红外图像处理技术现状及发展趋势

〈综述与评论〉

红外图像处理技术现状及发展趋势

陈 钱

（南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京 210094）

摘要：红外热成像系统因其成像波长较长，导致了红外图像存在噪声大、对比度低、非均匀性大、空间分辨力差等缺陷，为克服这些缺陷，自红外热成像技术诞生之初，红外探测器材料、制造工艺和成像电子学组件的研究便成为三大热点研究方向。在当前电子学硬件平台趋于完善的条件下，先进的红外图像处理技术能够有效地提高红外成像系统的性能及其应用效果，受到了世界各国科技工作者的广泛关注，各种研究成果不断涌现。本文从提高红外图像的温度分辨能力出发，重点对非均匀性校正技术、图像细节增强技术的研究现状进行了总结，并对红外图像处理技术的发展趋势进行了展望。

关键词：红外图像；非均匀性校正；数字细节增强

中图分类号：TN911.73 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2013)06-0311-08

The Status and Development Trend of Infrared Image Processing Technology

CHEN Qian

(School of Electronic and Optical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China)

Abstract：Because of the longer imaging wavelength, the characteristics of infrared images have defects of big noise, low contrast, large non-uniformity and limited spatial resolution. In order to overcome these drawbacks, the material, manufacturing crafts and imaging electronics components have throughout been three main research directions along with the development of infrared imaging technology. Under the present condition when the hardware has been well-developed, the updated infrared image processing technology succeeds to improve the performance of imaging system and applying capability. It attracts the attention of scientists all over the world, and various research results continue to emerge. Focusing on improving the temperature sensitivity of infrared images, this paper concludes the technologies of non-uniformity correction and image enhancement, and discusses its future development.

Key words：infrared images，non-uniformity，digital detail enhancement

0引言

红外成像电子学组件是热成像系统的重要组成部分，其肩负着充分发挥红外焦平面探测器性能、将红外焦平面探测器输出的电信号经过处理转化为视频信号或者其它系统规定格式的信号的功能。红外成像电子学组件则包括硬件系统和图像处理算法两大部分，由于当前硬件系统平台已经十分完善，因此红外图像处理技术成为成像电子学组件的重要研究内容。红外图像处理技术需要针对红外图像的具体特点而开展。受限于红外探测器的制作工艺难度和材料纯度影响，红外图像主要存在如下几个共性问题：第一，红外成像受非均匀性及无效像元的影响，实际温度分辨率不高；第二，红外成像普遍存在噪声大、图像对比度低、灰度范围窄的现象。

针对上述缺陷，国内外学者均进行了相关研究，并取得了一定进展。比如，针对红外图像非均匀性问题，提出了非均匀性校正方法。针对图像对比度

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312 低和灰度范围窄的问题开展了数字细节增强等相关技术研究。本论文将综述上述技术的研究进展，分析红外图像处理技术的发展前景。

1 非均匀性校正技术

理想情况下，凝视焦平面探测器受均匀入射辐射时，视频输出幅度应完全一样。实际上，由于制作器件的半导体材料不均匀（杂质浓度、晶体缺陷、内部结构的不均匀性等）、掩膜误差、缺陷、工艺条件等影响下，其输出幅度并不相同（图1可看出神舟十号整流罩分离红外图像的非均匀性）。凝视焦平面探测器的视频输出非均匀性是红外敏感元件（探测器）、读出电路、半导体特性以及放大电路等各种因素综合的结果[1, 2-4]。具体来源主要有：1）凝视焦平面探测器中各像元的响应特性不一致。2）电荷传输效率。3）1/f 噪声。4）凝视焦平面探测器外界输入的影响。5）红外光学系统的影响。6）凝视焦平面探测器中无效像元的影响。7）凝视焦平面探测器所处环境温度的变化。8）基底掺杂变化，主要依赖基底的生长技术。9）泄漏单元。10）多路转换器的变化以及多输出的端口不匹配。

对红外图像非均匀性的校正，目前主要有基于定标和基于场景的两大类校正方法。 1 .1 基于定标的非均匀性校正技术

无论是一点校正还是二点校正技术，它们都是建立在以下一元线性时间不变的理论模型的基础上的：

()ij b ij b ij V T a T b =×+ (1)

式中：a ij 是各像元的增益系数，b ij 是各像元的偏移系数。该模型假设红外焦平面阵列探测器响应电信号V ij 是黑体或场景红外辐射温度T b 的一元线性函数关系，而且，响应是不随时间变化的。在稳定的使用环境和较窄的场景红外辐射温度范围情况

下，做这样的近似简化可以减少计算量和系统的复杂性[5-7]。具体的校正示意图如图2所示。

图1 2013年6月11日发射的神舟十号红外监控图像的

非均匀性

Fig.1 Infrared image non-uniformity of the 10th Shenzhou

spaceship launched in June 11, 2013

基于定标的校正法主要有如下优点： 1）两点校正法的计算量很小，每个像元的校正只需要一次加法运算和一次乘法运算即可实现。

2）由于计算量小，因此两点校正法可以用硬件实时实现，从而实现红外焦平面阵列探测器成像非均匀性的实时校正。

3）对需要校正的目标图像无任何要求。 但也存在如下缺点： 1）由于探测器单元响应的非线性，系统工作偏离校正定标点时，校正精度变差。

2）由于探测器单元响应特性随时间漂移，系统工作一段时间后，校正效果有可能变差，需要重新定标。

3）如果系统的非线性比较严重或者系统对非均匀性校正要求特别高时，两点校正法将无法满足应用需求。

为解决基于定标的非均匀性校正方法的缺陷，基于场景的非均匀性校正方法正得到快速发展。

Vij

Vij

Vij

(a) 原始响应曲线 (b) 校正增益的响应曲线 (c) 增益和偏移校正的响应曲线

(a) Original response curve (b) Response curve of corrected gain (c) Response curve of corrected gain and offset

图2 非均匀性校正示意图 Fig.2 Diagram of non-uniformity correction