基于余弦算子的紅外熱像儀自然偽彩色編碼

孫文杰，秦 健，孫玉梅

(煙臺南山學院，山東 龍口 265713)

紅外熱成像技術，是一種現代顯像技術，它將物體表面的紅外熱輻射差別，轉換成人眼可見的灰度圖像。灰度圖像偽彩色增強技術，能大大提高人眼的信息獲取能力。

自然界中最為廣泛的一種電磁輻射是紅外線輻射，任何物體在絕對零度以上，都會輻射出紅外光譜能量，其原子和分子運動越劇烈，能量就越大。紅外熱像儀就是利用光敏元件和成像物鏡組成探測器，捕獲被測物體表面發出的紅外光譜能量分布差異情況，通過顯示器轉換為可見光譜圖像的探測儀器。圖像的不同顏色，代表了物體表面不同的溫度。目前，紅外熱像儀已經廣泛應用在軍事、民用和工業領域等，主要體現在發電廠輸配電設備、建筑系統、冶金熱加工處理系統、產品流程檢查、消防安保、醫療檢測、機械石化、模式識別、遙感探測等場合。

現代的紅外熱像儀，不但具有先進的探測元件，還具有相當完善的圖像處理技術，能夠實時高效、清晰地凸顯物體的不同溫度分布情況。但是隨著現代熱像儀應用場景的復雜化，各種噪聲干擾對圖像的清晰度和色彩具有較強的干擾。

本文從白光等密度偽彩色編碼實驗出發，提出了基于余弦算子的圖像處理技術在紅外熱像儀中的應用，經過對比，該算法能夠有效地抑制圖像高斯噪聲，增強圖像邊緣效果，細膩呈現的色彩，較自然地對紅外熱分布進行了偽彩色處理。

1 紅外熱成像

1.1 熱成像系統構成原理

典型的紅外熱成像系統構成如圖1。

圖1 熱成像原理

該系統通過典型的非制冷紅外焦平面探測器，在5 000 m內進行非接觸近距離或遠距離物體的熱輻射探測[1]，經A/D轉換為電壓信號，通過電子系統對圖像預處理，最終經顯示器呈現熱圖像和溫度值，該圖像稱為偽彩色圖像，溫度值可以計算，可以進行故障區域判別和因素分析。

1.2 紅外圖像特點

光譜中波長0.76～400 μm的一段位于可見光紅光的外側，所以稱為紅外線，根據紅外線在光譜上距離可見光位置的遠近，被分為遠紅外、中紅外和近紅外這3種，各段都有自己的特性，比如利用遠紅外對人體組織穿透力強，進行理療。雖然目前的紅外熱像感光范圍，已經擴展到中紅外，但主要探測的還是近紅外，中紅外CCD感光器像素低。

紅外熱像儀經過近40年的發展歷史，目前已升級到第四代，其核心器件是探測器，擁有高分辨率、大面陣、多波段、智能靈巧型系統級芯片，具有一定的數字信號處理功能，能夠在夜晚和人員無法到達的場地進行取景，獲得不同算法處理的彩色圖片。但是目前市場上很多熱像儀拍出的偽彩色圖像，其色彩信息還不夠豐富，不能很好地實時顯示任意模式的彩色圖像，對于某些溫度差異小的圖像細節，分辨率還不夠高。

2 偽彩色圖像增強方法對比

2.1 常用圖像增強技術

在圖像識別技術中，為了獲得更多的有效信息，在采集到紅外感應圖像數據后，就需要對較為模糊的紅外圖像進一步目標增強，尤其是黑白或其他灰度圖像。灰度圖像有不同的灰度級，對應著每個像素通道都有灰度值，不同灰度值可通過線性或非線性映射函數進行區域或邊緣增強，經過紅綠藍三基色合成出偽彩色圖像，使得觀察目標層次分明而更易于識別。

目前，較為常用的偽彩色增強處理方法有3種：空間灰度分割法、灰度色彩映射法和頻率域濾波法。

（1）空間灰度分割法。把灰度圖像的灰度值分割成若干段，每一段賦予一種色彩。該方法直觀簡單，易于硬件實現，為早期紅外熱像儀采用的圖像處理方法，國內外市場都有售該類儀器，效果不太好，色彩數目有限，視覺效果生硬，量化噪聲大。下面是一種8位位深的偽彩色編碼，增強效果如圖3。

J=floor(I/32);

J1=floor(J/4);

J2=rem(floor(J/2),2);

J3=rem(J,2);

POut(:,:,1)=J1;

POut(:,:,2)=J2;

POut(:,:,3)=J3。

（2）灰度色彩映射法。把灰度圖像分為紅綠藍3個通道，每一個通道采用不同的映射函數進行增強處理。該方法比灰度分割法圖像增強效果要好，可以將灰度圖像變換為具有多種色彩漸變的偽彩色圖像。下面是圖像變換原理、偽彩色編碼及其圖像增強效果。

