红外图像非均匀性校正方法综述_陈锐

1、第24卷第1期红外技术Vol.24No.12002年1月InfraredTechnologyJan.2002系统与设计红外图像非均匀性校正方法综述陈锐,谈新权(华中科技大学电子与信息工程系,湖北武汉,430074)摘要:红外图像的非均匀性是制约红外成像系统成像质量的限制性因素。对国内外广泛应用的两点校正法进行了原理探讨,并阐述了恒定统计平均法、时域高通滤波器法和神经网络校正法等几种正在实验室大力研究的非均匀性校正技术。关键词:红外焦平面阵列;非均匀性校正;两点校正法;恒定统计平均法;高通滤波;神经网络中图分类号:TN216文献标识码:A文章编号:1001-8891(2002)01-0001-0

2、3式中,x为某一探测器单元的输入信号,y为可测的输出信号。如果能求出增益因子a和偏移因子b,就可求得无畸变的输入信号x。2.1两点校正法从红外图像非均匀性的来源和表现形式可以看出,如果各阵列元的响应特性在所感兴趣的温度范围内为线性的,在时间上是稳定的,并假定1 f噪声的影响较小,则非均匀性引入固定模式的乘性和加性噪声,在此条件下焦平面阵列元在均匀辐射背景条件下的输出为:xij( )=uij +vij(2)其中: 为辐射通量,uij和vij是坐标为(i,j)阵列元的增益和偏移量,对于每一个阵列元,uij和vij的值都是固定的,并且不随时间变化。因此采用两点法校正即可实现红外焦平面阵列图像的非均匀

3、校正,即yij=Gij+xij( )+Oijyij为校正后的输出。两点校正法在光路中插入一均匀辐射的黑体,通过各阵列元对高温TH和低温TL下的均匀黑体辐射的响应计算出Gij和Oij,从而实现非均匀校正。在图1中给出了两点校正法的示意图,两点法校正将所有阵列元在高温TH和低温TL下的响应分别规一化为VH和VLVH=Gijxij( H)+OijVL=Gijxij( L)+Oij(1)校正增益和校正偏移量即可通过下式计算出来(4)(5)(3)Gij,Oij分别为两点校正法的校正增益和校正偏移量,1概述红外焦平面器件是一种兼具辐射敏感和信号处理功能的新一代红外探测器,采用焦平面探测器的成像系统具有很多

4、优点。如果系统的探测器元数为N,理论上信噪比可提高N倍。但由于各个探测器的响应度的不一致,导致红外图像的非均匀性,严重影响着红外传感器的成像质量,因此必须进行红外非均匀性校正。补偿焦平面探测器非均匀性的方法有多种,但由于此类噪声的来源与瞬态噪声不同,不能采用通常的处理方法(帧 场处理)。因此抑制固有空间噪声比抑制瞬态噪声更困难,必须采用现代数据处理的方法。到目前为止还没有找到适应性较强的算法,方法的研究都是面向某种特定条件和工作模式的。目前探测器非均匀性校准方法主要有两点温度定标法(TPC)、多点温度定标法(ETPC)、恒定统计平均法(CSC)、时域高通滤波法(THPFC)和人工神经网络法(A

5、NNC)等。目前应用最广的是两点温度定标法和多点温度定标法。以上多种方法可分为两大类:线性校正和非线性校正。其中前三种属于线性校正技术,后两种属于非线性校正技术。技术上线性校正相对非线性校正来说较为成熟。2非均匀性校正方法线性校正假设探测器单元的响应呈线性,y=ax+b收稿日期:2001-05-28Vol.24No.1红外技术Jan.2002相对式(1)增加了响应的噪声项,并提出了使用Wiener滤波方法估计增益因子和偏移因子的方法。理论上,这种方法优于CS算法,但其计算复杂,不适合实际系统使用。2.3时域高通滤波器法阵列元的响应特性随时间缓慢的变化和阵列元内部的1 f噪声集中在低频部分。目标

6、相对于杂波背景在像平面上具有较大的运动速度,因此目标信号具有相当的高频能量;而背景杂波,如云层等因素在像平面直线a和直线b分别代表一个阵列元的响应特性,直线c为校正后所有阵列元的响应特性上的移动速度很小或相对静止,因而表现为低频分量。因此采用高通滤波器方法可以在实现非均匀性校正的同时达到突出目标的目的。其原理如图2所示。图1两点校正法示意图Fig.1DiagramofTPCGij=Oij=VH-VLxij( H)-xij( L)(6)(7)图2时域高通滤波算法原理框图Fig.2BlockdiagramofTHPFCVHxij( L)-VLxij( H)xij( L)-xij(H)其中xij(

