一种宽温范围条件下的图像校准方法及系统

摘要

本发明公开了一种宽温范围条件下的图像校准方法及系统，该方法包括以下步骤：S1、使用不同温度的均匀黑体辐射作为参考源，将其从低温到高温分为多个温度段，在每个温度段内设置多个温度点，根据红外探测器某一像元校正前后的输出值，建立多项级次方程；S2、在一个温度段内，根据曲线拟合的精度确定选取的温度点数量，进而求解出该温度段内的校正系数；并求解各个温度段的校正系数；S3、在多项级次方程中加入漂移补偿因子并对其进行分解，根据最小二乘法求解修正后的校正系数，进而完成对红外图像的非均匀校正。本发明能够满足红外图像在大动态范围的非均匀性校正的要求，消除由非均匀性引起的图像噪声问题。

说明书

技术领域

本发明涉及红外图像的非均匀性校正领域，尤其涉及一种宽温范围条件下的图像校准方法及系统。

背景技术

红外成像由于具有比较强的环境适应性，对伪装目标具有较强的识别能力，其设备具有体积小、功耗低的等特点。红外成像技术由于这些特点在军事和民用领域都起到了重要的作用。然而红外探测器的自身特性，使得红外图像中存在非均匀性，并且严重影响其成像质量，所以为了得到清晰的红外图像，研究非均匀性校正技术成为必不可少的内容。

非均匀性校正一般可以分为参考辐射源的定标和基于场景的校正方法。常见的温度定标方法有一点温度校正和两点温度校正，该类方法假设在一定时间的间隔内，探测单元的响应特性保持不变；基于场景的校正方法，如时域高通滤波，神经网络等，该类方法通过场景序列的迭代估计，自适应更新校正参数。

对于宽温范围条件下的图像非均匀性校正，由于常用的一点/两点校正，其在标定点外的非均匀性较差，采用线性模型，温度动态范围较窄，并不适合宽温范围；基于场景的计算量大，容易存在“鬼影”，工程中较少应用。目前对宽温范围条件下的图像校准技术较少有应用，相关研究也比较少，因此有必要提出一种宽温范围条件下的图像校准方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中宽温度范围图像校正的非均匀性较差，温度动态范围较窄的缺陷，提供一种能够满足红外图像在大动态范围的非均匀性校正的要求，消除由非均匀性引起的图像噪声问题的宽温范围条件下的图像校准方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种宽温范围条件下的图像校准方法，包括以下步骤：

S1、使用不同温度的均匀黑体辐射作为参考源，将其从低温到高温分为多个温度段，在每个温度段内设置多个温度点，根据红外探测器某一像元校正前后的输出值，建立多项级次方程；

S2、在一个温度段内，根据曲线拟合的精度确定选取的温度点数量，设置多项级次方程的级数为温度点数量，进而求解出该温度段内的校正系数；并求解各个温度段的校正系数；

S3、引入环境温度对校正系数的影响，在多项级次方程中加入漂移补偿因子并对其进行分解，根据最小二乘法求解修正后的校正系数，进而根据修正后的校正系数完成对红外图像的非均匀校正。

进一步地，本发明的步骤S1中建立多项级次方程的方法具体为：

从低温到饱和的高温，设置三个以上的温度段，在每个温度段内通过黑体辐射源设置n个温度点，红外探测器某一像元的输出为x，校正后的输出为y，它们之间关系表示为多项级数方程：y＝K₀+K₁x+K₂x²+....+K_nxⁿ。

进一步地，本发明的步骤S2中求解一个温度段内的校正系数的方法具体为：

在一个温度段内，从曲线拟合的精度考虑n取5，即将多项级数方程转化为y＝K₅x⁵+K₄x⁴+K₃x³+A(x+B)(x+C)，通过计算得出校正系数K₅、K₄、K₃、A、B、C。

进一步地，本发明的步骤S3中对校正系数进行修正的方法具体为：

经过试验和计算得出多项级数方程的四阶以上系数较小，仅对多项级数方程得到的校正系数A、B、C进行修正；

将得到的红外图像为多个子块，分子块得到的校正系数用下标加数字来表示，对多项级数方程中的二次参数采用几何分解的方法，对加入漂移补偿因子M₁、M₂、M₃、m₁、m₂、m₃的多项级数方程进行分解，最终得到校正后的探测器两温度段之间的某像元的输出为：

y＝x³+A′(x-M₁B₁-M₂B₂-M₃)(x-m₁C₁-m₂C₂-m₃)

