魏 挺，苗 毅，鹿 琦（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

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紅外圖像顯示算法研究及其實(shí)現(xiàn)

魏 挺，苗 毅，鹿 琦
（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

摘要：通過(guò)對(duì)直方圖顯示變換算法的分析、研究，最終選取平臺(tái)直方圖法并結(jié)合Visual C++6.0編程語(yǔ)言開發(fā)了紅外圖像格式轉(zhuǎn)換軟件，使得在紅外圖像的處理過(guò)程中提高圖像顯示質(zhì)量的同時(shí)，還擺脫了原有軟件狗的限制。

關(guān)鍵詞：紅外圖像；平臺(tái)直方圖算法；VC

0　引言

紅外熱像儀由于其自身測(cè)溫速度快、測(cè)溫范圍大和不干擾被測(cè)表面溫度場(chǎng)等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而，主流產(chǎn)品價(jià)格昂貴，產(chǎn)品間圖像格式不通用，且配套軟件價(jià)格不菲，并帶有軟件狗加密保護(hù)，增加數(shù)據(jù)處理難度。在此情況下，我們根據(jù)紅外圖像的特點(diǎn)，選取平臺(tái)直方圖算法，針對(duì)具體的圖像格式，采用Visual C++6.0語(yǔ)言編寫轉(zhuǎn)換軟件，將圖像轉(zhuǎn)換成通用格式（AVI 或BMP等），為紅外圖像的處理提供了方便，并擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。

1　熱像顯示算法

在熱成像系統(tǒng)中，通常存在信號(hào)源動(dòng)態(tài)范圍大和顯示輸出動(dòng)態(tài)范圍小的矛盾。解決此問(wèn)題，一般采用直方圖顯示變換算法，它包括直方圖均衡算法（HE）、直方圖投影算法（HP）和平臺(tái)直方圖算法（PE）。

1.1直方圖均衡算法

一幅圖像的灰度級(jí)可被視為區(qū)間［0，1］的隨機(jī)變量。假定對(duì)每一個(gè)瞬間它們是連續(xù)變量，那么可以用它們的概率密度函數(shù)Pr（r）和Ps（s）分別表示原始圖像和變換圖像的灰度級(jí)。如果Pr（r）和變換函數(shù)T（r）已知，且T（r）在區(qū)間［0，1］中單調(diào)遞增，則s的概率密度函數(shù)為：

因此，變換變量s的概率密度函數(shù)由輸入圖像的灰度級(jí)概率密度函數(shù)和所選擇的變換函數(shù)決定。假設(shè)變換函數(shù)為：

其中ω是積分變量。（2）式右部為隨機(jī)變量r的累積分布函數(shù)，并且單調(diào)地從0增加到1。對(duì)（2）式r求導(dǎo)并帶入（1）式，得到

由（3）式可知，在變換后s定義域內(nèi)概率密度是均勻分布。用r的積累分布函數(shù)作為變換函數(shù)可產(chǎn)生灰度級(jí)分布為均勻概率密度的圖像。其結(jié)果擴(kuò)展了像素取值的動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)于數(shù)字圖像，我們引入離散形式的公式。當(dāng)灰度級(jí)是離散值的時(shí)候，用頻數(shù)近似代替概率值，即

（4）式中，L是灰度級(jí)的總數(shù)目，Pr（rk） 是取第k級(jí)灰度值的概率，nk是在圖像中出現(xiàn)第k級(jí)灰度的次數(shù)，n是圖像中像素總數(shù)。（2）式中變換函數(shù)的離散形式為

最后根據(jù)變換系數(shù)求出各象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值

由（7）式可以看出，HE算法是把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某灰度區(qū)間變成全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布。對(duì)于面目標(biāo)采用能起到很好的圖像增強(qiáng)效果，對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)將提升圖像的背景和噪聲。針對(duì)算法的缺陷，后人又提出了HP算法和PE算法。

1.2直方圖投影算法

HP算法原理和HE算法一樣，HE算法中每一灰度的權(quán)重由像素?cái)?shù)目決定，而HP算法中，有像素的灰度權(quán)重取1，無(wú)像素的灰度權(quán)重取0，即：

HP算法是能將背景、噪聲和細(xì)節(jié)同時(shí)提升，使目標(biāo)細(xì)節(jié)較為明顯，但是背景并不分明。散粒噪聲偏大時(shí)，算法會(huì)使大面積的背景灰度產(chǎn)生“推擠效應(yīng)”，使圖像產(chǎn)生閃動(dòng)。