7、H)和xij( L)分别为像元(i,j)在高温和低温均匀辐射背景下的响应。将各阵列元的校正增益Gij和校正偏移量值Oij预先存储起来,在探测过程中以此对探测器的响应值按式(3)不断进行校正。两点校正法假定探测元的响应特性在所感兴趣的温度范围内是线性的,实际情况并非如此。为弥补两点校正方法的这一不足,可进一步采用选择多个温度点进行多点校正。2.2恒定统计平均法CS算法建立在如下假设之上:1)每个探测器单元的输出信号的统计平均值是很恒定的。2)输入到每个探测器单元的输入信号的统计方差都相等。则式(1)可写成为:my=Ey=Eax+b=aEx+b=amx+b(8)y=ax不失一般性,假设mx=0,x

8、=1,则有b=mya=yx=(y-my) y(10)(11)(12)图2中y(n)=x(n)-f(n)低通采样输出为:f(n)=x(n) N+1-(1 N)f(n-1)(15)式中:N为设置的帧数。可以先假设某像素在第n帧经增益校正后得到一个滤波器输入量x(n),经过无限冲击响应滤波器(IIR-DF)低通处理后得到了低通输出f(n),再通过减法运算得到一个高通输出y(n)。经Z变换得到传递函数为:H(z)=Y(z) X(z)=(N-1)(z-1) Nz-(N-1)(16)这种方法抑制了1 f噪声对图像和NUC的影响,克服了基于参照元校正存储量大的问题,但也要求探测器响应率有较好的线性。2.4人

9、工神经网络法可以完全不对FPA进行标定(或自动标定),是红外成像系统的理想境界,依赖于神经网络方法自适应地进行校正系数的更新是目前实验室研究的热点之一。具体办法是:让每一个神经元连接一个阵列元,再设计一个隐含层,它的每一个神经元就像水平细胞元那样与邻近的几个阵列元连接起来,得到它们的平均输出值反馈到它的上层神经元去计算非均匀性,采用最陡下降法依据实际景象逐帧迭代,直至达到最佳状(14)(9)在实际计算时,均方根可用平均绝对误差代替;平均值和平均绝对误差可用迭代方式计算。国外针对CS算法进行了专用模拟芯片的研究。MajeedM.Hayat等提出了另一个更接近实际的线性模型:y=ax+b+n(13

10、)2002年1月陈锐等:红外图像非均匀性校正方法综述第24卷第1期态。过程如下:1)计算邻域平均值:fij=(xi,j-1+xi,j+1+xi-1,j+xi+1,j) 4(17)2)令y=Gx+O,其中G为增益校正因子,O为偏移量校正因子。误差函数:F(G,O)=(Gx+O-f)2行定标,校正系数可以经过学习连续更新,对探测器参数的线性和稳定性要求不高,但研究工作量大,应用时计算量大,需要特殊并行计算机结构来实现。3结束语红外探测器是红外成像系统的关键部件,但红外图像的非均匀性直接影响系统的质量。因此解决非均匀性校正成了头等重要的问题。尽管世界范围内的FPA非均匀性校正问题的研究工作、技术途径

11、多种多样,但目前在商业上有推广价值的和军事上能够实用的还是两点法或扩展两点法,专家和工程师们的着眼点依然是修正完善两点法提高精度和算法处理速度。同时,在实验室还在大力研究其它非线性校正方法,如神经网络校正法、时域高通滤波器法。(18)利用此函数的梯度函数和最陡下降法,可以得到计算G和O的迭代公式:Gn+1=Gn-2ax(y-f)On+1=On-2a(y-f)其中:a为下降步长,n为帧数。3)利用线性校正算法,计算yn+1=Gn+1×Xn+a+On+1(21)(19)(20)可见,神经网络方法在理论上完全不需对FPA进参考文献1SchulzM,CaldwellL.Non-uniform

12、itycorrectionandcorrectabilityofinfraredfocalplanearraysJ.InfraredPhysics&Technology,1995.36:763777.2HarrisJG.Non-uniformitycorrectionusingtheconstant-statisticsconstraint:analoganddigitalimplementationsA.SPIEC,1997.3061:895905.3MajeedM.Hayat.Model-basedreal-timenon-uniformitycorrectioninfocalpl

13、anearraydetectorsA.SPIEC,1998.3377:122131.4ScribnerDA.Adaptivenon-uniformitycorrectionforIRfocalplanearraysusingneuralnetworksA.SPIEC,1991.1541:100108.作者简介:陈锐,1979年生,男,华中科技大学硕士研究生,主要研究方向图像处理、数字信号处理、多媒体技术、光电成像技术。谈新权,1945年生,男,华中科技大学教授,主要从事光电技术、激光通信、通信与信号处理、数字视频技术研究。StudyonNon-uniformityCorrectionofInf

14、raredImageCHENRui,TANXin-quan(Electronics&InformationEngineeringDepartment,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Infrarednon-uniformityhaslimitedthequalityofinfraredimagingsystem.Inthispaper,wediscussedtheap-proachoftwo-temperaturepointscorrection(TPC)indetail.Asthefurtherresearchinthisarea,constant-statisticscorrection(CSC),temporal