基于黑体的自适应选点多点非均匀性校正.pdf
《基于黑体的自适应选点多点非均匀性校正.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于黑体的自适应选点多点非均匀性校正.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023年 云光技术 第55卷 第2期 42 基于黑体的自适应选点多点非均匀性校正 李亚宸,薛文恺,孔羚宇,黄江涛(昆明北方红外技术股份有限公司,云南 昆明 650217)摘要:红外成像受探测器材料工艺的不足、读出电路的非均匀性、温度和光学结构的影响,具有非均匀性,原始的红外图像需要进行非均匀性校正。非均匀性校正一般分为基于定标和基于场景两种,其中基于定标的两点校正得到了广泛的应用。本文基于现有的基于定标的校正算法,分析探测器响应曲线,提出一种基于三阶多点校正算法,既能更好的拟合探测器相应曲线,又能更好的校正离散点。对于所需要定标点,与待校正图像进行自适应的对比选点,选出待校正图像温度附近效果
2、最好的点,最终计算量大大降低,且精度和准确率得到了一定的提升。关键词:红外图像;非均匀性校正;多点校正;自适应 Adaptive Point Selection Multipoint Nonuniformity Correction Based on Black Body LI Yachen,XUE Wenkai,KONG Lingyu,HUANG Jiangtao(Kunming North Infrared Technology Co.Ltd.,Kunming 650217,China)Abstract:Infrared imaging has nonuniformity due to i
3、nadequate detector material processing,nonuniformity of readout circuit,temperature and optical structure.The original infrared image needs to be corrected for nonuniformity.Non-uniformity correction is generally divided into two types:calibration-based and scene-based.Two-point calibration based on
4、 calibration is widely used.In this paper,based on the existing calibration-based calibration algorithm,the response curve of the detector is analyzed,and a three-dimensional multipoint calibration algorithm is proposed,which can not only better fit the corresponding curve of the detector,but also b
5、etter correct the discrete points.For the desired punctuation point,make an adaptive comparison with the image to be corrected,and select the best point near the temperature of the image to be corrected for comparison.The result shows that the computational load is greatly reduced,and the accuracy a
6、nd accuracy are improved.Key words:infrared image,non-uniformity correction,multipoint correction,adaptive 0 引言 红外成像技术是一种利用物体发出的红外辐射来获取光信号的方法,这些辐射无法被人类视觉感知,但它们可以被转换成电信号,从而被用于观察和记录物体的细节。红外成像系统进行能量转换,光学系统部分接受被测目标的红外辐射,通过光谱滤波,将红外辐射能量分布图反射到焦平面上的红外探测器阵列的各光散元上。作为红外辐射测量系统的核心元件之一,红外探测器的非均匀性将影响红外成像质量与辐射测量精度。
7、另外,由于材料、制造工艺和工作环境等因素1-3,基于黑体的自适应选点多点非均匀性校正 李亚宸,薛文恺,孔羚宇,等43 在辐照均匀条件下各像元的响应灰度值并不相同,导致探测器普遍存在非均匀性问题。红外探测器发出的信号需要经过读出电路进行放大,放大电路也容易产生红外图像的非均匀性1,4。扫描型红外探测器通常是线阵红外探测器,通过光机结构按线列进行扫描,产生运动,同一线列的输出图像有同一个像元多次积分得到,经过同一个读出电路,但相邻两个线列之间的读出电路不同,因此扫描型探测器的不同线列会导致非均匀性需要进行非均匀性校正。凝视型红外焦平面阵列探测器目前广泛用于军事、民用领域,因制作工艺和材料引起的非均
8、匀性仍严重影响成像效果,需要通过非均匀校正才能达到实际应用要求。其次,光学系统的结构原因也会导致中间像元与边缘像元的非均匀性产生。最后,在成像状态下探测器会产生热耗,温度的影响也会造成探测器的像元温度分布不均匀,引发成像的非均匀性。现阶段红外热像产品所沿用的非均匀性校正主流方法是两点校正,两点校正是一种将探测器响应曲线近似为直线的校正方法。但由于将响应曲线近似为直线,对整条温度曲线的泛化性较差,在实际运用中往往需要分温区进行标定,因此对标定的要求较高;而且,当选取的两个温度点对应灰度值相同时,校正因子会受到影响,从而导致效果受到影响。由于两点校正的不足,近年来也有学者提出各种基于定标的非均匀性
