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CN116152096A - 一种红外线列探测器非均匀性矫正方法 - Google Patents

一种红外线列探测器非均匀性矫正方法 Download PDF

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CN116152096A
CN116152096A CN202310077312.1A CN202310077312A CN116152096A CN 116152096 A CN116152096 A CN 116152096A CN 202310077312 A CN202310077312 A CN 202310077312A CN 116152096 A CN116152096 A CN 116152096A
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CN
China
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image
infrared
uniformity
guided
window
Prior art date
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CN202310077312.1A
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English (en)
Inventor
李博翰
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Shanghai Jiwu Photoelectric Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Jiwu Photoelectric Technology Co ltd
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Publication date
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Abstract

本发明提供一种红外线列探测器非均匀性矫正方法及装置，所述方法包括：从原始红外线列周扫图像中截取部分红外线列周扫图像；利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪；利用基于引导滤波的线性拟合模型，计算线性矫正系数；利用得到的线性矫正系数，对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正。本发明红外线列探测器非均匀性矫正方法实时性高、去噪效果好。

Description

一种红外线列探测器非均匀性矫正方法
技术领域
本发明涉及数字图像处理技术领域，具体地，涉及一种红外线列探测器非均匀性矫正方法及装置。
背景技术
近些年，红外成像系统在技术条件和制造工艺上均有了较大的提升，被广泛应用到热成像、火灾检测、空中小目标侦察领域。常见的红外探测器分为红外面阵探测器和红外线列周扫探测器。然而，在红外探测器成像时，由于受到外界环境温度、成像电路电压变化的影响，探测器的响应系数会发生相应的变化，这导致红外系统成像产生条纹状的非均匀性噪。这类噪声一般很难直接在硬件上去除，常见的解决方法分为两类，基于定标的矫正方法和基于场景的矫正方法。
基于定标的矫正方法一般需要采集黑体温度图像，之后通过定标进行矫正。常见的方法包括单点矫正、两点矫正、多点矫正以及多项式拟合矫正。红外探测器一般在投入使用前，使用这类方法对探测器进行矫正。当红外探测器在使用过程中，由于温度、电压等外界因素的改变，其探测器响应系数会发生改变，此时如果继续采用基于定标的矫正方法，需要中断设备的使用，进行探测器重新定标，这严重影响了红外探测器的正常使用。针对此问题，基于场景的非均匀矫正方法通过利用拍摄场景像素的纹理特性对探测器进行实时矫正，使得红外探测器可以不必通过黑体重新进行定标。
目前大部分红外领域的非均匀矫正算法均是针对红外面阵探测器的，红外线列周扫探测器周期性噪声去除难点在于：
1.红外周扫线列探测器扫面一周有上万列图像，数据量大，这要求矫正算法的实时性能高。传统的利用频域滤波器滤波，时频转换计算量大，难以满足实时性要求。
2.红外周扫线列探测器的非均匀性噪声呈横条状，如果利用时频转换，对频域进行处理，容易损坏图像的纹理细节，模糊图像，甚至会产生鬼影伪像。
3.多帧图像去噪算法是需要考虑相机抖动、场景热辐射变换等因素，算法实时性、鲁棒性均受到一定的挑战。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种实时性高、去噪效果好的基于引导滤波的红外线列探测器非均匀性矫正方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种红外线列探测器非均匀性矫正方法，包括以下步骤：
从原始红外线列周扫图像中截取部分红外线列周扫图像；
利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪；
利用基于引导滤波的线性拟合模型，计算线性矫正系数；
利用得到的线性矫正系数，对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正。
优选地，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，所述引导滤波的引导图像与输出图像之间在小窗口范围内呈线性关系，公式为：
Figure BDA0004066708980000021
式中，qi是输出图像像素值，(ak,bk)是小窗口内线性系数，Ii是引导图像像素值，wk是引导滤波器的窗口。
优选地，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，系数(ak,bk)的计算公式分别为：
Figure BDA0004066708980000022
Figure BDA0004066708980000023
式中：μk和
Figure BDA0004066708980000024
是引导图像v在窗口wk中的均值和方差，/>
