一种基于鱼眼镜头的红外图像非均匀性校正方法

技术领域

本发明涉及光电探测图像处理技术领域，具体涉及一种基于鱼眼镜头的红外图像非均匀性校正方法。

背景技术

红外探测器具有成像距离远、穿透性强等特点，被广泛应用于民用领域和军事领域。但是红外探测器采用的传统镜头成像范围狭窄、视场小，严重制约了红外探测器的观测能力。为了解决这一问题，往往采用多个探测器协作、将多探测器视场进行拼接的方式，极大地增加了设备成本，并且多探测器拼接时的灰度不一致也会影响拼接图像效果。为了解决这一问题，可以利用具有大视场角的鱼眼镜头。

鱼眼镜头是一种焦距为16mm或者更短的、视场角接近甚至超过180°的镜头，是一种特殊的广角镜头。这种镜头的前镜片直径很短并且呈抛物状向镜头前部凸出，与鱼的眼睛非常相似，通常被称为“鱼眼镜头”。基于鱼眼镜头的大视场角特性，如果红外探测器采用鱼眼镜头，只需要两个探测器便可以覆盖4π空间的全部视角。可以极大地减少设备成本，同时也可以降低拼接压力。但是也会导致一个问题：利用黑体对基于鱼眼镜头的红外探测器进行红外图像非均匀性校正时，由于鱼眼镜头具有180°成像视场，探测器在采集黑体图像时，仅有中间部分可以采集到正确的黑体图像，边缘部分存在“漏光”现象，即探测器边缘一定范围只能接收到自然背景的红外图像，无法采集到黑体图像，这会严重影响红外图像的校正效果。基于鱼眼镜头的红外探测器采集黑体图像示意图如图1所示。

可见，基于鱼眼镜头的红外探测器具有180°成像视场，使用平面黑体采集红外图像数据进行非均匀性校正时，镜头边缘无法采集到黑体图像，而通过调整探测器摆放方位时，采集到的红外图像只能部分覆盖黑体，严重影响非均匀性校正，进而影响探测器的成像效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于鱼眼镜头的红外图像非均匀性校正方法，能够优化红外图像非均匀性校正效果，改善基于鱼眼镜头的红外探测器成像效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于鱼眼镜头的红外图像非均匀性校正方法，将基于鱼眼镜头的红外探测器成像范围划分为四个象限，逐步采集均匀黑体在每一个象限下的红外图像，然后将四个象限的图像拼接为一幅完整的红外图像；

其中，在红外图像非均匀性校正之前，将同一温度下采集到的四个象限的黑体图像，按照象限分布填充到空白图像中，拼接成一幅完整的黑体图像；按照这一方式，依次将采集到的数据全部进行拼接，得到拼接后的完整黑体图像数据后，进行预处理操作，为后续的红外校正提供输入数据；针对同一温度下的连续100帧拼接黑体图像，求帧平均图像，得到每一个像素点处的帧平均灰度，然后利用帧平均图像，剔除红外图像中的盲元，然后依据校正关系，求解每一个像素处的校正系数，最终将全部校正系数固化存储，对以后采集的每一幅图像进行运算补偿。

其中，在图像采集阶段采集四象限黑体红外图像中，弧线范围内的黑色部分为采集到的黑体图像，白色部分为背景环境图像；采集过程中，先将探测器开启至其状态稳定，并将黑体调整至低温5℃，待黑体温度稳定之后，通过观察黑体在探测器上的实际成像范围，逐渐调整探测器的摆放角度，直至黑体在探测器上的实际成像范围完全覆盖某个象限，开始保存探测器采集到的红外图像，保存帧数大于100帧；按照这一过程，依次采集完全覆盖第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的对应黑体温度的红外图像；然后将黑体温度调整至高温度35℃，待黑体温度稳定之后，观察黑体在探测器上的实际成像范围，逐渐调整探测器的摆放角度，直至黑体在探测器上的实际成像范围完全覆盖某个象限，开始保存探测器采集到的红外图像，保存帧数大于100帧，按照这一过程，依次采集完全覆盖第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的对应黑体温度的红外图像。

其中，依次读取低温和高温下采集的覆盖4个象限的红外图像数据，分别命名为L_1、L_2、L_3、L_4；H_1、H_2、H_3、H_4；

新建空白低温和高温红外数据，分别命名为L、H；对于像素(i,j)进行条件判断并处理：如果iM/2,jM/2,则L(i,j)＝L_3(i,j)；如果i>M/2,j>M/2,则L(i,j)＝L_4(i,j)；其中M为基于鱼眼镜头的红外探测器采集输出图像的直径像素数目。

