一種快速收斂的基於場景非均勻性校正方法

2023-10-26 03:12:42 2

專利名稱：一種快速收斂的基於場景非均勻性校正方法
技術領域：
本發明屬於圖像探測與處理技術領域，特別是一種快速收斂的基於場景非均勻性校正方法。
背景技術：
二十一世紀是光子的時代，是信息的社會，隨著信息技術的飛速發展，人們獲取信息的手段在向不同波段，更廣闊的領域擴展；紅外成像技術正是順應了這一時代的發展趨勢，已經成為當今世界發達國家大力發展的軍民兩用的新興高科技之一。由於西方發達國家對我國高技術的封鎖，加上我國紅外成像研究起步較晚，基礎理論研究和材料工藝比較落後，所以目前國產的紅外焦平面陣列探測器和紅外成像系統整機的性能與發達國家相比還有一定差距。因此，紅外成像的基礎理論及其關鍵技術的研究對提升紅外成像技術在我國國防建設和國民經濟各領域的應用比重，縮小我國在該領域與發達國家的差距有著非常重要的意義。紅外探測器的非均勻性是限制其性能與應用的首要因素。這種非均勻性表現為一種疊加在圖像上固定圖案噪聲。造成這種非均勻性的原因很多，首先是每個探測器單元的響應率的不一致性，紅外焦平面陣列由數萬個像元構成，由於各個像元的響應參數不盡相同，造成即使在均勻輸入的情況下，各個像素的響應也不一致，這是紅外焦平面陣列非均勻性的主要因素；其次是探測器讀出電路自身以及讀出電路和探測器的耦合因素等。此外研究發現，紅外探測器非均勻性的時間穩定性不佳，會隨著工作時間的增加與外界環境的改變而緩慢漂移，嚴重影響圖像的空間解析度與溫度靈敏度。所以，紅外探測器必須採用相應的非均勻性校正措施，來修正這種探測器不均勻響應造成的影響。非均勻性校正概括起來有二大類方法基於定標的校正方法與基於場景的校正方法。基於定標的方法是目前已經適用化的技術，但需要對系統進行周期性的重複定標以消除參數漂移的影響，這就相應地增加了系統的複雜性，降低了系統的可靠性和響應速度；對於機載、彈載探測器不易做到快速反應。基於場景的校正算法不但省略了參考輻射源，使系統處理流程得到簡化，提高系統的穩定性，而且可以有效地消除參數特性漂移的影響，實現高精度、大動態範圍的自適應非均勻校正。基於場景的非均勻性校正不需要紅外參照源，從實際場景提取校正參數，實現系統簡潔，克服了器件的空間非均勻性影響和周期性定標問題，具有自適應校正的優點。也正是基於這些優點，基於場景的校正方法近年來出現了許多新的研究成果，成為紅外成像技術和紅外成像電子學處理方法的研究熱點。自從基於場景校正這一概念出現以來，國內外學者便給予了高度關注，並取得了大量的研究成果與一批良好的校正算法。總的來說，這些算法都是通過兩大類途徑實現的。 一類是基於統計的，基於統計類的技術通常對於焦平面每個像元接收到的輻射量作一些時間上或者空間上的統計假設，在此假設的基礎上不斷修正校正參數，校正焦平面的非均勻性。其中最具代表性的技術有時域高通法，統計恆定法，神經網絡法，恆定範圍法及其的相應的擴展形式，如統計維納濾波法，卡爾曼濾波法等。該類算法一般要求目標場景與IRFPACN 102538973 A器件相對運動以使IRFPA器件中所有探測單元在一段時間內所接收到的目標場景輻射的滿足一定的統計假設。然而，由於圖像場景的多樣性，該假設不一定能夠得到滿足，因此這類校正算法收斂速度較慢，且經常伴隨較為嚴重的鬼影問題。另一類是基於配準的，這類技術通常認為，在較短的時間間隔內，若觀察場景中相同的位置時，每個像元的響應也應該是相同的，因此這類技術需要準確的估計幀與幀之間的移動。其中比較有代表性的技術有全景圖積累法，代數校正法等。但是這類算法由於其要求限制較多，計算量與存儲量較大，且校正誤差易逐級累計傳播，所以較難達到實用。解決紅外探測器的非均勻性校正問題已成為國內外紅外成像技術研究的一個熱點課題。但是目前大部分紅外成像系統中，都僅僅採用了基於定標的非均勻性校正方法。紅外成像系統非均勻性的參數漂移與傳統基於定標的非均勻性校正方法的操作複雜性使得其在某些領域，如機載，彈載，野外勘探作戰，目標搜索與跟蹤系統中的性能受到嚴重限制。 而當前的基於場景非均勻性校正技術則由於上述諸多限制因素，大多停留在實驗室階段。

發明內容