Figure BDA0004066708980000025
是输入图像pi在窗口wk中的均值，|w|是窗口wk中的像素个数，ε是人为设定的参数，决定了引导滤波在窗口内对图像的滤波程度。
优选地，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，将噪声图像Ip作为引导图像和输入图像，通过一维纵向窗口对图像进行平滑处理，将系数(ak,bk)的计算公式变为：
Figure BDA0004066708980000026
b'k＝(1-a'k)·μk
式中，μk和
Figure BDA0004066708980000027
是图像Ip在窗口wk中的均值和方差。
优选地，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，将噪声图像Ip作为引导图像和输入图像进行引导滤波，输出图像为竖直方向下平滑后的图像Iu，利用Ip、Iu相减得到含有非均匀噪声以及部分的图像高频纹理的图像In，In＝Ip-Iu，将Iu作为引导图像，In作为输入图片，进行引导滤波，得到输出图像Is，利用Ip和Is相减，得到引导滤波去噪后的图像Iq，Iq＝Ip-Is。
优选地，所述利用基于引导滤波的线性拟合模型，计算线性矫正系数的步骤中，所述线性矫正系数a(i)、b(i)，计算公式为：
Figure BDA0004066708980000031
Figure BDA0004066708980000032
式中：W是引导滤波去噪处理后的线列周扫图像的图像宽，Iq(i,j)是经过引导滤波去噪处理后的去噪图像，Ip(i,j)是Iq(i,j)对应的含有条纹噪声未经处理的原始红外线列周扫图像。
优选地，所述利用得到的线性矫正系数，对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正的步骤中，根据得到的线性矫正系数a(i)、b(i)对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正的公式为：
Figure BDA0004066708980000033
式中：a(i)、b(i)是图像第i行的矫正系数，
Figure BDA0004066708980000034
是含有噪声未经处理的单帧周扫图像，/>
Figure BDA0004066708980000035
是最终经过线性模型矫正后的图像。
进一步地，本发明还提供一种红外线列探测器非均匀性矫正装置，其特征在于，所述装置包括处理器以及用于存储所述处理器的可执行指令的存储器，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行如上所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明实时性高，仅利用部分线列图像计算矫正系数就完成了整帧线列周扫图像的非均匀性矫正，很好地满足了通常一帧列数上万的周扫线列高分辨图像对实时性的需求。
2、本发明去噪效果好，设计的线性矫正模型符合线列周扫图像每一行成像与固定探测单元对应的结构特性。
3、本发明鲁棒性强，本发明的方法是基于单帧的图像去噪算法，不用考虑多帧去噪算法中相机抖动、场景热辐射变化对去噪效果的影响。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的红外线列探测器非均匀性矫正方法流程框图；
图2为本发明实施例提供的部分红外线列周扫图像；
图3为本发明实施例提供的引导滤波过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
具体地，本发明提供一种红外线列探测器非均匀性矫正方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1：从原始红外线列周扫图像中截取部分红外线列周扫图像；
具体地，从原始红外线列周扫图像中截取部分红外线列周扫图像，如图2所示。
S2：利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪；
具体地，利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪，消除图像上的非均匀性横条状噪声。
1、引导滤波基础知识
引导滤波的应用基础是假设引导图像与输出图像之间在小窗口范围内呈线性关系，如下公式所示：
Figure BDA0004066708980000041
式中：qi是输出图像像素值，(ak,bk)是小窗口内线性系数，Ii是引导图像像素值，wk是引导滤波器的窗口，窗口形状需要根据去除的噪声的特点来进行设计。通过约束输出图像qi与输入图像pi的均方误差最小来完成引导滤波。
系数(ak,bk)的计算式，如下公式(2)、(3)所示：
Figure BDA0004066708980000051
Figure BDA0004066708980000052
式中：μk和
Figure BDA0004066708980000053
是引导图像v在窗口wk中的均值和方差，/>
Figure BDA0004066708980000054
是输入图像pi在窗口wk中的均值，|w|是窗口wk中的像素个数，ε是人为设定的参数，决定了引导滤波在窗口内对图像的滤波程度。
2、线列探测器引导滤波模型
如3所示，由于线列周扫图像非均匀性噪声为横条状噪声，在本实施例中，首先将噪声图像Ip作为引导图像和输入图像，通过一维纵向窗口对图像进行平滑处理，将公式(2)、(3)变为公式(4)、(5)：
Figure BDA0004066708980000055
b'k＝(1-a'k)·μk (5)
μk和
Figure BDA0004066708980000056
是图像Ip在窗口wk中的均值和方差。利用式(4)、(5)进行引导滤波，输出图像为竖直方向下平滑后的图像Iu，利用Ip、Iu相减得到含有非均匀噪声以及部分的图像高频纹理的图像In，如下式所示：
In＝Ip-Iu (6)
为了更好地从图像In中提取横向非均匀性条纹噪声，本发明设计了一维横向引导滤波窗口，将Iu作为引导图像，In作为输入图片，进行引导滤波，得到输出图像Is。此时，我们认为图像Is中包含了绝大多数横向非均匀性条纹噪声以及少量的图像横向高频纹理细节，利用Ip和Is相减，得到引导滤波去噪后的图像Iq，如下式所示。
Iq＝Ip-Is (7)
S3：利用基于引导滤波的线性拟合模型，计算线性矫正系数；
