CN113538314B - 四波段共光轴光电成像平台及其图像融合处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的四波段共光轴光电成像平台及其图像融合处理方法，属于光电探测和图像处理技术领域。本发明提供一种四波段共光轴光电成像平台和一种多波段图像融合处理方法，通过所述四波段共光轴光电成像平台能够同时获取目标场景中的四波段图像，在所述四波段共光轴光电成像平台上结合所述四波段图像融合处理方法能够完成四波段彩色融合、三波段、双波段融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。此外，本发明还公开一种中波红外和长波红外双波段比色测温方法，能够与多波段图像融合处理方法并行应用，拓展四波段共光轴光电成像平台应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种四波段共光轴光电成像平台及其图像融合处理方法，属于光电探测和图像处理技术领域。
背景技术
随着多波段成像探测器技术的发展，多波段融合成像技术展现出广泛的应用前景。可见光+近红外、短波红外、中波红外和长波红外是目前最常用的光电成像波段。可见光+近红外波段具有与人眼视觉习惯一致的场景细节纹理信息；在常温情况下短波红外主要属于反射信息成像，且其传输特性优于可见光，目标场景的信息差异与可见光波段也有较为明显的差异；中波红外和长波红外主要反映目标场景的热辐射信息，与反射特性存在明显的差异，且中波红外和长波红外的辐射特性也有各自特点，以往常用于测温、装甲目标识别等。因此，四个波段均包含目标场景特性的不同方面，即增加了目标场景的波谱信息，这些信息的有效利用或融合已成为提升光电成像系统侦察能力的有效手段。
目前，一方面以硅基CCD/CMOS的可见光+近红外成像探测器性能不断提升，另一方面，短波、中波和长波红外焦平面探测器阵列(InfraRed Focal Plane Array,IRFPA)技术也得到迅速发展，且双色甚至多色红外焦平面探测器技术已走向实用，即多波段成像传感器技术已然或逐渐成熟。但目前对于多波段图像处理方法的研究不足，虽然双波段图像融合方法的研究已取得一些进展，除一些简单的加权叠加算法外，基于色彩传递的自然感彩色融合算法具有计算量小，便于实时处理，已应用于可见光与红外的彩色夜视装备；近年来深度学习的方法也在图像融合方面也展现发展势头。由于多波段成像探测器整体上系统复杂，价格较高，且需要多通道配准、图像预处理等环节配套，限制了多波段图像处理算法的有效开展，即多波段光电成像平台也限制了处理算法研究发展。
发明内容
本发明目的是提供一种四波段共光轴光电成像平台和一种多波段图像融合处理方法，通过所述四波段共光轴光电成像平台能够同时获取目标场景中的四波段图像，在所述四波段共光轴光电成像平台上结合所述四波段图像融合处理方法能够完成四波段彩色融合、三波段、双波段融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。此外，本发明还公开一种中波红外和长波红外双波段比色测温方法，能够与多波段图像融合处理方法并行应用，拓展四波段共光轴光电成像平台应用范围。
所述四波段指可见光+近红外、短波红外、中波红外、长波红外四个波段。三波段指上述四波段中任选三种波段。双波段指上述四波段中任选两种波段。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的四波段共光轴光电成像平台，包括多波段窗口、四波段共光轴光学系统、可见光+近红外成像组件、短波红外成像组件、中波红外成像组件、长波红外成像组件、数字视频处理板。
所述四波段共光轴光学系统包括第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜。
所述数字视频处理板用于根据图像处理算法进行对应图像处理。
所述成像组件包括物镜和机芯。
所述的第一分束镜与多波段窗口横截面夹角为45°，第二分束镜与第一分束镜夹角为90°，第三分束镜与第一分束镜夹角为0°，进而实现四波段共光轴光学系统共光轴。为了避免损失视场，保证经过分束镜的光束之间无交叠，第二分束镜下端点需要在第一分束镜上端点的上方，第三分束镜右端点需要在第一分束镜左端点的左边。
本发明公开的四波段共光轴光电成像平台，通过调整四波段共光轴光学系统、可见光+近红外成像组件、短波红外成像组件、中波红外成像组件、长波红外成像组件实现四波段图像的光学配准。
所述光学配准的调整方法通过如下步骤实现。
配准步骤一：粗调。将可见光+近红外成像组件、短波红外成像组件、中波红外成像组件、长波红外成像组件和第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜大致调整到规定的位置。
配准步骤二：微调长波红外成像组件，使长波红外成像组件光轴垂直于多波段窗口后固定。以长波红外成像组件为基准，完成配准步骤二后，通过配准步骤三、四、五、六调整其他光学器件，完成其他光学器件配准工作。
