基於開窗異或的微懸臂梁陣列紅外圖像重構方法

2023-06-26 04:31:41

專利名稱：基於開窗異或的微懸臂梁陣列紅外圖像重構方法
技術領域：
本發明專利涉及一種微懸臂梁紅外成像系統紅外圖像重構的方法，該方法主要應用於雙材料微懸臂梁焦平面陣列式非製冷紅外成像系統中，相比於目前同類型的紅外成像系統普遍採用的方法，該方法在降低設計複雜度的同時能夠降低處理數據的位寬，從而提高圖像重構速度並改善所成紅外圖像的質量。
背景技術：
在光學讀出式微懸臂梁紅外成像系統中紅外圖像的重構是一項重要技術。為了能夠得到紅外圖像，在成像系統的像平面所接收到的微懸臂梁焦平面陣列(FPA)的圖像必須進行重構。目前，普遍採用的重構方法就是包含紅外目標的FPA圖像同不包含紅外目標的 FPA圖像進行取差。這種兩幀圖像相減的方法雖然理論簡單，但是卻存在兩個較大的缺陷， 首先，在像平面用於採集圖像的電荷耦合器件傳感器(CCD)位數越高(如12位模數轉換精度的CCD，其模數轉換後為12bit格式數據)，在圖像重構運算中數據位寬就越大(大於8 位的CCD通常需要存取為16位寬的數據進行運算)，導致系統高速採集圖像時實時性下降； 其次，兩幅圖像相減操作可能出現負數，因此首先需要比較像素大小，以防出現負數導致數據溢出，不利於後續的處理，並且在實時採集紅外圖像時易受外界環境幹擾從而產生背景噪聲。

發明內容
為了克服現有的雙材料微懸臂梁紅外成像系統紅外圖像重構方法的不足，本發明專利提供一種新的方法，該方法既可以在採用12位CCD或更高位數CCD情況下有效降低處理數據的位寬又可以防止因為運算出現負數而數據溢出。這就是位平面開窗異或方法。該方法所採用的技術方案是首先，設計基於FPGA(Field-Programmable Gate Array)的圖像處理硬體平臺，以12位數字CCD為例，在CCD接收到微懸臂梁焦平面陣列的光強分布並通過12位精度的模數轉換晶片轉換為數字圖像之後，通過FPGA控制 SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)幀存圖像數據。然後，分析圖像數據每一位的成像特性(圖像位平面分析)；根據位平面分析的結果，進行圖像數據位的選擇， 通常選擇8位數據構成新的圖像(開窗截取操作)，將圖像的數據位寬由12位降為8位。 接下來，以8位位寬的數據格式重新幀存初始幀，將採集的每一幀開窗後的圖像數據分別與初始幀圖像數據進行按位異或操作。因為數字圖像的每一個像素點的灰度是由表示該像素點的數據的每一位二進位值共同決定的，在按位異或運算的作用下，當兩幀圖像對應像素點數據不同時對應位二進位值結果為1，相同時為0，從而檢測出了其後每一幀圖像與初始幀圖像的差別並將其輸出。輸出的圖像數據體現為紅外輻射的分布，達到了紅外圖像重構目的。有益效果該方法通過圖像位平面的分析實現了圖像數據的開窗操作，能夠有效地降低處理數據的位寬，同時由於是通過對兩幀數字圖像數據進行按位異或操作，相比與舊有的方法而言，原理更為簡單且實現容易，同時減小了系統設計的複雜度並降低了實時處理的運算量，可以更好的抵抗外界幹擾。通過實驗表明即便採用信噪比較低的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器仍能得到較好效果，既降低了成本又為後續處理提供了極大便利。
具體實施例方式第一步，建立以FPGA作為處理核心，SDRAM作為外擴存儲器的圖像處理硬體平臺。 該平臺帶有CCD或CMOS圖像傳感器接口，能夠採集CCD輸出圖像數據；第二步，啟動微懸臂梁紅外成像系統，其核心單元——雙材料微懸臂梁焦平面陣列接收到外界紅外輻射之後，陣列上的微懸臂梁發生偏轉，通過讀出光路將偏轉角度轉化為CCD可探測光強；第三步，在12位數字CXD接收到微懸臂梁紅外成像系統光學讀出模塊的光強信號之後，通過FPGA控制SDRAM幀存圖像數據，(採用16bit位寬的SDRAM幀存12bit的圖像數據，不足的補零)；第四步，分析圖像數據每一位的成像特性(圖像位平面分析)；然後，根據位平面分析的結果進行圖像數據位的選擇，通常選擇8位數據構成新的圖像(開窗截取操作)；
第五步，通過FPGA的控制在高速存儲器SDRAM中開闢兩塊緩存區Al和A2，這兩塊緩存區大小相同且能夠容納一幀數字圖像；第六步，在FPGA控制下將經過位平面開窗後的初始幀數字圖像數據存入緩存區 Al並保持不變，A2則作為一個可變的臨時緩存區，將其後的每一幀開窗後圖像數據在A2裡面進行一次幀存；第七步，在FPGA裡面將緩存區Al的圖像數據和可變緩存區A2的圖像數據進行異或運算，然後將運算後的數據輸出到標準顯示設備上(如液晶顯示器)，重構出的紅外圖像便通過顯示設備顯示出來了。
權利要求
1.一種用於微懸臂梁紅外成像系統數字圖像重構的方法，該方法應用於雙材料微懸臂梁式紅外成像系統中，其特徵是對12位CCD或更高位數CCD採集到的圖像數據每一位進行分析，即分別利用每一位構造圖像並分析成像效果，然後進行開窗操作，即選取12位數據中的8位構成新的圖像。
2.根據權利要求1所述的數字圖像重構方法，其特徵是對12位CCD或更高位數CCD 採集到的圖像數據選取8位數據構成新的圖像，然後對新的8位圖像進行按位異或操作。
全文摘要
一種微懸臂梁紅外成像系統紅外圖像重構的方法，該方法主要應用於雙材料微懸臂梁焦平面陣列式非製冷紅外成像系統中。該方法利用12位CCD或更高位數CCD所採集圖像數據位平面特性和異或運算特性，進行基於位平面開窗的異或操作。在降低設計複雜度的同時能夠降低處理數據的位寬，從而提高圖像重構速度並改善所成紅外圖像的質量。
文檔編號H04N5/335GK102547155SQ201210006688
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者於曉梅, 劉小華, 惠梅, 武紅, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進, 龔誠 申請人:北京理工大學