本發明的目的在於提供一種簡單、高效、實用的快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，該方法不需要黑體輻射源，僅僅採用場景信息對紅外焦平面進行實時自適應標定， 並能夠快速達到收斂即採用很少的幀數，在很短的時間內，計算出非均勻性校正參數，且不帶來鬼影等副作用。本發明所提出的技術問題是這樣解決的一種快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，包括以下步驟第一步，初始化採集一幀未校正原始圖像Y1G, j)並將第一幀時的增益校正參數 gl(i, j)與偏置校正參數01(1，j)置為全1與全0;第二步，非均勻性校正讀入一幀新的未校正原始圖像￥ (1，j)，n = 2，3，4...，並與上一幀未校正原始圖像Ylri(Lj) —同利用當前非均勻性校正參數進行非均勻性校正，獲得的第n-1幀校正後圖像Xn_i(i，j)與第η幀校正後圖像Xn(i，j)；第三步，相鄰兩幀幀間配準，採用原點掩蔽相位相關方法，配準第二步獲得的第 n-1幀校正後圖像Xlri (i，j)與第η幀校正後圖像Xn(i，j)，獲得當前幀校正後圖像與上一幀校正後圖像的場景相關係數α n，並利用快速傅立葉變換求出Xlri (i，j)相對Xn(i，j)的配準圖像！；⑴j)；第四步，校正參數更新求出當前幀校正後圖像與上一幀校正後圖像的幀間配準誤差％(i，j)，並採用最速下降法沿著負梯度方向更新校正參數；第五步，參數更新完畢後， 幀標號η加1，即η — η+1，然後返回第二步，由此一直不停的循環執行第二步至第五步，紅外焦平面的增益校正參數與增益校正參數就會不斷更新。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)校正精度高本發明僅僅依賴相鄰兩幀圖像中場景相似性，不對長時間的場景統計信息施加假設。故本發明提出的方法校正精度要高於傳統的統計類或者配準類的基於場景校正算法。(2)收斂速度快本發明僅僅需要 20幀左右的圖像即可獲得良好的校正效果，收斂速度遠遠高於傳統的基於場景校正算法。 (3)不存在鬼影效應由於本發明僅僅利用最小化相鄰兩幀的配準誤差達到非均勻性校正的目的，而在配準誤差的計算過程中，場景信息的幹擾已經大部分被排除在外。當相鄰兩幀圖像景物匹配度較差時，可以自適應地調節更新速率。所以採用本發明對紅外焦平面進行實時校正，可以有效防止參數錯誤更新，避免鬼影效應。(4)計算量、存儲量低本發明運算複雜度很低，且僅僅需要額外一副圖像的存儲量。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。


圖I為本發明提出的快速收斂的基於場景非均勻性校正方法的流程圖。圖2為兩幅含有非均勻性的圖像的歸一化互功率譜示意圖。其中，圖2(a)與圖 2(b)分別為相鄰兩幀含有非均勻性的圖像，圖2(c)為它們的歸一化互功率譜的模的三維顯不。圖3為相鄰兩幀圖像經過配準後的示意圖。灰色部分代表了兩幀圖像的場景重疊區域。圖4為本發明提出的方法、統計恆定法、神經網絡法的校正圖像峰值信噪比隨幀號的變換曲線對比圖。圖5(a)為未校正的中波碲鎘汞紅外焦平面陣列探測器採集到的原始圖像圖； 5(b)為與經過本發明提出的方法校正20幀後相對應的校正圖像。
具體實施例方式結合圖1，本發明快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，步驟如下步驟I :初始化採集一幀未校正原始圖像並將第一幀時的增益校正參數與偏置校正參數置為全I與全O。採集一幀未校正原始圖像，記作Y1 (i，j)。初始化第一幀時的增益校正參數gl (i， j)與偏置校正參數O1Q, j)分別為gji, j) = I, O1 (i, j) = O0由於此時增益校正參數 gl(i, j)全為1，偏置校正參數O1 (i，j)全為0，相當於不進行非均勻性校正。步驟2 :非均勻性校正讀入一幀新的未校正原始圖像，並與上一幀未校正原始圖像一同利用當前非均勻性校正參數進行非均勻性校正。讀入一幀新的未校正原始圖像，記作Yn(i，j), n = 2,3,4...，並與前一幀未校正原始圖像Ylri(Lj) —同利用上一幀更新得到的非均勻性校正參數進行非均勻性校正，獲得校正後圖像X1^a, j)與Xn(i，j)。採用第n-1幀時獲得的增益校正參數gyU, y)與偏置校正參數CV1(^y)，對第n-1幀未校正原始圖像Yn (i，j)與第n幀未校正原始圖像Ylri (i， j)進行非均勻性校正，校正公式為Xlri (i, j) = gn_! (i, j) Ylri (i, j) +Olri (i, j)Xn(i, j) = gn_i(i, j) Yn(i, j)+OlriQ, j)獲得第n-1幀校正後圖像X1^a, j)與第n幀校正後圖像Xn(i，j)，其中第n幀校正後圖像Xn(i，j)作為當前幀的校正結果輸出顯示。步驟3 :相鄰兩幀幀間配準，採用原點掩蔽相位相關方法，配準第二步獲得的第 n-1幀校正後圖像X1^a, j)與第n幀校正後圖像Xn(i，j)，獲得當前幀校正後圖像與上一幀校正後圖像的場景相關係數，並利用快速傅立葉變換求出Xlri(Lj)相對Xn(i，j)的配準圖像 Tn a，j)。