通过最小二乘法求解式中的M₁、M₂、M₃、m₁、m₂、m₃。

本发明提供一种宽温范围条件下的图像校准系统，包括：

多项级次方程建立单元，用于使用不同温度的均匀黑体辐射作为参考源，将其从低温到高温分为多个温度段，在每个温度段内设置多个温度点，根据红外探测器某一像元校正前后的输出值，建立多项级次方程；

校正系数计算单元，用于在一个温度段内，根据曲线拟合的精度确定选取的温度点数量，设置多项级次方程的级数为温度点数量，进而求解出该温度段内的校正系数；并求解各个温度段的校正系数；

校正系数修正单元，用于引入环境温度对校正系数的影响，在多项级次方程中加入漂移补偿因子并对其进行分解，根据最小二乘法求解修正后的校正系数，进而根据修正后的校正系数完成对红外图像的非均匀校正。

本发明产生的有益效果是：本发明的宽温范围条件下的图像校准方法，采用了多段的多项级数方程求解校正系数，较一元线性方程的两点温度校正，提高了拟合曲线的精度，同时增加了动态范围，满足宽温范围条件下的图像校准要求；增加了对环境温度的校正，进一步提高了红外图像非均匀性的处理效果，更好的适配宽温范围条件下的图像校准技术要求；能够满足红外图像在大动态范围的非均匀性校正的要求，消除由非均匀性引起的图像噪声问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的宽温范围条件下的图像校准方法的校正方法流程图；

图2是本发明实施例的宽温范围条件下的图像校准方法的具体实施例的校正方法流程图；

图3是本发明实施例的宽温范围条件下的图像校准方法的红外焦平面辐射图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的宽温范围条件下的图像校准方法，包括以下步骤：

S1、使用不同温度的均匀黑体辐射作为参考源，将其从低温到高温分为多个温度段，在每个温度段内设置多个温度点，根据红外探测器某一像元校正前后的输出值，建立多项级次方程；

建立多项级次方程的方法具体为：

从低温到饱和的高温，设置三个以上的温度段，在每个温度段内通过黑体辐射源设置n个温度点，红外探测器某一像元的输出为x，校正后的输出为y，它们之间关系表示为多项级数方程：y＝K₀+K₁x+K₂x²+....+K_nxⁿ。

S2、在一个温度段内，根据曲线拟合的精度确定选取的温度点数量，设置多项级次方程的级数为温度点数量，进而求解出该温度段内的校正系数；并求解各个温度段的校正系数；

求解一个温度段内的校正系数的方法具体为：

在一个温度段内，从曲线拟合的精度考虑n取5，即将多项级数方程转化为y＝K₅x⁵+K₄x⁴+K₃x³+A(x+B)(x+C)，通过计算得出校正系数K₅、K₄、K₃、A、B、C。

S3、引入环境温度对校正系数的影响，在多项级次方程中加入漂移补偿因子并对其进行分解，根据最小二乘法求解修正后的校正系数，进而根据修正后的校正系数完成对红外图像的非均匀校正。

对校正系数进行修正的方法具体为：

经过试验和计算得出多项级数方程的四阶以上系数较小，仅对多项级数方程得到的校正系数A、B、C进行修正；

将得到的红外图像为多个子块，分子块得到的校正系数用下标加数字来表示，对多项级数方程中的二次参数采用几何分解的方法，对加入漂移补偿因子M₁、M₂、M₃、m₁、m₂、m₃的多项级数方程进行分解，最终得到校正后的探测器两温度段之间的某像元的输出为：

y＝x³+A′(x-M₁B₁-M₂B₂-M₃)(x-m₁C₁-m₂C₂-m₃)

通过最小二乘法求解式中的M₁、M₂、M₃、m₁、m₂、m₃。

如图2所示，在本发明的另一个具体实施例中，该方法包括以下步骤：

首先将参考辐射源(黑体)从低温到高温分三个以上温度段，在每个温度段内取5个温度点，利用公式(1)，计算出校正系数K₅、K₄、K₃、A、B、C：

y＝K₅x⁵+K₄x⁴+K₃x³+A(x+B)(x+C)(1)

如图3所示，可知红外焦平面成像除了与目标源的温度还和环境背景温度有关，也就是认为，环境温度同样也影响着图像的非均匀性：

取两段多项级数方程，设一段环境温度为T_s1时，通过求解计算得到其校正系数为A₁、B₁、C₁，另一段环境温度为T_s2时，同样得到此时其校正系数为A₂、B₂、C₂。当温度由T_s1到T_s2，探测器整体受环境温度的影响发生漂移，非均匀性变差。可得校正模型如下式：

