凝视红外成像信息处理系统图像预处理方法与系统软件研究

摘要

由红外焦平面阵列构成的凝视红外成像系统，是目前红外成像系统的主要发展方向。而红外焦平面阵列存在的非均匀性响应和无效像元，在很大程度上限制了系统的探测性能，是系统研制中的关键问题。同时支持并行处理的操作系统软件，也是研制红外图像并行处理系统中的重要内容。本文针对红外焦平面阵列的非均匀性校正方法、无效像元检测方法、校正与补偿预处理的硬件实现以及红外图像并行处理系统的操作系统软件开展了研究，主要工作包括：针对红外焦平面阵列的非均匀性校正问题，在标定类校正方法和自适应校正方法两方面展开研究。根据标定类校正方法的基本原理和探测元的非线性响应特性，从实时实现的角度出发，提出了最优分段线性校正和最优多项式校正两种标定类校正方法。与目前已有的同类方法相比，两种新方法具有更好的校正性能。在自适应校正方面，针对经典空域自适应校正算法中存在的目标退化、伪像问题，以及抑制空间低频非均匀性噪声存在的不足进行了分析。找出了问题产生的根源，并分别提出了边缘指导的自适应校正方法和空域自适应校正与标定相结合的校正方法。实验结果表明，新方法克服传统方法存在的不足，具有良好的校正性能。 为有效检测红外焦平面中的无效像元，将无效像元的检测判别问题等效成检测判别有效像元的问题，提出了基于响应特征直方图分解的红外焦平面阵列无效像元检测方法。与目前常用方法相比，新方法充分考虑了有效像元响应特征，从而能够更为准确地检测无效像元。同时，考虑到直方图分解方法的具体算法实现问题，通过引入多分辨率的思想，提出了基于两阶段搜索的自适应正交投影分解快速实现算法。与目前已有的实现算法相比，新算法不但计算量少，而且信号分解效果更好。 针对IRFPA成像系统中非均匀性校正与无效像元补偿的硬件实现问题，利用FPGA技术，设计了非均匀性校正与无效像元补偿的图像预处理电路模块。与目前已有的设计方法相比，该预处理模块可以处理连续分布无效像元；同时在保证较高精度的前提下，能够尽量节省FPGA逻辑资源和存放系数的内存资源，有利于信息处理系统的小型化。 针对多DSP构成的多计算机体系结构的实时红外图像处理系统，为了给实时算法软件的开发提供系统级的支持环境，设计并实现了面向并行图像处理的嵌入式实时操作系统PIPORTEOS。PIPORTEOS基于微内核体系结构，通过消息传递完成分布式扩展从而支持系统的分布式处理。其具有良好的实时性、可移植性和容错性，已在Ti公司目前最新、速度最快的定点DSP芯片TMS320C64以及浮点DSP芯片TMS320C67上运行。