配准步骤三：以长波红外成像组件获取的长波红外图像为基准，观察短波红外成像组件获取的短波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整短波红外成像组件、第一分束镜的z轴旋转角和俯仰旋转角配准短波红外图像与长波红外图像，即确定了短波红外成像组件和第一分束镜的位置。
所述短波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为短波红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2。
配准步骤四：以长波红外成像组件获取的长波红外图像为基准，观察中波红外成像组件获取的中波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整中波红外成像组件、第二分束镜的z轴旋转角和俯仰旋转角配准中波红外图像与长波红外图像，即确定了中波红外成像组件和第二分束镜的位置。
所述中波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为中波红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2。
配准步骤五：以长波红外成像组件获取的长波红外图像为基准，观察可见光+近红外成像组件获取的可见光+近红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整可见光+近红外成像组件、第三分束镜的z轴旋转角和俯仰旋转角配准可见光+近红外图像与长波红外图像，即能够确定可见光+近红外成像组件和第三分束镜的位置。
所述可见光+近红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为可见光+近红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2。
配准步骤六：观察可见光+近红外成像组件获取的可见光+近红外图像、短波红外成像组件获取的短波红外图像、中波红外成像组件获取的中波红外图像、长波红外成像组件获取的长波红外图像的灰度叠加图像，确定四个波段的图像完全配准。
所述可见光+近红外图像、短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像的灰度叠加图像，为可见光+近红外图像、短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像对应像元灰度值之和的1/4。
场景的入射辐射从多波段窗口进入，经过第一分束镜后，中波红外、长波红外波段的辐射经过透射进入第二分束镜，可见光+近红外、短波红外波段的辐射经过反射进入第三分束镜。中波红外波段辐射被第二分束镜反射后进入中波红外组件聚焦成像，长波红外波段辐射经过第二分束镜透射后进入长波红外组件聚焦成像，可见光+近红外波段辐射被第三分束镜反射后进入可见光+近红外组件聚焦成像，短波红外波段辐射经过第三分束镜透射后进入短波红外组件聚焦成像。通过四波段共光轴光电成像平台同时获取目标场景中的四波段图像信息。根据应用需要将四波段图像信息输入数字视频处理板。所述数字视频处理板根据选用的图像处理算法进行对应图像处理。即在所述四波段共光轴光电成像平台上结合所述四波段图像融合处理方法能够完成四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
本发明还公开一种多波段图像融合处理方法，包括如下步骤：
图像融合步骤一：同时获取目标场景中的四波段图像信息。
图像融合步骤二：对图像融合步骤一获取的四波段图像信息进行预处理，得到预处理后的四波段图像信息。所述的预处理包括：对短波红外图像进行盲元校正，对中波红外图像、长波红外图像分别进行非均匀性校正；对短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像分别进行增强。
图像融合步骤三：将图像融合步骤二得到预处理后的四波段图像信息在YUV空间进行式(1)的线性组合，得到对应波段的初始彩色图像及对应参数，所述对应参数包括融合图像的亮度通道Yi、蓝色差分量Ui和红色差分量Vi。
式中，Vis、SWIR、MWIR和LWIR分别表示可见光+近红外、短波红外、中波红外以及长波红外图像；k1,k2,k3,k4,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7和m8为均正有理数，为经验值，且k1+k2>k3+k4，通过调整所述12个参数的值可控制参与融合的波段，对应实现四波段图像融合、三波段图像融合、双波段图像融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富。Ui和Vi分别对应蓝色和红色差分量，能够使可见光+近红外Vis与短波红外图像反映在蓝色差通道，使中波红外与长波红外图像分别反映在红色差通道，得到较符合人眼的视觉特性的彩色图像；Yi为融合图像的亮度通道，即为多波段图像的灰度融合结果。
图像融合步骤四：根据图像融合步骤三得到的对应波段的初始彩色图像及对应参数，将所述对应参数代入式(2)，即将参考图像的颜色传递给初始彩色化图像及对应参数，所述对应参数包括Yi、Ui、Vi。
