数字近红外伪装检测技术

数字近红外伪装检测技术1．数字近红外伪装检测技术传统的近红外伪装检测技术照相成本高、难度大、冲洗不便，数字相机（包括数字摄像机）的出现及其技术水平的不断进步，为近红外伪装检测提供了更便利的实现手段—数字近红外伪装检测。

数字近红外伪装检测就是利用数字相机（包括数字摄像机）采集目标和背景的近红外数字图像并做数据处理后输出，作为目标近红外伪装效果评估的依据。

数字相机（Digital Camera or DC包括数字摄像机 Digital Vidicon or DV）的主要功能是拍摄普通彩色图像，或者说可见光图像（和人眼通常观察的一致）。

其核心感光元件CCD或者CMOS（见图1）的感光范围一般为400nm ～1200nm，其中700nm～1200nm之间的光谱区域就是通常所指的近红外区，故采用CCD/CMOS成像的数字影像设备理论上都能够对近红外产生与可见光同等的感光响应。

这成为数字近红外检测的技术基础。

图1 数字相机中的CCD感光芯片由于CCD光电器件宽泛的光谱响应范围会造成拍摄影像和人眼（人眼只能对处于400nm～700nm光谱段的可见光敏感）观察的可见光影像之间的差异（对景物色调、色饱和度、亮度、对比度等方面有不同程度的影响，景物在可见光和近红外波段的光谱特性不尽相同），为了消除近红外对可见光成像的影响（IR Contamination ），生产商普遍在其数字相机的镜头和CCD间加装了一个红外截至滤镜（ICF IR cut Filter，见图2），其作用就是阻挡或衰减进入感光元件CCD上红外线和紫外线，使CCD实际上只能感应到可见光或者大大降低其对近红外波段的敏感度，使得设备的整体光谱响应特性基本与人眼相近，从而使设备最终形成的彩色影像和人眼看到的影像一致（光谱响应的微量补偿调整通过设备图像处理芯片中的白平衡软件来处理）。

图2 数字相机中的红外截至滤镜（ICF）如果能够将数字相机中的ICF移除或者ICF的效率并不高，使得数字相机在近红外波段仍具有足够高的敏感性，那么在镜头前加装一块红外通过滤镜IPF（Infrared Pass Filter），将可见光滤除，这时CCD 接收到的只有近红外，在满足相机曝光和聚焦的光线强度下可以生成较纯粹的近红外数字景象图像。

目标和背景的近红外光谱特性可以在该近红外图像上得到综合反映，目标与背景在近红外波段的匹配融合程度也以直观的方式显现，可以作为目标在近红外波段伪装效果的评判依据。

该数字近红外图像可以在PC平台上进行进一步数据处理和挖掘提取其他信息并存储、打印、分发和传输，也可以和普通彩色数字图像通过软件工具进行多通道的数据融合，输出彩色红外图像（CIR Image），达到兼容传统胶片照相方式的近红外伪装检测手段的目的。

这就是依托当前数字相机和数字摄像设备的近红外伪装检测技术。

与传统基于胶片的近红外照相检测方式相比，数字近红外伪装检测技术优势明显：1）即时获得近红外数字影像，便于实时评判和数据后处理及传输；2）基于CCD测光自动聚焦和设置光圈、快门，影像能得到正确的聚焦和曝光；3）价格低廉，操作简便——无需昂贵的红外胶卷和复杂的冲洗过程。

2. 数字近红外伪装检测系统设计与研制2．1系统组成及功能数字近红外伪装检测系统有两大部分构成：▲近红外数字照相子系统▲数字图像处理子系统前者主要由数字相机（DC）、红外通过滤镜（IPF）和三脚架等相机支撑调整装置组成，完成景象的数字图像采集功能；后者主要指PC平台图像处理硬软件系统及打印机等周边设备，完成影像数据的处理、变换、融合、彩色红外图像（CIR）合成及其输出等功能。

2．2 近红外检测数字相机数字近红外检测系统的技术基础就是数字相机能够感应景象的近红外光谱，故近红外检测应用的数字相机从属于提高影像质量和系统环境适应性等方面技术要求必须具备较高的红外线灵敏度。

而当前满足此要求的数字相机主要集中在消费类DC领域（专业数字相机对彩色数字影像有着更严格苛刻的要求，所以其ICF和CCD本身设计及工艺都将可见光图像的“近红外污染”降到最小，即其近红外灵敏度很低），可以采用的有以下三类。

1）NightShot型数字相机这类相机以Sony CyberShot DSC-F707为代表（见图3），都具备Nightshot功能，即夜晚拍摄功能。

在几乎所有的CCD光电耦合器装置中，Nightshot系列一直对近红外有很高的感应水平。

当切换到“Nightshot模式”时（如图4），设备内部的红外截至滤镜（ICF）被从光电耦合器前的光路上移开（见图5），即让更多的红外线直接到达光电耦合器。

要用具备该模式的数字相机拍摄近红外图像，仅需要在物镜上安装红外通过滤镜IPF（见图6），然后设定在“Nightshot 模式”上即可。

其它大多数的数字相机都装有红外截至滤镜（ICF），但不可移开，故Nightshot数字相机在任何环境之下可能获得一个比其它类型更清晰的红外图像。

由于此类又兼具大光圈、大变焦范围、操作简便等适合外场应用的基本特点，成为近红外检测数字相机的首选。

此类相机还包括Sony DSC－717，DSC－V1（图7左），Sony DSC －F828（图7右）等。

图3 Sony CyberShot DSC－F707图4 数字相机NightShot模式设定图5 NightShot数字相机结构示意图图6 安装红外截至滤镜（IPF）前后图7 其它Nightshot数字相机2）红外高灵敏度数字相机除NightShot类数字相机外的大多数普通数字相机在特定的环境下也能作近红外检测用。