将拼接后的L、H输出并保存；

对L、H进行预处理，低温及高温黑体红外图像预处理流程如下：

分别读取拼接后的低温和高温黑体红外图像L、H；

通过连续100帧图像，求取低温黑体红外图像L的帧平均图像ˉL＝(L1+L2+…+L100)/100；

通过连续100帧图像，求取高温黑体红外图像H的帧平均图像ˉH＝(H1+H2+…+H100)/100；

初步剔除ˉL和ˉH中的盲元，并用该盲元3X3邻域范围内非盲元像素的平均灰度替代，同时记录盲元位置信息矩阵B，若像素(i,j)为盲元，则B(i,j)＝1，否则，B(i,j)＝0。

其中，盲元判定准则如下：

盲元判定准则1：对于像素(i,j)，若红外图像灰度存在如下情况：|ˉH(i,j)-ˉL(i,j)|<(H-_mean-L-_mean)/2，则判定像素(i,j)为盲元；

盲元判定准则2：对于像素(i,j)，若红外图像灰度存在如下情况：|ˉH(i,j)-H-_mean|

其中，L-_mean和H-_mean分别为ˉL和ˉH全部像素灰度的平均值。

其中，利用预处理后的拼接后黑体红外图像，采用两点校正算法生成该基于鱼眼镜头的红外探测器的全部像素点的校正系数。

有益效果

1、本发明将基于鱼眼镜头的红外探测器成像范围划分为四个象限，逐步采集均匀黑体在每一个象限下的红外图像，然后依据一定的步骤将四个象限的图像拼接为一幅完整的红外图像。通过该象限分割拼接法，可以有效地避免180°成像视场造成的边缘“漏光现象”对基于鱼眼镜头的红外探测器的红外图像非均匀性校正的影响，优化校正效果，改善探测器最终成像效果。通过象限分割拼接法，有效地解决了基于鱼眼镜头的红外探测器180°视场在采集黑体图像时导致的边缘漏光问题，提高了红外图像非均匀性的矫正效果，提高了输出图像的质量，可充分发挥基于鱼眼镜头的红外探测器180°视场的特性。

2、本发明中，得到拼接后的完整黑体图像数据后，进行预处理操作，为后续的红外校正提供输入数据。针对同一温度下的连续100帧拼接黑体图像，求帧平均图像，得到每一个像素点处的帧平均灰度。然后利用帧平均图像，剔除红外图像中的盲元，然后依据校正关系，求解每一个像素处的校正系数，最终将全部校正系数固化存储，对以后采集的每一幅图像进行运算补偿，提高图像质量。

3、本发明在红外图像非均匀性校正之前，需要对采集到的四个象限黑体红外图像进行拼接处理，从而得到完整的黑体图像。将同一温度下采集到的四个象限的黑体图像，按照象限分布填充到空白图像中，拼接成一幅完整的黑体图像。按照这一方式，依次将采集到的100帧以上的数据全部进行拼接，从而分别得到低温和高温黑体对应的全部完整黑体图像数据。

附图说明

图1为基于鱼眼镜头的红外探测器采集黑体图像示意图。

图2为本发明采集四象限黑体红外图像过程示意图。

图3为本发明四个象限黑体红外图像拼接过程示意图

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

为了解决基于鱼眼镜头的红外图像非均匀性校正过程中“漏光”现象带来的问题，优化红外图像非均匀性校正效果，改善基于鱼眼镜头的红外探测器成像效果，本发明基于鱼眼镜头的红外图像非均匀性校正方法采用象限分割拼校正接法，具体如下：将基于鱼眼镜头的红外探测器成像范围划分为四个象限，逐步采集均匀黑体在每一个象限下的红外图像，然后依据一定的步骤将四个象限的图像拼接为一幅完整的红外图像。

在该象限分割拼接法中，在图像采集阶段采集四象限黑体红外图像过程如图2所示，其中弧线范围内的黑色部分为采集到的黑体图像，白色部分为背景环境图像。采集过程中，先将探测器开启至其状态稳定，并将黑体调整至低温5℃。待黑体温度稳定之后，通过观察黑体在探测器上的实际成像范围，逐渐调整探测器的摆放角度，直至黑体在探测器上的实际成像范围可以完全覆盖某个象限，开始保存探测器采集到的红外图像，保存帧数大于100帧。按照这一过程，依次采集完全覆盖第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的对应黑体温度的红外图像。然后将黑体温度调整至高温度35℃，待黑体温度稳定之后，观察黑体在探测器上的实际成像范围，逐渐调整探测器的摆放角度，直至黑体在探测器上的实际成像范围可以完全覆盖某个象限。开始保存探测器采集到的红外图像，保存帧数大于100帧。按照这一过程，依次采集完全覆盖第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的对应黑体温度的红外图像。在红外图像非均匀性校正之前，需要对采集到的四个象限黑体红外图像进行拼接处理，从而得到完整的黑体图像。将同一温度下采集到的四个象限的黑体图像，按照象限分布填充到空白图像中，拼接成一幅完整的黑体图像。按照这一方式，依次将采集到的100帧以上的数据全部进行拼接，从而分别得到低温和高温黑体对应的全部完整黑体图像数据。得到拼接后的完整黑体图像数据后，进行预处理操作，为后续的红外校正提供输入数据。针对同一温度下的连续100帧拼接黑体图像，求帧平均图像，得到每一个像素点处的帧平均灰度。然后利用帧平均图像，剔除红外图像中的盲元，然后依据校正关系，求解每一个像素处的校正系数，最终将全部校正系数固化存储，对以后采集的每一幅图像进行运算补偿，提高图像质量。图3为本发明四个象限黑体红外图像拼接过程示意图。