1.3平臺(tái)直方圖法

PE算法是HE算法和HP算法的改進(jìn)算法。它與HE算法的區(qū)別在于PE算法對(duì)灰度的權(quán)重設(shè)置了一個(gè)上限平臺(tái)值，大于該平臺(tái)值的權(quán)重取為該平臺(tái)值，平臺(tái)直方圖表示如下：

由（8）式可以看出，PE算法的本質(zhì)是利用上限平臺(tái)值限制了背景和噪聲的提升，為細(xì)節(jié)提升留出空間，使得整體圖像能得到很好的增強(qiáng)效果。一般來(lái)講，平臺(tái)值抬高，圖像整體對(duì)比度增強(qiáng)，背景層次分明，目標(biāo)細(xì)節(jié)模糊；平臺(tái)值降低，目標(biāo)細(xì)節(jié)提升，圖像整體對(duì)比度下降，顆粒噪聲的影響明顯。因此，需要根據(jù)具體情況選擇合適的平臺(tái)值。

分析可知PE算法是目前最有實(shí)用價(jià)值的算法，因此本軟件選擇PE算法作為紅外圖像顯示的中心算法。

2　軟件的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)使用要求，本軟件主要由三部分組成：1）圖像數(shù)據(jù)讀取模塊：讀取紅外圖像文件，按既定格式讀入?yún)?shù)和原始信息，統(tǒng)計(jì)圖像的平臺(tái)直方圖，得到圖像比特映射表；2）BMP圖像生成模塊：創(chuàng)建BMP文件，查找比特映射表并將圖像進(jìn)行灰度映射，得到對(duì)應(yīng)的灰度圖像；3）AVI文件生成模塊：創(chuàng)建AVI視頻文件，將圖像中每一幀所成的BMP灰度圖像順序?qū)懭胍曨l文件，最終使連續(xù)多幀的紅外圖像轉(zhuǎn)換為普通播放器可播放的AVI視頻文件。

3　軟件測(cè)試結(jié)果

處理單幀紅外圖像時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)量化范圍，改變對(duì)比度，在不同程度上顯示圖像細(xì)節(jié)；處理連續(xù)幀紅外圖像時(shí)，程序可根需求轉(zhuǎn)成若干個(gè)*.avi文件，便于拷貝播放。

圖像轉(zhuǎn)換效果如圖3所示，改變上限平臺(tái)值，使圖像對(duì)比度和細(xì)節(jié)都有不同程度變化，要根據(jù)圖像特點(diǎn)，選擇合適平臺(tái)值，使圖像效果更清晰。AVI文件的截圖見圖4，轉(zhuǎn)換后的視頻圖像無(wú)細(xì)節(jié)損失，與熱像儀配套軟件回放效果相當(dāng)。

4　結(jié)論

圖1　軟件運(yùn)行流程圖

圖2　軟件運(yùn)行界面

圖3　平臺(tái)值改變前后圖像的對(duì)比

本文參考紅外熱像儀數(shù)據(jù)文件格式，選擇PE算法。編寫的圖像格式轉(zhuǎn)換軟件，交互界面良好，轉(zhuǎn)換結(jié)果滿足要求，擺脫了熱像

儀配套軟件的限制，為國(guó)內(nèi)紅外專業(yè)研究提供方便。

熱像儀CCD本身的象素壞點(diǎn)，本軟件并沒(méi)有作修復(fù)，將連續(xù)幀圖像轉(zhuǎn)換成AVI時(shí)，由于計(jì)算量大，使軟件運(yùn)行時(shí)間偏長(zhǎng)。以上兩點(diǎn)可采用中值濾波和DSP或FPGA硬件編程實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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圖4　轉(zhuǎn)換后視頻文件截圖

Research and Realization of infrared image display algorithm

Wei Ting，Miao Yi， Lu Qi
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an Shaanxi，710089）

Abstract：Through display of histogram transform algorithm analysis and research，and ultimately selected platform histogram method and infrared image format conversion software is developed with Visual C + + 6.0 programming language，making in infrared image processing to improve the image display quality at the same time，also placed off limits of the original software dog.

Keywords：infrared image； platform histogram algorithm；VC