安廣齊， 趙　剡， 張海峰

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程， 北京　100191)

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紅外探測(cè)器盲元檢測(cè)及補(bǔ)償

安廣齊， 趙剡， 張海峰

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程， 北京100191)

盲元數(shù)量是判定探測(cè)器性能的重要指標(biāo)。通過(guò)9×9窗格響應(yīng)法和中值濾波法進(jìn)行盲元的檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了盲元數(shù)量和位置的確定。運(yùn)用中值濾波法初步確定了盲元檢測(cè)率與圖像灰度值之間的關(guān)系。采用改進(jìn)算法進(jìn)行盲元補(bǔ)償,減少了硬件的占用率和圖像的失真率,提高了盲元的補(bǔ)償效果。

紅外探測(cè)器;盲元檢測(cè);盲元補(bǔ)償;圖像灰度;性能評(píng)估

0　引　　言

紅外成像系統(tǒng)由于受到制造工藝、傳輸通道等的影響， 探測(cè)器往往存在盲元。 如果不將紅外圖像進(jìn)行處理， 則會(huì)在圖像上顯示暗點(diǎn)或者亮點(diǎn)， 影響探測(cè)器成像的質(zhì)量， 進(jìn)而影響后續(xù)的圖像分析和處理工作。 盲元檢測(cè)主要是確定盲元的數(shù)量和位置， 減少漏檢或者過(guò)檢問(wèn)題。 盲元補(bǔ)償則是通過(guò)盲元附近的像元進(jìn)行鄰域估計(jì)算法， 可以將過(guò)熱像元和死像元的灰度值補(bǔ)償為正常像元的灰度值。

本文采用的9×9窗格響應(yīng)法進(jìn)行盲元檢測(cè)， 針對(duì)搭建的紅外成像系統(tǒng)， 可以準(zhǔn)確確定盲元的數(shù)量和位置， 具有較高的盲元檢測(cè)率。

1　紅外成像系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)整體

紅外探測(cè)器盲元檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下部分組成：黑體面源、 探測(cè)器、 PCI圖像采集板卡和工控機(jī)， 各部分相互之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

主控計(jì)算機(jī)通過(guò)串口RS232控制黑體控制器， 在測(cè)試軟件相應(yīng)位置輸入溫度值， 就可以控制黑體控制器對(duì)黑體面源進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)， 黑體面源為探測(cè)器提供需要采集的標(biāo)準(zhǔn)圖像。 主控計(jì)算機(jī)通過(guò)程序， 控制程控電源對(duì)圖像調(diào)理板卡進(jìn)行供電并燒寫工作點(diǎn)。 PCI圖像采集板卡直接插在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI插槽上， 安裝好驅(qū)動(dòng)程序即可正常工作。

圖1系統(tǒng)整體關(guān)系圖

探測(cè)器由一個(gè)穩(wěn)定支架固定， 通過(guò)3～5 μm波段透射率大于85%的紅外窗口， 直接面對(duì)黑體面源進(jìn)行圖像采集， 并實(shí)時(shí)將采集到的圖像通過(guò)雙絞屏蔽線傳輸給圖像調(diào)理板卡進(jìn)行信號(hào)調(diào)理工作。

圖像調(diào)理板卡在上電并燒寫工作點(diǎn)之后開(kāi)始正常工作， 其將探測(cè)器傳輸來(lái)的信號(hào)調(diào)理為L(zhǎng)VDS信號(hào)， 傳輸給主控計(jì)算機(jī)內(nèi)的PCI圖像采集板卡， 采集到的圖像信息保存并顯示在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部， 便于進(jìn)行盲元的檢測(cè)和補(bǔ)償。

1.2PCI圖像采集板卡

PCI圖像采集板卡主要由DSP和FPGA結(jié)構(gòu)組成。 當(dāng)LVDS信號(hào)傳輸?shù)綀D像采集板卡時(shí)， 首先由FPGA進(jìn)行接收， 其中數(shù)據(jù)包括16 bit的幀頭和128×128 bit的幀數(shù)據(jù)， 在檢測(cè)到幀頭后， 將完整數(shù)據(jù)寫入FIFO中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存。 當(dāng)DSP上電后將FIFO內(nèi)部數(shù)據(jù)寫入SDRAM中， 工控機(jī)讀取的數(shù)據(jù)及SDRAM中緩存的數(shù)據(jù)均記錄在DSP片內(nèi)RAM中， 當(dāng)讀取數(shù)據(jù)小于緩存數(shù)據(jù)時(shí)， 通過(guò)DMA方式將數(shù)據(jù)從SDRAM中讀取到PCI接口， 實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的同步顯示。 具體過(guò)程如圖2所示。