通过象限分割拼接法，可以有效地避免180°成像视场造成的边缘“漏光现象”对基于鱼眼镜头的红外探测器的红外图像非均匀性校正的影响，优化校正效果，改善探测器最终成像效果。有效地解决了基于鱼眼镜头的红外探测器180°视场在采集黑体图像时导致的边缘漏光问题，提高了红外图像非均匀性的矫正效果，提高了输出图像的质量，可充分发挥基于鱼眼镜头的红外探测器180°视场的特性。

本发明象限分割拼接校正法分为以下步骤：

步骤1，通过分象限采集黑体红外图像，可以有效地解决由于鱼眼镜头大视场导致的边缘成像漏光问题，具体流程如下：

开启基于鱼眼镜头的红外探测器并将黑体温度调整至定标温度点(低温)；

待探测器和黑体状态稳定后，开始采集黑体红外图像；如图2所示(红色弧线所围黑色部分)，通过调整探测器摆放方位(无固定角度，根据探测器实际成像状态调整即可)，依次采集完全覆盖第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的部分黑体红外图像；

将黑体温度调整至定标温度点(高温)；

待探测器和黑体状态稳定后，继续采集黑体红外图像；与低温下过程相同，通过调整探测器摆放方位，依次采集完全覆盖第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的部分黑体红外图像。

步骤2，采集到低温黑体和高温黑体的四个象限红外图像后，针对这些图像进行拼接工作，得到全幅黑体红外图像。具体拼接流程如下：

依次读取低温和高温下采集的覆盖4个象限的红外图像数据，分别命名为L_1、L_2、L_3、L_4；H_1、H_2、H_3、H_4；

新建空白低温和高温红外数据，分别命名为L、H；对于像素(i,j)进行条件判断并处理：如果iM/2,jM/2,则L(i,j)＝L_3(i,j)；如果i>M/2,j>M/2,则L(i,j)＝L_4(i,j)；其中M为基于鱼眼镜头的红外探测器采集输出图像的直径像素数目。

将拼接后的L、H输出并保存。

步骤3，拼接后黑体红外图像处理，利用拼接后的黑体红外图像L、H，可以计算校正矩阵，但是在此之前，需要对L、H进行预处理。低温及高温黑体红外图像预处理流程如下：

分别读取拼接后的低温和高温黑体红外图像L、H；

通过连续100帧图像，求取低温黑体红外图像L的帧平均图像

通过连续100帧图像，求取高温黑体红外图像H的帧平均图像

初步剔除

盲元判定准则1：对于像素(i,j)，若红外图像灰度存在如下情况：|

盲元判定准则2：对于像素(i,j)，若红外图像灰度存在如下情况：|

其中，L

步骤4，生成校正矩阵：

利用步骤3中预处理后的拼接后黑体红外图像，采用两点校正算法生成该基于鱼眼镜头的红外探测器的全部像素点的校正系数，即校正矩阵。利用低温及高温黑体红外图像生成校正矩阵流程如下：

1、分别读取预处理后的拼接后黑体红外图像数据

2、根据两点校正算法理论，在一定红外探测器第(i,j)个像元的输出信号Y(i,j)与输入辐射强度X(i,j)之间满足如下线性关系：

Y(i,j)＝K(i,j)×X(i,j)+B(i,j) (1)

3、将帧平均图像

4、由(4)-(3)可得：

解得第(i,j)个像元的响应率因子K(i,j)：

5、将(5)代入(3)，可解得第(i,j)个像元的截距因子B(i,j)：

步骤5，固化及调用校正矩阵：

对全部像元依次求解后，可得响应率因子矩阵K和截距因子矩阵B，将其存入外部存储器。此后，针对输入的每帧图像X进行运算补偿，并将Y

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。