其中，Yo,Uo,Vo分别为最终得到的彩色融合图像的YUV各通道；σT,Y,σT,U,σT,V和σi,Y,σi,U,σi,V分别为彩色参考图像和初始彩色图像YUV各通道的标准差；μT,Y,μT,U,μT,V和μi,Y,μi,U,μi,V分别为彩色参考图像和初始彩色图像YUV各通道的均值。
图像融合步骤五：根据应用需要，通过调整步骤三所述12个参数的值控制参与融合的波段，按照图像融合步骤三、四实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
所述四波段指可见光+近红外、短波红外、中波红外、长波红外四个波段。三波段指上述四波段中任选三种波段。两波段指上述四波段中任选两种波段。
作为优选，所述一种多波段图像融合处理方法在所述四波段共光轴光电成像平台应用，实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
作为优选，在所述四波段共光轴光电成像平台不仅能够应用一种多波段图像融合处理方法，还能够选用中波红外和长波红外双波段比色测温方法、异源图像配准算法，进行中波红外和长波红外双波段比色测温、异源图像配准等多波段图像典型应用。
本发明还公开一种中波红外和长波红外双波段比色测温方法，能够与多波段图像融合处理方法，并行应用，拓展四波段共光轴光电成像平台应用范围。
所述中波红外和长波红外双波段比色测温方法，包括如下步骤：
测温步骤一：同时获取目标场景中的中波红外和长波红外图像信息。
根据探测器的响应原理，在两测温波段[λmin,λmax]，探测器输出的信号电平如式(3)所示。
其中，RV(λ)为测温波段探测器光谱响应率；A为探测器单元面积；ε(λ)物体光谱发射率；D为光学系统通光口径；f’为光学系统焦距；τa(λ)为大气光谱透过率；τ0(λ)为光学系统透过率；Meb(λ,T)为普朗克定律；U(T)为探测器输出的信号电平。
测温步骤二：对测温步骤一获取的中波红外和长波红外图像信息进行预处理，得到预处理后的双波段图像信息。所述的预处理包括：对中波红外图像、长波红外图像分别进行非均匀性校正；对中波红外图像、长波红外图像分别进行增强。
测温步骤三：由于探测器单个像元灰度值的大小与探测器的输出信号电平U(T)正相关，因此两探测器对应像元信号电平的比值等于两探测器对应像元灰度值的比值。
使用两个探测器获得的中波红外与长波红外对应像元信号电平的比值来确定所测物体的温度，将中波红外与长波红外的式(3)表达式相比，其比值结果如式(4)所示，
其中，U1(T)为中波红外探测器输出的信号电平；U2(T)为长波红外探测器输出的信号电平；Q(T)为中波红外探测器输出的信号电平与长波红外探测器输出的信号电平比值。
使用中、长波红外的双波段比色测温可以较大的减小测温目标光谱发射率ε(λ)和传输过程中光谱透过率τa(λ)和τ0(λ)对测温准确度的影响，近似判定两个不同波段信号的比值是一个与温度相关的函数。
测温步骤四：通过黑体标定拟合出中、长波红外图像各对应像素点灰度值比值Q(T)随温度T变化的曲线及对应多项式拟合表达式。
测温步骤五：将测温步骤三得到的中波红外探测器输出的信号电平与长波红外探测器输出的信号电平比值Q(T)带入测温步骤四中的多项式拟合表达式，得到对应的温度T，即得到与中波红外图像和长波红外图像分辨率相同的温度图像。
有益效果：
1、本发明公开的四波段共光轴光电成像平台，第一分束镜与多波段窗口横截面夹角为45°，第二分束镜与第一分束镜夹角为90°，第三分束镜与第一分束镜夹角为0°，进而实现四波段共光轴光学系统共光轴。视场内景物均能准确配准，配准完成后对不同物距的景物不存在视差。共光轴的分光光学系统与要求严格配准的多通道成像系统十分契合。同时，共光轴的分光光学系统能通过光学和机械方式完成配准，不需进行电子配准，从而不会损失各个通道的视场和图像分辨率。
2、本发明公开的多波段图像融合处理方法，基于在YUV空间对四波段图像信息进行线性组合的公式和颜色传递公式，能够根据应用需要，通过调整线性组合的公式中的参数值控制参与融合的波段，实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。使用YUV空间进行色彩传递，减少大量的对数与指数运算，是最有利于硬件实时视频处理的颜色空间，在保证算法处理速度的前提下，具备高可靠性和鲁棒性。
3、本发明公开的中波红外和长波红外双波段比色测温方法，使用常规的中波红外探测器和长波红外探测器的信号比值作为输入，根据黑体标定的温度随中波红外探测器和长波红外探测器信号比值的多项式拟合表达式计算出景物的温度。采用非制冷中、长波红外焦平面探测器，工作稳定、成本低，能同时获得场景中波和长波红外信息及温度信息，不需专用的测温探测器。双波段比色测温能够有效降低因物体发射率不同、红外辐射传播过程中衰减造成的测温误差。双波段比色测温能对场景进行大范围、远距离的温度测量，也便于方便地甄别图像中温度不同的环境目标。
4、本发明公开的四波段共光轴光电成像平台及其图像处理方法，能够实现多波段图像配准、多波段图像预处理、多波段图像融合、双波段比色测温等处理环节，能同时获取目标场景四个波段图像信息，并对四个波段的图像信息进行加工处理，为后续多波段成像处理算法研究提供实验平台。
