imaging detection has widely been used in the detection of vegetation，ground resources and aquatic pollution.And with the development of digital technology，the traditional photographic film would phase out.The false color film has stopped production in our country.A solution of using digital camera and near-infrared filter to achieve infrared false-color imaging is proposed by analyzing the principle of infrared false-color imaging by traditional false color film，and the algorithm is verified by experiment.

ordnance science and technology；infrared false-color imaging；digit；image processing；near infrared；camouflage

E919

A

1000-1093（2015）09-1722-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.017

2014-11-18

吳堅業(yè)（1965—），男，高級工程師。E-mail:wucensun@yeah.net；張拴勤（1970—），女，高級工程師。E-mail:fcwzsq@163.com