9、校正算法。王成龙等在文章6提出了一种以单点定标和两点定标非均匀性校正方法为基础的校正算法,保留两点定标非均匀性校正方法增益校正系数,再通过采集第三个温度点计算偏置系数;关同辉等在文章5提出一种基于光轮装置的实时两点算法;黄宇等在文章9提出一种自适应定标的多点的多段直线算法;张海斌等在文章11提出一种二阶多点算法,这些算法都改善了非均匀性校正质量。1 基于定标的非均匀性校正 非均匀性影响到红外探测器的探测灵敏度和空间分辨率,降低了红外图像的性能质量,因此在图像处理之前,要进行非均匀性校正。非均匀性校正主要分为基于定标的校正和基于场景的校正两种。探测器的响应曲线是非线性的,如图 1 所示。图 1
10、探测器温度响应曲线 1eBT CAPD (1)式中:A、B、C、D 都是影响因子。为了拟合输入红外辐射和响应灰度值的关系,采用基于定标2023年 云光技术 第55卷 第2期 44 的方式建立探测器响应曲线。单点校正和两点校正将探测器真实响应曲线在一定区间下看作关于温度的一次函数:1122,X i jG i j TOY i jGi j TO (2)式中:X(i,j)是探测器第(i,j)个像元的实际响应;Y(i,j)是探测器第(i,j)个像元的理想响应;G1和 O1分别是探测器实际响应曲线的偏置和增益矩阵;G2和 O2分别是探测器理想响应曲线的偏置和增益矩阵。由上所述,若假设探测器的实际响应曲线
11、X 和校正后的理想曲线 Y 都是关于温度 T 的一次函数,则能够得到两者之间的关系也为一次函数:Y(i,j)Gi,jX(i,j)Oi,j (3)式中:Gi,j是第(i,j)像元的偏置值;Oi,j是第(i,j)像元的增益值。1.1 单点校正 单点校正选取温度点 T0,求出该温度点下的平均灰度值0,Y i j T,将所有像元的输出像元曲线平移到(T0,0,Y i j T)这个点上,就形成了每个像元的理想响应曲 Y(i,j)线,又已知探测器实际响应 X(i,j),因此只需要求出 X(i,j)到 Y(i,j)的变换即可完成单点校正。可知,单点校正只改变了响应曲线的增益,不改变相应矩阵的偏置。则能够得出
12、校正变换:00,Y i jX i jOOY i j TX i j T (4)式中:X(i,j)T0是在此温度下的实际响应灰度值。由公式(4)可知,单点校正只改变响应曲线的增益,不改变偏置。1.2 两点校正 两点校正则是选取一高一低两个温度点 T1和 T2,分别求这两个温度点下的平均值1,Y i j T和2,Y i j T,则所有像元的理想输出曲线应该是一致的,即 Y(i,j)这个曲线可以通过(T1,1,Y i j T),(T2,2,Y i j T)这两个点确认。同样的,只需要求出 X(i,j)到 Y(i,j)的变换即可。则根据以上,由一次函数:Y(i,j)Gi,jX(i,j)Oi,j (5)由
13、最小二乘法,能够得出偏置矩阵和增益矩阵:,2,1,2,1,1,2,2,1,2,1*i ji ji ji ji ji ji ji ji ji ji ji jYTYTGXTXTYTYTYTYTOXTXT (6)基于黑体的自适应选点多点非均匀性校正 李亚宸,薛文恺,孔羚宇,等45 两点校正以后,校正后的效果较好。然而由于近似为直线,对整条温度曲线的泛化性较差,在实际运用中往往需要分温区进行标定,因此对标定的要求较高;其次,由公式可知,分母是两个温度点的实际灰度值的差值,当选取的两个温度点对应灰度值相同时,校正效果会受到影响。2 改进的非均匀性多点算法 复现基于定标的非均匀性算法,发现定标对于算法的影
14、响极大,如若定标点的选取不够准确,则不能做到很好的拟合曲线,泛化性不好。其次,多点直线算法需要存储大量的偏置系数和增益系数,资源占用率大。因此,在对探测器实际响应温度对应值进行MATLAB拟合后发现,在三阶时与曲线拟合程度最大,因此将温度作为中间系数,研究了一种三阶多点算法。2.1 多点算法原理 在数学中,泰勒公式能够用多项式来近似表示函数在某个点的情况。由上文描述可知,探测器对于温度的响应曲线是一个接近“S型”的函数,如果将探测器的实际响应曲线对32位灰度响应值K用MATLAB分别进行一阶、二阶和三阶拟合,能得到下列结果:图 2 探测器响应一阶、二阶、三阶拟合曲线 能看出,当为一阶拟合时精度
15、较低;二阶拟合效果较好,但由于二次函数是非单调函数,低温区的响应为非单调的,变化不符合实际规律;当采用三阶拟合时,与灰度响应值 K 较为匹配。实际响应曲线和理想曲线之间,应该有一个误差相关的参数,后文将以这个误差为主要研究对象,例如实际曲线与校正曲线间的误差平方和、平均值等表征参数。2023年 云光技术 第55 卷 第2 期 46 但上述的曲线拟合是实际响应关于温度的函数,即假设探测器实际温度响应曲线是三次的关系:XT3;校正算法需要的是探测器理想响应 Y 与实际响应 X 的关系,从而求出校正的参数,进行非均匀性校正。假设探测器在(i,j)这个点的灰度值响应 X(i,j)和在这个点的理想响应
16、Y(i,j)满足如下公式:Y(i,j)a(i,j)X(i,j)3b(i,j)X(i,j)2c(i,j)X(i,j)d(i,j)(7)式中:a(i,j)、b(i,j)、c(i,j)、d(i,j)分别为三阶、二阶、一阶响应因子和截距因子。要将实际响应进行非均匀性校正,就是要选取合适的温度定标点,能够计算得出对应的影响因子。迁移应用于其他温度点上,当输入的待校正图像为任意温度时,能够求出该温度点的影响因子,进而进行三阶计算校正。实际算法按如下流程进行:1)首先按等间距(本实验为 5)选取适当的温度定标点,每个温度点得到按帧率采取的100 张图像,将每个像素点取平均值,能够得到该温度点的一幅总体图像。
17、该步骤的目的是减弱随机噪声,减弱死像元和过热像元的影响,得到输入的原始图像 X(i,j),如图 3 所示。图 3 输入采集图片处理 2)接下来求理想响应值 Y(i,j)。求出每个温度点输入图像的平均值,X i j,为了方便后续矩阵计算,将它乘以一个符合输入图片分辨率的全一矩阵,转换成矩阵形式。由于是将黑体作为探测目标进行的,即在正常情况下,探测器灰度值响应应该一致,图像的所有像元应该为同一灰度值,用该图像的平均值代替。因此图像的平均值矩阵就是探测器理想响应值 Y(i,j);图 4 理想响应值矩阵处理 3)三阶至少需要 4 个温度点,由假设的三阶校正关系按温度展开可得:3211113222223
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 黑体 自适应 选点 多点 均匀 校正
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。