附图说明
图1为本发明的四波段共光轴光电成像平台示意图。其中：1—多波段窗口；2—四波段共光轴光学系统；3—可见光+近红外成像组件；4—短波红外成像组件；5—中波红外成像组件；6—长波红外成像组件；7—数字视频处理板。
图2为本发明的四波段共光轴光电成像平台SOLIDWORKS结构图。
图3为本发明分束镜微位移调整支架示意图。其中：8—俯仰旋转角微调旋钮；9—俯仰旋转角/>锁紧螺丝；10—z轴旋转角旋转微调旋钮；11—z轴旋转角旋转锁紧旋钮。
图4为本发明的四波段自然感彩色融合图像算法流程图。
图5为本发明的四波段图像及其自然感彩色融合图像，其中：(a)为可见光+近红外图像，(b)为短波红外图像，(c)为中波红外图像，(d)为长波红外图像，(e)为彩色融合图像，(f)为灰度融合图像。
图6为本发明的双波段比色测温方法流程图。
图7为本发明的双波段比色测温图像，其中：(a)为中波红外图像，(b)为长波红外图像，(c)为温度图像。
具体实施方法
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例公开的四波段共光轴光电成像平台，包括多波段窗口1、四波段共光轴光学系统2、可见光+近红外成像组件3、短波红外成像组件4、中波红外成像组件5、长波红外成像组件6、数字视频处理板7。
所述四波段共光轴光学系统2包括第一分束镜2.1、第二分束镜2.2、第三分束镜2.3。
所述数字视频处理板7用于根据图像处理算法进行对应图像处理。
所述成像组件包括物镜和机芯。
所述的第一分束镜2.1与多波段窗口1横截面夹角为45°，第二分束镜2.2与第一分束镜2.1夹角为90°，第三分束镜2.3与第一分束镜2.1夹角为0°，进而实现四波段共光轴光学系统2共光轴。为了避免损失视场，经过分束镜的光束之间不能有交叠，第二分束镜2.2下端点需要在第一分束镜2.1上端点的上方，第三分束镜2.3右端点需要在第一分束镜2.1左端点的左边。
如图3所示，本实施例公开的四波段共光轴光电成像平台通过调整四波段共光轴光学系统2、可见光+近红外成像组件3、短波红外成像组件4、中波红外成像组件5、长波红外成像组件6实现四波段图像的光学配准。
所述光学配准的调整方法通过如下步骤实现。
配准步骤一：粗调。将可见光+近红外成像组件3、短波红外成像组件4、中波红外成像组件5、长波红外成像组件6和第一分束镜2.1、第二分束镜2.2、第三分束镜2.3大致调整到规定的位置。
配准步骤二：微调长波红外成像组件6，使长波红外成像组件6光轴垂直于多波段窗口1后固定。以长波红外成像组件6为基准，完成配准步骤二后，通过步骤三、四、五、六调整其他光学器件，完成其他光学器件配准工作。
配准步骤三：以长波红外成像组件6获取的长波红外图像为基准，观察短波红外成像组件4获取的短波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整短波红外成像组件4、第一分束镜2.1的z轴旋转角和俯仰旋转角配准短波红外图像与长波红外图像，即确定了短波红外成像组件4和第一分束镜2.1的位置。
所述短波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为短波红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2。
所述第一分束镜2.1的z轴旋转角和俯仰旋转角结构如图3所示。可调整结构均能锁死，同时保证配准精度和机械结构强度。
配准步骤四：以长波红外成像组件6获取的长波红外图像为基准，观察中波红外成像组件5获取的中波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整中波红外成像组件5、第二分束镜2.2的z轴旋转角和俯仰旋转角配准中波红外图像与长波红外图像，即确定了中波红外成像组件5和第二分束镜2.2的位置。
所述中波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为中波红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2。
所述第二分束镜2.2的z轴旋转角和俯仰旋转角结构如图3所示。可调整结构均能锁死，同时保证配准精度和机械结构强度。
配准步骤五：以长波红外成像组件6获取的长波红外图像为基准，观察可见光+近红外成像组件3获取的可见光+近红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整可见光+近红外成像组件3、第三分束镜2.3的z轴旋转角和俯仰旋转角配准可见光+近红外图像与长波红外图像，即确定了可见光+近红外成像组件3和第三分束镜2.3的位置。
所述可见光+近红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为可见光+近红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2。
所述第三分束镜2.3的z轴旋转角和俯仰旋转角结构如图3所示。可调整结构均能锁死，同时保证配准精度和机械结构强度。