配準步驟2獲得的第n-1幀校正後圖像XlriG, j)與第η幀校正後圖像Xn(i，j)。 具體如下計算第n-1幀校正後圖像Xlri(Lj)與第η幀校正後圖像Xn(i，j)的歸一化互功率譜弋O，)
權利要求
1.一種快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，其特徵在於包括以下步驟第一步，初始化採集一幀未校正原始圖像1(1，j)並將第一幀時的增益校正參數gl(i, j)與偏置校正參數01(1，j)置為全1與全0;第二步，非均勻性校正讀入一幀新的未校正原始圖像丫 (1，j)，n = 2，3，4...，並與上一幀未校正原始圖像Ylri(Lj) —同利用當前非均勻性校正參數進行非均勻性校正，獲得的第n-1幀校正後圖像Xn-Ji, j)與第η幀校正後圖像Xn(i，j)；第三步，相鄰兩幀幀間配準，採用原點掩蔽相位相關方法，配準第二步獲得的第n-1幀校正後圖像Xlri (i，j)與第η幀校正後圖像Xn(i，j)，獲得當前幀校正後圖像與上一幀校正後圖像的場景相關係數α n，並利用快速傅立葉變換求出Xlri (i，j)相對Xn(i，j)的配準圖像 Tn(i， j)；第四步，校正參數更新求出當前幀校正後圖像與上一幀校正後圖像的幀間配準誤差 en(i，j)，並採用最速下降法沿著負梯度方向更新校正參數；第五步，參數更新完畢後，幀標號η加1，即η — η+1，然後返回第二步，由此一直不停的循環執行第二步至第五步，紅外焦平面的增益校正參數與增益校正參數就會不斷更新。
2.根據權利要求1所述的快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，特徵在於第一步的初始化階段，採集一幀未校正原始圖像，記作Y1G, j)，初始化第一幀時的增益校正參數 gl(i, j)與偏置校正參數01(1，j)分別為 gl(i，j) = l，0l(i，j) =0。
3.根據權利要求1所述的快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，特徵在於第二步的非均勻性校正階段，先讀入一幀新的未校正原始圖像Yn(i，j)，η = 2，3，4...，並與前一幀未校正原始圖像Yn-Ji, j) 一同利用上一幀更新得到的非均勻性校正參數進行非均勻性校正，獲得校正後圖像Xlri(Lj)與Xn(i，j)，並且將當前採集幀的校正圖像Xn(i，j)作為校正結果輸出顯示。
4.根據權利要求1所述的快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，特徵在於第三步的相鄰兩幀幀間配準步驟為計算第n-1幀校正後圖像Xlri(Lj)與第η幀校正後圖像Xn(i， j)的歸一化互功率譜^ν)，然後將^ν)以原點為中心的3X3區域內的值置為0獲得修改後的歸一化互功率譜^X",vO，Xn(i，j)與Xlri(Lj)的相對位移(Clpdj)即為^>,ν)峰值所對應的像素坐標；其中Xn(i，j)與Xlri(Lj)的場景相關係數α n通過如下獲得
5.根據權利要求1所述的快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，特徵在於第四步的校正參數更新為將Tn(i, j)與Xn(i，j)作差得到第η幀的幀間配準誤差en(i, j)，以幀間配準誤差的均方誤差最小化為準則，採用最速下降法沿著負梯度方向更新第n-1幀的增益校正參數gy (X，y)與偏置校正參數Olri (x, y)
全文摘要
本發明公開了一種快速收斂的基於場景非均勻性校正方法，通過最小化相鄰兩幀圖像的幀間配準誤差，達到非均勻性校正的目的。其主要包括初始化增益與偏置校正參數並採集一幀未校正原始圖像；採集一幀新的未校正原始圖像，並與上一幀未校正原始圖像一同利用當前非均勻性校正參數進行非均勻性校正；利用原點掩蔽相位相關方法獲得兩幀校正後圖像的相對位移，場景相關係數與幀間配準誤差；並採用最速下降法沿著負梯度方向更新校正參數。本發明具有校正精度高，收斂速度快，不存在鬼影效應，計算量、存儲量低等優點。非常適合集成於紅外焦平面成像系統中，達到提高紅外焦平面陣列的成像質量、環境適應性、時間穩定性的功效。
文檔編號G01J5/00GK102538973SQ20111045770
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者於雪蓮, 何偉基, 馮世傑, 劉寧, 季爾優, 左超, 張聞文, 毛義偉, 王士紳, 路東明, 錢惟賢, 陳錢, 隋修寶, 雷曉傑, 顧國華 申請人:南京理工大學