比如，在明亮的白天，光线中有很强的近红外光谱能量，这时的红外截至滤镜ICF不能100%阻挡近红外导致一定程度上仍能通过。

所有内置ICF的红外线衰减效率也不尽相同。

低效率的ICF使更多近红外通过，意味着可以得到较好的图像，故ICF 的效率与近红外敏感度是成反比的。

通过简单的近红外敏感度测试（图8），可以发现有少数型号数字相机仍具有足够高的近红外灵敏度，可以应用在数字近红外检测中（见图9），如Nikon Coolpix 950、NikonCoolpix990。

图8数字相机近红外灵敏度的简单测试图9 红外高灵敏度数字相机有些环境下红外线是很丰富的（见表1），ICF并不能有效影响近红外成像。

在表1环境<A>中Nightshot型和一个高近红外灵敏度型数字相机在成像上就没有明显的不同。

如果将相机的增益水平设定为最高或人工调整快门速度到一个比较慢的值（1/30秒或1/15秒）,差异也不会很明显。

一般场合下的快门缺省速度是1/60秒或1/50秒,太慢的快门速度（1/8秒或1/4秒）会使移动的物体看起来非常模糊不清，慢的快门速度只被推荐拍摄固定的物体。

在环境C和D中, Nightshot型和红外高灵敏度型数字相机就有明显的不同，后者不可能在环境C或D中不人工减慢快门速度 (1/8秒或1/4秒或者更慢)而得到可接受的图像，此环境中不可能拍摄移动的物体。

对于数字近红外检测的典型应用环境，一般不存在拍摄移动目标景象的检测要求，所以采用自动设置或者大光圈、慢快门的人工设置基本能满足近红外成像曝光的强度要求。

但在某些弱光环境下大光圈带来的景深缩小、慢快门导致的噪声积累以及强度不足引发的聚焦不良会对最终的影像品质产生一定影响。

表1 环境的近红外辐射强度环境红外线辐射量详细的例子A 最高的夏天太阳光最强烈时候的海滩或室外的水池B 很高的阴云密布的夏天室外 / 阳光充足的春天 / 秋天的室外C 适中的阴云密布的春天 / 秋天的室外D 最低的室内 / 室内的白炽灯、日光灯或射灯3）改装型数字相机如果想在上述环境D和C中也能拍摄移动物体的近红外图像，就需要把普通数字相机改装成 Nightshot型。

改装好的DC可以在任何的红外线环境之下得到如Nightshot型一样品质的近红外图像。

需要做的仅仅是去掉安装在镜头和光电耦合器CCD之间的ICF。

ICF 很容易辩别，有蓝绿色（浅蓝色）或深蓝色，个别的有紫色，形状有圆形，正方的, 六角形的或八边形。

改装过程见图10。

需要注意的是：1）光电耦合器CCD芯片是顶端有‘窗户’的集成电路，极易被静电破坏，一定要先释放静电后并接地操作； 2 )不要把指纹或任何的灰尘留在镜头里；3）改装后丧失生产商质量保证资格。

严格上讲，改装型数字相机实际上只适宜驳接匹配的红外通过滤镜IPF采集纯近红外影像。

如果仍需要恢复普通彩色图像功能，则需要在物镜前安装外置红外截止滤镜ICF，而外置ICF光谱特性与DC 图像处理芯片白平衡软件的兼容性问题会使可见光图像存在不同程度的色彩畸变，从而影响彩色和近红外双通道合成的CIR图像，而且此种应用需在ICF和IPF滤镜间切换，操作不简便，所以不推荐。

图10 数字相机改装2．3 红外通过滤镜IPF及其频谱特性1) 红外通过滤镜IPFCCD/CMOS对近红外的感光范围比红外胶片宽，达到1200nm，最高可达1500nm(传统的红外胶片最高可感光1000nm 的红外线)。

因此在使用DC/DV进行近红外检测时，除了可以采用传统红外摄影的全部滤镜以外，最好使用适宜DC/DV特性的红外通过滤镜（IPF）。

常见的IPF有施耐德/B+W 093，保谷（HOYA）、RM90、 M&K1000、HWB760、Kaya PF4等，如图11。

图11 几种常见的红外通过滤镜IPF2) IPF光谱特性IPF在可见光波段透过率基本为零，在近红外谱段开始处很小区间内透过率迅速上升至最大值。

此种优异特性能使DC/DV采集更多细节，能真正体现纯粹的近红外线检测效果。

下面为几种常用红外通过滤镜IPF的光谱特性（图12－16）。

图12 国产星光牌IPF光谱透过率图13 日本KAYA系列IPF光谱透过率图14 德国施耐德B+W系列IPF光谱透过率图15 柯达Wratten系列IPF及Heliopan ICF光谱透过率图16肖特(Schott) RG系列IPF光谱透过率依据光谱透过率的相当或等效关系，有如下知名品牌IPF型号对照表（表2）。

表2 知名品牌IPF型号对照表Schott B+W Hoya Wratten Tiffen 0% 50% RemarksOG590 090 25A #25 - 580 nm 600 nm Really a deep-red filterRG630 091 - #29 - 600 nm 620 nm Dark redRG665 - - #70 - 640 nm 680 nm Almost "black", but not quiteRG695 092 R72 #89B - 680 nm 720 nm Very dark redRG780 - - #87 TI 87 740 nm 795 nm Cuts off all visible lightRG830 093 - #87C - 790 nm 850 nm Usually called "blackRG1000 094 RM90 #87A - 880 nm 1050nm Blocks even some of infrared3) IPF特性选择及其对近红外图像效果影响采集纯粹的近红外影像,要求完全滤除可见光部分。