配准步骤六：观察可见光+近红外成像组件3获取的可见光+近红外图像、短波红外成像组件4获取的短波红外图像、中波红外成像组件5获取的中波红外图像、长波红外成像组件6获取的长波红外图像的灰度叠加图像，确定四个波段的图像完全配准。
所述可见光+近红外图像、短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像的灰度叠加图像，为可见光+近红外图像、短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像对应像元灰度值之和的1/4。
四波段成像组件视场内景物均能准确配准，配准完成后对不同物距的景物不存在视差。共光轴的分光光学系统与要求严格配准的多通道成像系统十分契合。同时，共光轴的分光光学系统能通过光学和机械方式完成配准，不需进行电子配准，从而不会损失各个通道的视场和图像分辨率。
场景的入射辐射从多波段窗口1进入，经过第一分束镜2.1后，中波红外、长波红外波段的辐射经过透射进入第二分束镜2.2，可见光+近红外、短波红外波段的辐射经过反射进入第三分束镜2.3。中波红外波段辐射被第二分束镜2.2反射后进入中波红外组件聚焦成像，长波红外波段辐射经过第二分束镜2.2透射后进入长波红外组件聚焦成像，可见光+近红外波段辐射被第三分束镜2.3反射后进入可见光+近红外组件聚焦成像，短波红外波段辐射经过第三分束镜2.3透射后进入短波红外组件聚焦成像。通过四波段共光轴光电成像平台同时获取目标场景中的四波段图像信息。根据应用需要将四波段图像信息输入数字视频处理板7。所述数字视频处理板7根据选用的图像处理算法进行对应图像处理。即在所述四波段共光轴光电成像平台上结合所述四波段图像融合处理方法能够完成四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
中波红外与长波红外物镜参数为焦距40mm，F＝1.0；中波红外与长波红外探测器组件为烟台艾睿公司的非制冷焦平面探测器组件LA6110，其像元数为640×512，像元间距为17μm，NETD≤60mK，帧频50Hz，其输出视频为CameraLink数字视频；中波红外探测器响应波段为3～14μm，长波红外探测器响应波段为8～14μm。可见光+近红外物镜参数为焦距12.5～75mm，最小F＝1.2；可见光探测器组件为昆山锐芯微公司低照度CMOS机芯P2101，其靶面尺寸为1英寸，像元数为1280×1024，像元尺寸为9.7μm×9.7μm，帧率50Hz，输出视频为CameraLink数字视频，使用F1.4的镜头时可在1×10-3lx弱光条件下清晰成像。短波红外物镜参数为焦距12.5～75mm，最小F＝1.2；短波红外探测器组件为山西国惠光电科技有限公司的InGaAs非制冷焦平面探测器组件GH-SWCL-15，其像元数为640×512，像元间距为15μm，帧频100Hz，其输出视频为CameraLink数字视频。
数字视频图像处理板采用以FPGA(型号Kintex-7)为核心的高速数字信号处理板，具有4路CameraLink数字视频输入，2路CameraLink数字视频输出。可选择输出的图像数据有，可见光+近红外图像序列、短波红外图像序列、中波红外图像序列、长波红外图像序列、可见光+近红外与长波红外的彩色融合图像序列、可见光+近红外与长波红外的灰度融合图像序列、四波段图像彩色融合图像序列、四波段中任意三波段图像彩色融合图像序列、四波段中任意两波段图像彩色融合图像序列、中波红外与长波红外的双波段红外测温图像序列。
本实施例公开的四波段共光轴光电成像平台及其图像处理方法，能够实现多波段图像配准、多波段图像预处理、多波段图像融合、双波段比色测温等处理环节，能同时获取目标场景四个波段图像信息，并对四个波段的图像信息进行加工处理，为后续多波段成像处理算法研究提供实验平台。
在所述四波段共光轴光电成像平台还能够选用中波红外和长波红外双波段比色测温算法、异源图像配准算法，进行中波红外和长波红外双波段比色测温、异源图像配准等多波段图像典型应用。
本实施例还公开一种多波段图像融合处理方法，其流程图如图4所示，包括如下步骤：
图像融合步骤一：同时获取目标场景中的四波段图像信息。
图像融合步骤二：对图像融合步骤一获取的四波段图像信息进行预处理，得到预处理后的四波段图像信息。所述的预处理包括：对短波红外图像进行盲元校正，对中波红外图像、长波红外图像分别进行非均匀性校正；对短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像分别进行增强。预处理后的图像如图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)所示。
图像融合步骤三：将图像融合步骤二得到预处理后的四波段图像信息在YUV空间进行式(5)的线性组合，得到对应波段的初始彩色图像及对应参数，所述对应参数包括融合图像的亮度通道Yi、蓝色差分量Ui和红色差分量Vi。