圖2 灰度色彩映射原理

if(0

I(i,j,1)=0;I(i,j,2)=4*I(i,j,2);I(i,j,3)=255;

else if(64

I(i,j,1)=0;I(i,j,2)=255;I(i,j,3)=-4*I(i,j,3)+128;

else if(128

I(i,j,1)=4*I(i,j,1)-128;I(i,j,2)=255;I(i,j,3)=0;

else I(i,j,1)=255;I(i,j,2)=-4*I(i,j,2)+255;I(i,j,3)=0。

（3）頻率域濾波法。把灰度圖像經傅里葉變換，切換到頻率域對其增強處理。該方法采用紅綠藍3個不同傳遞特性的濾波器，對變換后的圖像頻譜進行分割，如為突出高頻成分細節，可以把紅色通道設置成高通濾波器；再如可以設計帶阻濾波器抑制圖像中的某些頻率成分。

下面是256色以下灰度圖像濾波代碼及其圖像增強效果。

I=imread('brain.bmp');

[m n p]=size(I);

F=fft2(I);fftshift(F);

h=ones(1,1)/2;Red=imfilter(F,h);Redcolor=ifft2(Red);

h=ones(5,5)/25;Green=imfilter(F,h);Greencolor=ifft2(Green);

h=ones(1,5)/25;Blue=imfilter(F,h);Bluecolor=ifft2(Blue);

Redcolor=real(Redcolor)/100;

Greencolor=real(Greencolor)/100;

Bluecolor=real(Bluecolor)/100;

POut(:,:,1)=Redcolor;POut(:,:,2)=Greencolor;POut(:,:,3)=Bluecolor;

Figure;imshow(POut)。

圖3 圖像增強效果對比

以上3種常用偽彩色編碼算法，對灰度范圍處理簡單，不是每個灰度值對應不同色彩，而是每一段灰度圖像數據對應一種色彩，圖像增強效果不是很清晰，對應紅外感應的灰度圖像也是如此。下面介紹的余弦算子，較好地解決了灰度范圍集中不易偽彩色化的問題，使灰度圖像按照余弦函數自然增強后實現偽彩色化。

2.2 余弦算子的自然偽彩色編碼

依據傳統白光光學信息處理系統中，灰度圖像的白光等密度偽彩色編碼實驗[5]，進行數學建模，最終得到零級譜偽彩色圖像強度與原始灰度值之間的算子關系為

式中，

f(i,j)為紅外熱像儀探測得到的灰度圖像像素值；

y(i,j)為經過余弦算子灰度變換作用后，得到的單色灰度像素值；

λ為對應像素值f(i,j)的三基色波長參考相對值。

由于f(i,j)取值為0～255，故λ一般取值也為0～255，對于y(i,j)，其輸出值為歸一化數值0～1。

上述關系如圖4所示。

圖4 單色灰度變換

由y(i,j)表達式，可以得出RGB三基色偽彩色處理的配色方程：

該方法能處理24位多種常見格式的圖像，得到的偽彩色圖像輪廓清晰，亮度及色彩層次感強，具有較高的灰度靈敏度。

r=input('Please input color value(0-255):r=');

Ir(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/r);

imwrite(Ir,'Ir.bmp');

figure;imshow(Ir);title('Red Enhancement');

g=input('Please input color value(0-255):g=');Ig(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/g);

imwrite(Ig,'Ig.bmp');

figure;imshow(Ig);title('Green Enhancement');

b=input('Please input color value(0-255):b=');

Ib(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/b);

下面是針對紅外熱像儀圖像增強技術，采用傳統偽彩色圖像增強算法和弦函數圖像增強算法進行的實驗效果對比。對同一幅紅外圖像，得到不同的試驗結果。

如圖5(b)傳統灰度色彩映射法偽彩色編碼，效果較差，而且不能實時可調，

圖 5(c)r=123，g=96，b=154 和圖 5(d)r=78，g=123，b=80是利用余弦算子在不同可調參數下偽彩色的結果。

由實驗結果可以看出，傳統的灰度色彩映射法在灰度太集中時圖像顯示不清晰，不能實時分析各段的溫度圖像。

本文所提余弦算子自然偽彩色編碼能很好地根據波長值 λR、λG、λB(程序中為 r、g、b) 實時調節高溫區、低溫區，溫度不同的地方色彩不同，容易分辨出不同的溫度區域，所成紅外偽彩色圖像清晰。

圖5 實驗結果

3 結束語

根據紅外熱像儀成像原理，為保障采集的數據能夠真實清晰地再現場景圖像，優異的數字圖像增強技術，能夠使非常規紅外圖像得到人們視覺上的認可，易于圖像識別。常用偽彩色圖像算法，不能夠實時靈活的對灰度數據進行自然處理，而余弦算子偽彩色編碼對紅外成像的圖像增強效果，優于傳統偽彩色編碼方法，能夠較為真切的反映出場景區域內不同紅外能量差別。其形成的圖像，還可以同可見光譜圖像進行融合顯示，更進一步把圖像的有效信息呈現出來。

[1]寧國祥，易新建.紅外焦平面陣列圖像的偽彩色編碼和處理[J].紅外技術，2002，3(2)：57-59.

[2]曹茂永，郁道銀.高灰度分辨率圖像的偽彩色編碼[J].光學技術，2002，28(2)：115-117.

[3]JinmingSu,HongLiu.Matlab program ofhigh level[M].Beijing:Publishing House ofElectronics Industry,2005.

[4]王仕璠,劉 藝.現代光學實驗教程[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.