圖2PCI圖像采集板卡工作流程

為滿足主控計(jì)算機(jī)圖像顯示的刷新頻率， 需要在硬件上加入緩沖區(qū)。 輸入的LVDS速率越高， 需要的緩沖區(qū)容量越大， 才能保證不丟失數(shù)據(jù)。 選用Micron公司提供的MT48LC2M32 SDRAM 作為緩沖區(qū)， 是一款64 Mb全同步SDRAM。 圖像經(jīng)過(guò)DSP中的圖像預(yù)處理模塊后由SDRAM控制器控制寫入SDRAM進(jìn)行緩存。 隨后通過(guò)PCI總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。 DSP通過(guò)內(nèi)部的EDMA控制器實(shí)現(xiàn)集成的PCI接口控制器與DSP的接口， 與其他一些硬件平臺(tái)采用額外的PCI控制芯片相比較， 節(jié)約了成本， 減少了電路板的面積， 同時(shí)由于少使用了一個(gè)器件， 降低了調(diào)試的難度， 提高了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的效率。

1.3LVDS信號(hào)

LVDS信號(hào)包括三組信號(hào)：時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、同步信號(hào)。 LVDS信號(hào)是一種低擺幅的差分技術(shù)信號(hào)， 邏輯狀態(tài)間的電壓變換為350 mV， 能夠快速改變狀態(tài)， 具有傳輸速率快的特性， 保證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖像顯示的實(shí)時(shí)性功能；由于采用了恒流源驅(qū)動(dòng)器， 同時(shí)限制了尖峰電流， 這樣就降低了終端電阻壓降， 從而降低了電路的功耗；通過(guò)減小電壓擺幅和電流能量， 能夠有效的抑制圖像的噪聲， 有利于降低系統(tǒng)噪聲。

2　盲元檢測(cè)

2.1窗口響應(yīng)率檢測(cè)法

為了確定窗格大小與盲元檢測(cè)結(jié)果之間的關(guān)系， 分別利用3×3窗格， 5×5窗格， 7×7窗格， 9×9窗格， 11×11窗格和傳統(tǒng)窗格法進(jìn)行盲元檢測(cè)， 檢測(cè)到的盲元數(shù)量、 盲元數(shù)與總盲元數(shù)的比值、 進(jìn)行測(cè)試所消耗時(shí)間， 如表1所示。

表1　窗格大小與盲元檢測(cè)結(jié)果關(guān)系

由表1可以看出， 3×3和5×5窗格法具有相對(duì)較快的檢測(cè)速度， 但是由于圖像存在連續(xù)盲元， 較小的窗格無(wú)法檢測(cè)出， 所以檢測(cè)出的盲元個(gè)數(shù)較少， 通過(guò)對(duì)比可知存在將盲元點(diǎn)判斷為正常像元點(diǎn)的問(wèn)題。 11×11窗格法檢測(cè)出的盲元數(shù)量與9×9窗格法相近似， 但是計(jì)算時(shí)間卻大大加長(zhǎng)。 只有7×7和9×9窗格法可以將盲元較全面的檢測(cè)出來(lái)， 并且檢測(cè)時(shí)間比較合理。

而與傳統(tǒng)窗格法的解算結(jié)果相比較， 經(jīng)過(guò)改進(jìn)的窗格法檢測(cè)結(jié)果要優(yōu)于傳統(tǒng)窗格法， 具有一定的使用價(jià)值。 另外由于窗格法盲元檢測(cè)受到被測(cè)圖像的影響， 所以傳統(tǒng)窗格法的相對(duì)誤差會(huì)大一些。 由于探測(cè)器采集標(biāo)準(zhǔn)黑體面源， 圖像相對(duì)穩(wěn)定， 盲元檢測(cè)率較高。

窗格響應(yīng)率檢測(cè)算法以9×9的滑動(dòng)窗口掃描圖像， 通過(guò)解算中心點(diǎn)的灰度值的平均值和均方差， 來(lái)判斷該點(diǎn)是否為盲元。 算法步驟為