式中，Vis、SWIR、MWIR和LWIR分别表示可见光+近红外、短波红外、中波红外以及长波红外图像；k1,k2,k3,k4,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7和m8为均正有理数，为经验值，且k1+k2>k3+k4，通过调整所述12个参数的值可控制参与融合的波段，对应实现四波段图像融合、三波段图像融合、双波段图像融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富。Ui和Vi分别对应蓝色和红色差分量，能够使可见光+近红外Vis与短波红外图像反映在蓝色差通道，使中波红外与长波红外图像分别反映在红色差通道，得到较符合人眼的视觉特性的彩色图像；Yi为融合图像的亮度通道，即为多波段图像的灰度融合结果。
图像融合步骤四：根据图像融合步骤三得到的对应波段的初始彩色图像及对应参数，将所述对应参数代入式(6)，即将参考图像的颜色传递给初始彩色化图像及对应参数，所述对应参数包括Yi、Ui、Vi。
其中，Yo,Uo,Vo分别为最终得到的彩色融合图像的YUV各通道；σT,Y,σT,U,σT,V和σi,Y,σi,U,σi,V分别为彩色参考图像和初始彩色图像YUV各通道的标准差；μT,Y,μT,U,μT,V和μi,Y,μi,U,μi,V分别为彩色参考图像和初始彩色图像YUV各通道的均值。
图像融合步骤五：根据应用需要，通过调整步骤三所述12个参数的值控制参与融合的波段，按照图像融合步骤三、四实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
所述四波段指可见光+近红外、短波红外、中波红外、长波红外四个波段。三波段指上述四波段中任选三种波段。两波段指上述四波段中任选两种波段。
所述一种多波段图像融合处理方法在所述四波段共光轴光电成像平台应用，实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
四波段图像的彩色融合结果如图5(e)所示，四波段图像的灰度融合结果如图5(f)所示。
本实施例公开的多波段图像融合处理方法，基于在YUV空间对四波段图像信息进行线性组合的公式和颜色传递公式，能够根据应用需要，通过调整线性组合的公式中的参数值控制参与融合的波段，实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。使用YUV空间进行色彩传递，减少大量的对数与指数运算，是最有利于硬件实时视频处理的颜色空间，在保证算法处理速度的前提下，具备高可靠性和鲁棒性。
本实施例还公开一种中波红外和长波红外双波段比色测温算法，能够与多波段图像融合处理方法，并行应用，拓展四波段共光轴光电成像平台应用范围。
所述中波红外和长波红外双波段比色测温方法，其流程图如图6所示，包括如下步骤：
测温步骤一：同时获取目标场景中的中波红外和长波红外图像信息。
根据探测器的响应原理，在两测温波段[λmin,λmax]，探测器输出的信号电平如式(7)所示。
其中，RV(λ)为测温波段探测器光谱响应率；A为探测器单元面积；ε(λ)物体光谱发射率；D为光学系统通光口径；f’为光学系统焦距；τa(λ)为大气光谱透过率；τ0(λ)为光学系统透过率；Meb(λ,T)为普朗克定律；U(T)为探测器输出的信号电平。
测温步骤二：对测温步骤一获取的中波红外和长波红外图像信息进行预处理，得到预处理后的双波段图像信息。所述的预处理包括：对中波红外图像、长波红外图像分别进行非均匀性校正；对中波红外图像、长波红外图像分别进行增强。预处理后的图像如图7(a)、7(b)所示。
测温步骤三：由于探测器单个像元灰度值的大小与探测器的输出信号电平U(T)正相关，因此两探测器对应像元信号电平的比值等于两探测器对应像元灰度值的比值。
使用两个探测器获得的中波红外与长波红外对应像元信号电平的比值来确定所测物体的温度，将中波红外与长波红外的式(7)表达式相比，其比值结果如式(8)所示，
其中，U1(T)为中波红外探测器输出的信号电平；U2(T)为长波红外探测器输出的信号电平；Q(T)为中波红外探测器输出的信号电平与长波红外探测器输出的信号电平比值。
使用中、长波红外的双波段比色测温可以较大的减小测温目标光谱发射率ε(λ)和传输过程中光谱透过率τa(λ)和τ0(λ)对测温准确度的影响，近似地认为两个不同波段信号的比值是一个与温度相关的函数。
测温步骤四：通过黑体标定拟合出中、长波红外图像各对应像素点灰度值比值Q(T)随温度T变化的曲线及对应多项式拟合表达式。
测温步骤五：将测温步骤三得到的中波红外探测器输出的信号电平与长波红外探测器输出的信号电平比值Q(T)带入测温步骤四中的多项式拟合表达式，得到对应的温度T，即得到与中波红外图像和长波红外图像分辨率相同的温度图像。
双波段比色测温得到的温度图像如图7(c)所示。
本实施例公开的中波红外和长波红外双波段比色测温方法，使用常规的中波红外探测器和长波红外探测器的信号比值作为输入，根据黑体标定的温度随中波红外探测器和长波红外探测器信号比值的多项式拟合表达式计算出景物的温度。采用非制冷中、长波红外焦平面探测器，工作稳定、成本低，能同时获得场景中波和长波红外信息及温度信息，不需专用的测温探测器。双波段比色测温能够有效降低因物体发射率不同、红外辐射传播过程中衰减造成的测温误差。双波段比色测温能对场景进行大范围、远距离的温度测量，也便于方便地甄别图像中温度不同的环境目标。