具体地，利用基于引导滤波的线性拟合模型，计算线性矫正系数a(i)、b(i)，利用线性回归计算拟合系数，其计算式如下式(8)、(9)所示：
Figure BDA0004066708980000061
Figure BDA0004066708980000062
式中：W是引导滤波去噪处理后的线列周扫图像的图像宽，Iq(i,j)是经过引导滤波去噪处理后的去噪图像，Ip(i,j)是Iq(i,j)对应的含有条纹噪声未经处理的原始红外线列周扫图像。
S4：利用得到的线性矫正系数，对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正。
具体地，利用得到的线性矫正系数a(i)、b(i)，对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正，如下式所示：
Figure BDA0004066708980000063
式中：a(i)、b(i)是图像第i行的矫正系数，
Figure BDA0004066708980000064
是含有噪声未经处理的单帧周扫图像，/>
Figure BDA0004066708980000065
是最终经过线性模型矫正后的图像。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种红外线列探测器非均匀性矫正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
从原始红外线列周扫图像中截取部分红外线列周扫图像；
利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪；
利用基于引导滤波的线性拟合模型，计算线性矫正系数；
利用得到的线性矫正系数，对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正。
2.根据权利要求1所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法，其特征在于，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，所述引导滤波的引导图像与输出图像之间在小窗口范围内呈线性关系，公式为：
Figure FDA0004066708970000011
式中，qi是输出图像像素值，(ak,bk)是小窗口内线性系数，Ii是引导图像像素值，wk是引导滤波器的窗口。
3.根据权利要求2所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法，其特征在于，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，系数(ak,bk)的计算公式分别为：
Figure FDA0004066708970000012
Figure FDA0004066708970000013
式中：μk和
Figure FDA0004066708970000014
是引导图像v在窗口wk中的均值和方差，/>
Figure FDA0004066708970000015
是输入图像pi在窗口wk中的均值，|w|是窗口wk中的像素个数，ε是人为设定的参数，决定了引导滤波在窗口内对图像的滤波程度。
4.根据权利要求3所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法，其特征在于，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，将噪声图像Ip作为引导图像和输入图像，通过一维纵向窗口对图像进行平滑处理，将系数(ak,bk)的计算公式变为：
Figure FDA0004066708970000016
b'k＝(1-a'k)·μk
式中，μk和
Figure FDA0004066708970000021
是图像Ip在窗口wk中的均值和方差。
5.根据权利要求4所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法，其特征在于，所述利用引导滤波模型对选取的红外线列周扫图像进行去噪的步骤中，将噪声图像Ip作为引导图像和输入图像进行引导滤波，输出图像为竖直方向下平滑后的图像Iu，利用Ip、Iu相减得到含有非均匀噪声以及部分的图像高频纹理的图像In，In＝Ip-Iu，将Iu作为引导图像，In作为输入图片，进行引导滤波，得到输出图像Is，利用Ip和Is相减，得到引导滤波去噪后的图像Iq，Iq＝Ip-Is。
6.根据权利要求1所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法，其特征在于，所述利用基于引导滤波的线性拟合模型，计算线性矫正系数的步骤中，所述线性矫正系数a(i)、b(i)，计算公式为：
Figure FDA0004066708970000022
Figure FDA0004066708970000023
式中：W是引导滤波去噪处理后的线列周扫图像的图像宽，Iq(i,j)是经过引导滤波去噪处理后的去噪图像，Ip(i,j)是Iq(i,j)对应的含有条纹噪声未经处理的原始红外线列周扫图像。
7.根据权利要求6所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法，其特征在于，所述利用得到的线性矫正系数，对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正的步骤中，根据得到的线性矫正系数a(i)、b(i)对整帧红外线列周扫图像进行非均匀性矫正的公式为：
Figure FDA0004066708970000024
式中：a(i)、b(i)是图像第i行的矫正系数，
Figure FDA0004066708970000025
是含有噪声未经处理的单帧周扫图像，/>
Figure FDA0004066708970000026
是最终经过线性模型矫正后的图像。
8.一种红外线列探测器非均匀性矫正装置，其特征在于，所述装置包括处理器以及用于存储所述处理器的可执行指令的存储器，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行如权利要求1至7中任意一项所述的红外线列探测器非均匀性矫正方法。
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