(1) 以9×9滑動(dòng)窗口內(nèi)的所有像素的灰度平均值進(jìn)行查找， 找出最大值和最小值；

(2) 去掉最大值和最小值， 求出窗口內(nèi)剩余像素灰度值的平均值和均方差；

(3) 比較平均值與最大值和最小值之差的百分比進(jìn)行初步判斷；

其中：GP為中心點(diǎn)灰度值；GE為9×9區(qū)域灰度平均值；GS為9×9區(qū)域灰度均方差。 如果一點(diǎn)經(jīng)過(guò)步驟(3)和(4)均判斷為盲元， 且連續(xù)幾幀圖像同一坐標(biāo)上的點(diǎn)一直被判斷為盲元， 則判定該點(diǎn)為盲元。 利用9×9窗口響應(yīng)率檢測(cè)盲元的結(jié)果圖如圖3所示。

圖3窗格響應(yīng)率盲元檢測(cè)

2.2中值濾波盲元檢測(cè)

采用中值濾波對(duì)同一探測(cè)器， 在不同的面源黑體溫度下采集到的圖像進(jìn)行盲元檢測(cè)， 利用9×9窗格， 以27 ℃為基準(zhǔn)溫度， 在基準(zhǔn)溫度下， 絕大多數(shù)的像元點(diǎn)灰度為0， 隨著面源黑體溫度的升高， 像元點(diǎn)的灰度值也隨之升高， 經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試， 選取27～35 ℃這一溫度段， 當(dāng)溫度到達(dá)35 ℃時(shí)， 像元點(diǎn)的灰度值可以達(dá)到255， 如圖4所示。 其中圖4(a)為27 ℃(基準(zhǔn)溫度)時(shí)的盲元， 圖4(b)為32 ℃時(shí)的盲元。

由于像元點(diǎn)的灰度值會(huì)隨著溫度的升高而升高， 對(duì)比檢測(cè)到的盲元個(gè)數(shù)如表2所示， 可以得知在灰度值接近0時(shí)， 中值算法會(huì)將死像元判斷為正常像元； 在灰度值接近255時(shí)， 中值算法會(huì)將過(guò)熱像元判斷為正常像元。 隨著溫度的升高， 檢測(cè)到的盲元數(shù)量增加， 當(dāng)溫度差達(dá)到5 ℃時(shí)， 灰度值為130左右， 經(jīng)過(guò)多幅圖像灰度值和溫度值之間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 灰度值為80～170時(shí)， 盲元點(diǎn)的檢測(cè)才相對(duì)準(zhǔn)確。 實(shí)驗(yàn)所用探測(cè)器檢測(cè)到盲元數(shù)量變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖4　中值濾波檢測(cè)到的盲元

圖5檢測(cè)到盲元數(shù)與目標(biāo)溫度關(guān)系趨勢(shì)圖

3　盲元補(bǔ)償

3.1鄰域替代盲元補(bǔ)償

鄰域替代法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的利用窗格內(nèi)空間相關(guān)性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?是對(duì)某一幀原始圖像中檢測(cè)出的盲元點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖詈?jiǎn)單的算法， 將盲元點(diǎn)的灰度值利用其四周八個(gè)點(diǎn)的灰度平均值來(lái)代替， 其中Pi,j表示盲元點(diǎn)的位置：

鄰域替代法對(duì)于孤立的單點(diǎn)的盲元具有很好的補(bǔ)償效果， 但是當(dāng)某一區(qū)域內(nèi)具有較多盲元時(shí)， 例如在一個(gè)3×3區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)經(jīng)過(guò)盲元檢測(cè)， 全部檢測(cè)為盲元如圖6所示， 則會(huì)出現(xiàn)無(wú)法補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

圖63×3區(qū)域內(nèi)連續(xù)盲元點(diǎn)分布圖

鄰域替代法很難實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)盲元的補(bǔ)償， 如果采用多次鄰域替代補(bǔ)償法， 首先需要將連續(xù)盲元區(qū)域邊緣的盲元補(bǔ)償為正常盲元， 然后對(duì)補(bǔ)償后的圖像再次進(jìn)行鄰域替代法盲元補(bǔ)償， 就可以逐步消除盲元， 實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的盲元補(bǔ)償。 但這種做法計(jì)算量過(guò)大， 消耗大量時(shí)間， 并且對(duì)于中心盲元點(diǎn)的補(bǔ)償結(jié)果需要進(jìn)行判斷， 過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。