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。
Claims (4)
1.四波段共光轴光电成像平台的光学配准的调整方法，其特征在于：所述四波段共光轴光电成像平台包括多波段窗口(1)、四波段共光轴光学系统(2)、可见光+近红外成像组件(3)、短波红外成像组件(4)、中波红外成像组件(5)、长波红外成像组件(6)、数字视频处理板(7)；
所述四波段共光轴光学系统(2)包括第一分束镜(2.1)、第二分束镜(2.2)、第三分束镜(2.3)；
所述数字视频处理板(7)用于根据图像处理算法进行对应图像处理；
所述成像组件包括物镜和机芯；
所述的第一分束镜与多波段窗口(1)横截面夹角为45°，第二分束镜(2.2)与第一分束镜(2.1)夹角为90°，第三分束镜(2.3)与第一分束镜(2.1)夹角为0°，进而实现四波段共光轴光学系统(2)共光轴；为了避免损失视场，保证经过分束镜的光束之间无交叠，第二分束镜(2.2)下端点需要在第一分束镜(2.1)上端点的上方，第三分束镜(2.3)右端点需要在第一分束镜(2.1)左端点的左边；
通过调整四波段共光轴光学系统(2)、可见光+近红外成像组件(3)、短波红外成像组件(4)、中波红外成像组件(5)、长波红外成像组件(6)实现四波段图像的光学配准；
所述光学配准的调整方法通过如下步骤实现；
配准步骤一：粗调；将可见光+近红外成像组件(3)、短波红外成像组件(4)、中波红外成像组件(5)、长波红外成像组件(6)和第一分束镜(2.1)、第二分束镜(2.2)、第三分束镜(2.3)大致调整到规定的位置；
配准步骤二：微调长波红外成像组件(6)，使长波红外成像组件(6)光轴垂直于多波段窗口(1)后固定；以长波红外成像组件(6)为基准，完成配准步骤二后，通过步骤三、四、五、六调整其他光学器件，完成其他光学器件配准工作；
配准步骤三：以长波红外成像组件(6)获取的长波红外图像为基准，观察短波红外成像组件(4)获取的短波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整短波红外成像组件(4)、第一分束镜(2.1)的z轴旋转角和俯仰旋转角配准短波红外图像与长波红外图像，即确定了短波红外成像组件(4)和第一分束镜(2.1)的位置；
所述短波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为短波红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2；
配准步骤四：以长波红外成像组件(6)获取的长波红外图像为基准，观察中波红外成像组件(5)获取的中波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整中波红外成像组件(5)、第二分束镜(2.2)的z轴旋转角和俯仰旋转角配准中波红外图像与长波红外图像，即确定了中波红外成像组件(5)和第二分束镜(2.2)的位置；
所述中波红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为中波红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2；
配准步骤五：以长波红外成像组件(6)获取的长波红外图像为基准，观察可见光+近红外成像组件(3)获取的可见光+近红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，调整可见光+近红外成像组件(3)、第三分束镜(2.3)的z轴旋转角和俯仰旋转角配准可见光+近红外图像与长波红外图像，即能够确定可见光+近红外成像组件(3)和第三分束镜(2.3)的位置；
所述可见光+近红外图像和长波红外图像的灰度叠加图像，为可见光+近红外图像和长波红外图像对应像元灰度值之和的1/2；
配准步骤六：观察可见光+近红外成像组件(3)获取的可见光+近红外图像、短波红外成像组件(4)获取的短波红外图像、中波红外成像组件(5)获取的中波红外图像、长波红外成像组件(6)获取的长波红外图像的灰度叠加图像，确定四个波段的图像完全配准；
所述可见光+近红外图像、短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像的灰度叠加图像，为可见光+近红外图像、短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像对应像元灰度值之和的1/4；
场景的入射辐射从多波段窗口(1)进入，经过第一分束镜(2.1)后，中波红外、长波红外波段的辐射经过透射进入第二分束镜(2.2)，可见光+近红外、短波红外波段的辐射经过反射进入第三分束镜(2.3)；中波红外波段辐射被第二分束镜(2.2)反射后进入中波红外组件聚焦成像，长波红外波段辐射经过第二分束镜(2.2)透射后进入长波红外组件聚焦成像，可见光+近红外波段辐射被第三分束镜(2.3)反射后进入可见光+近红外组件聚焦成像，短波红外波段辐射经过第三分束镜(2.3)透射后进入短波红外组件聚焦成像；通过四波段共光轴光电成像平台同时获取目标场景中的四波段图像信息；根据应用需要将四波段图像信息输入数字视频处理板(7)；所述数字视频处理板(7)根据选用的图像处理算法进行对应图像处理；即在所述四波段共光轴光电成像平台上结合所述四波段图像融合处理方法能够完成四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