$\begin{array}{c}{A}^{\prime }=A_1+\frac{\left(A_2-A_1\right)\left(T-T_{s1}\right)}{T_{s2}-T_{S1}}\\ B^{\prime }=M_1{B}_1+M_2{B}_2+M_3\\ C^{\prime }=m_1{C}_1+m_2{C}_2+m_3\end{array}---\left(2\right)$

式中M₁、M₂、M₃、m₁、m₂、m₃为漂移补偿因子。

然后，将红外图像按照一定等分，分多个像元集块，(这里建议按照像面大小的十等分为宜)，在各个像元集块内，计算像元非均匀性按照公式(1)可表示为：

Y-(K₅x⁵+K₄x⁴+K₃x³)＝A′(X-M₁B₁-M₂B₂-M₃)(X-m₁C₁-m₂C₂-m₃)(3)

在每个像元集块校正后的Y数据中，搜索小于一定阈值的像素对，则相邻像素之间的差异可以表示为：

$\begin{array}{c}E=A^{\prime }\left(a\right)\left(X\left(a\right)-M_1{B}_1\left(a\right)-M_2{B}_2\left(a\right)-M_3\right)\left(X\left(a\right)-m_1{C}_1\left(a\right)-m_2{C}_2\left(a\right)-m_3\right)-\\ A^{\prime }\left(b\right)\left(X\left(b\right)-M_1{B}_1\left(b\right)-M_2{B}_2\left(b\right)-M_3\right)\left(X\left(b\right)-m_1{C}_1\left(b\right)-m_2{C}_2\left(b\right)-m_3\right)\end{array}---\left(4\right)$

考虑到简化计算，这里计算漂移补偿因子时设：

Q₁＝A′(a)X(a)-A′(b)X(b)

Q₂＝A′(a)B₁(a)-A′(b)B₁(b)

Q₃＝A′(a)B₂(a)-A′(b)B₂(b)

Q₄＝A′(a)-A′(b)(5)

对公式(3)简化计算，如下：

Y-(K₅x⁵+K₄x⁴+K₃x³)＝A′(X-M₁B₁-M₂B₂-M₃)²>

依照y＝a²(x-b)²采用最小二乘法简化计算漂移补偿因子，对所有像素求取平方和可得：

$\begin{array}{c}\Sigma {E_1}^2=\Sigma Q_1^2+M_1^2\Sigma Q_2^2+M_2^2\Sigma Q_3^2+M_3^2\Sigma Q_4^2-2M_1\Sigma Q_1{Q}_2-2M_2\Sigma Q_1{Q}_3-\\ 2M_3\Sigma Q_1{Q}_4+2M_1{M}_2\Sigma Q_2{Q}_3+2M_3{M}_1\Sigma Q_2{Q}_4+2M_3{M}_2\Sigma Q_3{Q}_4\end{array}---\left(7\right)$

在满足等式左边最小的情况下，求取相关系数：

对M₁、M₂、M₃分别求偏导可得：

$M_1\Sigma Q_2^2-\Sigma Q_1{Q}_2+M_2\Sigma Q_2{Q}_3+M_3\Sigma Q_2{Q}_4=0$

$M_2\Sigma Q_3^2-\Sigma Q_1{Q}_3+M_1\Sigma Q_2{Q}_3+M_3\Sigma Q_3{Q}_4=0$

$M_3\Sigma Q_4^2-\Sigma Q_1{Q}_4+M_1\Sigma Q_2{Q}_4+M_2\Sigma Q_3{Q}_4=0---\left(8\right)$

求解上述方程(8)可得M₁、M₂、M₃，采用公式(5)-(8)同理可得m₁、m₂、m₃，从而获得整个校正系数。根据调整后的校正系数完成非均匀性校正，然后输出最终效果图，完成了宽温度范围条件下的图像校准。

本发明实施例的宽温范围条件下的图像校准系统，包括：

多项级次方程建立单元，用于使用不同温度的均匀黑体辐射作为参考源，将其从低温到高温分为多个温度段，在每个温度段内设置多个温度点，根据红外探测器某一像元校正前后的输出值，建立多项级次方程；

校正系数计算单元，用于在一个温度段内，根据曲线拟合的精度确定选取的温度点数量，设置多项级次方程的级数为温度点数量，进而求解出该温度段内的校正系数；并求解各个温度段的校正系数；

校正系数修正单元，用于引入环境温度对校正系数的影响，在多项级次方程中加入漂移补偿因子并对其进行分解，根据最小二乘法求解修正后的校正系数，进而根据修正后的校正系数完成对红外图像的非均匀校正。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。