3.2改進(jìn)盲元補(bǔ)償算法

由于鄰域替代法無(wú)法解決連續(xù)盲元問(wèn)題， 多次運(yùn)用鄰域替代法計(jì)算量大， 且需要占用硬件資源。 線性插值補(bǔ)償盲元時(shí)， 如果中心盲元點(diǎn)離最近的正常像元過(guò)遠(yuǎn)， 則補(bǔ)償后可能會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象。 本文采用一種改進(jìn)的盲元檢測(cè)算法， 對(duì)于非連續(xù)盲元， 采用簡(jiǎn)單的盲元補(bǔ)償手段， 以較少的硬件資源進(jìn)行補(bǔ)償， 通過(guò)算法盡量選取盲元點(diǎn)附近的正常像元點(diǎn)， 進(jìn)行盲元補(bǔ)償， 從而減小連續(xù)盲元補(bǔ)償時(shí)容易產(chǎn)生的圖像失真問(wèn)題， 改進(jìn)的盲元補(bǔ)償解算公式為

盲元補(bǔ)償?shù)木唧w步驟如下：

(1) 根據(jù)盲元檢測(cè)的結(jié)果， 確定盲元點(diǎn)的位置坐標(biāo)， 記為P(i,j)；

(2) 對(duì)原始圖像P(1)運(yùn)用鄰域替代法， 進(jìn)行盲元補(bǔ)償， 得到的結(jié)果圖記為P(2)；

(3) 對(duì)P(2)圖像進(jìn)行盲元點(diǎn)的確定， 坐標(biāo)記為Q(i,j)；

(4) 對(duì)于盲元點(diǎn)Qn(i,j)， 選取該點(diǎn)上下左右四個(gè)方向上的第一個(gè)非盲元點(diǎn)， 分別確定a,b,c,d的大??；

運(yùn)用鄰域替代法、線性插值法和改進(jìn)算法進(jìn)行盲元補(bǔ)償后的結(jié)果如圖7所示。 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膱D像采用9×9窗口響應(yīng)率檢測(cè)法得到的盲元圖像。 三種方法的對(duì)比如表3所示。

圖7　不同算法盲元補(bǔ)償結(jié)果圖

4　結(jié)　　論

盲元作為熱成像系統(tǒng)的重要問(wèn)題， 在測(cè)試過(guò)程中會(huì)直接或者間接的影響探測(cè)器其他指標(biāo)的判定。 通過(guò)9×9窗格法可以相對(duì)準(zhǔn)確的檢測(cè)出盲元點(diǎn)的位置和數(shù)量， 而中值濾波方法可以判斷出圖像灰度值、黑體面源溫度和盲元檢測(cè)數(shù)量之間的關(guān)系。 采用改進(jìn)后的盲元檢測(cè)算法對(duì)盲元進(jìn)行補(bǔ)償， 可以補(bǔ)償?shù)舸蠖鄶?shù)的盲元點(diǎn)， 補(bǔ)償效果與傳統(tǒng)方法相比較更好一些。

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Blind Pixel Detection and Compensation on Infrared Detector

An Guangqi, Zhao Yan, Zhang Haifeng

(School of Instrumentation Science and Opto-Electronics Engineering, Beihang University， Beijing 100191， China)

The number of the blind pixel is an important parameter in the infrared imaging system. By the way of the 9×9 pane response method and the median filtering method, the number and position of the blind pixel is determined. The relationship between blind pixel detection rate and image grey value is determined by the median filtering method. With the improved algorithm to compensate blind pixel, the hardware occupancy rate and image distortion rate are reduced, the effect of blind pixel compensation is enhanced.

infrared detector; blind pixel detection; blind pixel compensation; image gray; performance evaluation

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.012

2015-07-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61233005); 國(guó)家“973”計(jì)劃(2014CB744200); 航空科學(xué)基金項(xiàng)目(20110112007)

安廣齊(1990-)， 男， 黑龍江齊齊哈爾人， 碩士研究生， 研究方向?yàn)榧t外成像與導(dǎo)航。

TN216

A

1673-5048(2016)03-0054-05