2.一种多波段图像融合处理方法，应用如权利要求1所述的光学配准的调整方法中的四波段共光轴光电成像平台，其特征在于：包括如下步骤，
图像融合步骤一：同时获取目标场景中的四波段图像信息；
图像融合步骤二：对图像融合步骤一获取的四波段图像信息进行预处理，得到预处理后的四波段图像信息；所述的预处理包括：对短波红外图像进行盲元校正，对中波红外图像、长波红外图像分别进行非均匀性校正；对短波红外图像、中波红外图像、长波红外图像分别进行增强；
图像融合步骤三：将图像融合步骤二得到预处理后的四波段图像信息在YUV空间进行式(1)的线性组合，得到对应波段的初始彩色图像及对应参数，所述对应参数包括融合图像的亮度通道Yi、蓝色差分量Ui和红色差分量Vi；
式中，Vis、SWIR、MWIR和LWIR分别表示可见光+近红外、短波红外、中波红外以及长波红外图像；k1,k2,k3,k4,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7和m8为均正有理数，为经验值，且k1+k2>k3+k4，通过调整所述12个参数的值可控制参与融合的波段，对应实现四波段图像融合、三波段图像融合、双波段图像融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富；Ui和Vi分别对应蓝色和红色差分量，能够使可见光+近红外Vis与短波红外图像反映在蓝色差通道，使中波红外与长波红外图像分别反映在红色差通道，得到较符合人眼的视觉特性的彩色图像；Yi为融合图像的亮度通道，即为多波段图像的灰度融合结果；
图像融合步骤四：根据图像融合步骤三得到的对应波段的初始彩色图像及对应参数，将所述对应参数代入式(2)，即将参考图像的颜色传递给初始彩色化图像及对应参数，所述对应参数包括Yi、Ui、Vi；
其中，Yo,Uo,Vo分别为最终得到的彩色融合图像的YUV各通道；σT,Y,σT,U,σT,V和σi,Y,σi,U,σi,V分别为彩色参考图像和初始彩色图像YUV各通道的标准差；μT,Y,μT,U,μT,V和μi,Y,μi,U,μi,V分别为彩色参考图像和初始彩色图像YUV各通道的均值；
图像融合步骤五：根据应用需要，通过调整步骤三所述12个参数的值控制参与融合的波段，按照图像融合步骤三、四实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率；
所述四波段指可见光+近红外、短波红外、中波红外、长波红外四个波段；三波段指上述四波段中任选三种波段；两波段指上述四波段中任选两种波段。
3.如权利要求2所述的一种多波段图像融合处理方法，其特征在于：实现对应四波段彩色融合、三波段彩色融合、双波段彩色融合的多波段图像处理，充分利用多波段信息的互补和丰富，提升目标探测与识别效率。
4.一种中波红外和长波红外双波段比色测温方法，应用如权利要求1所述的光学配准的调整方法中的四波段共光轴光电成像平台，其特征在于：包括如下步骤，
测温步骤一：同时获取目标场景中的中波红外和长波红外图像信息；
根据探测器的响应原理，在两测温波段[λmin,λmax]，探测器输出的信号电平如式(3)所示；
其中，RV(λ)为测温波段探测器光谱响应率；A为探测器单元面积；ε(λ)物体光谱发射率；D为光学系统通光口径；f’为光学系统焦距；τa(λ)为大气光谱透过率；τ0(λ)为光学系统透过率；Meb(λ,T)为普朗克定律；U(T)为探测器输出的信号电平；
测温步骤二：对测温步骤一获取的中波红外和长波红外图像信息进行预处理，得到预处理后的双波段图像信息；所述的预处理包括：对中波红外图像、长波红外图像分别进行非均匀性校正；对中波红外图像、长波红外图像分别进行增强；
测温步骤三：由于探测器单个像元灰度值的大小与探测器的输出信号电平U(T)正相关，因此两探测器对应像元信号电平的比值等于两探测器对应像元灰度值的比值；
使用两个探测器获得的中波红外与长波红外对应像元信号电平的比值来确定所测物体的温度，将中波红外与长波红外的公式(3)表达式相比，其比值结果如公式(4)所示，
其中，U1(T)为中波红外探测器输出的信号电平；U2(T)为长波红外探测器输出的信号电平；Q(T)为中波红外探测器输出的信号电平与长波红外探测器输出的信号电平比值；
测温步骤四：通过黑体标定拟合出中、长波红外图像各对应像素点灰度值比值Q(T)随温度T变化的曲线及对应多项式拟合表达式；
测温步骤五：将测温步骤三得到的中波红外探测器输出的信号电平与长波红外探测器输出的信号电平比值Q(T)带入测温步骤四中的多项式拟合表达式，得到对应的温度T，即得到与中波红外图像和长波红外图像分辨率相同的温度图像。
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