非制冷紅外圖像非均勻性校正在FPGA上的實現

摘 要：紅外焦平面陣列（IRFPA）的非均勻性是影響紅外系統成像質量的關鍵性因素，在此提出了一種非制冷紅外圖像的非均勻性校正及其在FPGA上的實現方法，通過對非制冷紅外圖像盲元及非均勻校正方法分析，提出了二點加一點定標校正方法，并利用FPGA實現紅外圖像非均勻校正的實時處理，獲得了較好的實驗結果。利用二點加一點定標校正方法，可以改善紅外圖像非均勻性校正效果，用在FPGA上實現非均勻性校正可以實現紅外圖像的實時處理，便于集成和移植。

關鍵詞：非制冷紅外圖像盲元； 非均勻校正方法； FPGA； IRFPA

中圖分類號：TN91934 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22006203

紅外熱成像技術是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，能直接觀察到溫度的世界。隨著紅外技術的不斷發展，紅外熱成像系統已從單元探測器光機掃描成像方式發展到焦平面凝視成像方式。由于制作器件的半導體材料的不一致性、掩膜誤差、缺陷、工藝等原因，紅外焦平面陣列（Infrared Focal Plane Array，IRFPA）器件各探測單元響應特性之間普遍存在著非均勻性及盲元［1］，在圖像上表現為空間噪聲或固定圖案噪聲、暗點或亮點。

紅外焦平面陣列（IRFPA）的非均勻性是影響紅外系統成像質量的關鍵性因素，嚴重影響了紅外傳感器的成像質量，因而工程中使用的IRFPA器件都要采用相應的非均勻性校正技術?；诙说姆蔷鶆蛐Ｕ夹g是在特定溫度的黑體均勻輻射下，對紅外焦平面進行定標，通常需要事先獲得校正所需要的定標系數，然后在校正實現過程中讀取這些數據做相應的處理，精度高，算法相對簡單，便于硬件實現。

1 紅外圖像非均勻性校正原理

1.1 盲元檢測與替換

盲元，或稱失效元，是指焦平面器件中響應過高和過低的探測器單元［2］，盲元的數量及其分布對器件性能的影響很大，因此對焦平面器件中的盲元進行檢測和補償對提高紅外系統的性能具有重要的意義。

對于盲元的定義，主要是從器件對黑體輻射的響應程度作為量化指標的。正常探測器像元與盲元在響應特性上有很大差異，正常探測器像元的溫度響應特征曲線是在一定動態范圍內呈線性的，一般情況是隨著溫度的升高其對應的特征值也隨著升高，而盲元的動態范圍遠離正常的探測單元的動態范圍，在特征曲線的表示為變化斜率偏高或者偏低（如圖1所示）。

本系統采用基于兩點參考輻射源的盲元檢測技術，借助高、低溫黑體參考源均勻照射紅外探測器，得到兩組響應數據，即不同溫度輻射源照射下探測單元成像灰度值。并分別求取兩組響應數據的平均響應值，其中MXN為探測器探測元陣列個數：Y1 = 1M×N∑Nj = 0∑Mi = 0XT1ij ，Y2 = 1M×N∑Nj = 0∑Mi = 0XT2ij 定義高、低輻射源照射下的平均響應值之差Y2-Y1為平均響應率，每個像素點在高、低輻射源照射下的響應數據之差為響應率，若某像素點的響應率大于平均響應率的1.2倍或小于平均響應率的0.8倍，則該像素點視為盲元，并在數組中標記。

盲元替換是采用盲元周圍的有效圖像信息對盲元位置的信息進行預測和替代的過程。根據盲元檢測的數組標記確定要替換的像元，以該像元為中心進行加窗擴展，將3×3里面除盲元外的8個元素的響應值求取平均值，將盲元的響應值用平均值替代（如圖2所示）。

基于參考輻射源的非均勻性校正算法也稱為基于定標的非均勻校正算法，是目前最為成熟并且已經實用化的一類［3］，精度高，算法相對簡單，便于硬件實現。這類校正方法的設計思想是：利用參考輻射源對紅外焦平面陣列成像系統均勻輻照度，對每個探測器單元的響應輸出進行測量，由此計算得出各探測校正所需要的定標系數；當紅外焦平面陣列成像系統接收到實際目標場景輻照度時，用探測器單元相應的定標系數對其進行實時校正。按參考輻射源定標點的個數分為一點校正算法、兩點校正算法、多點校正算法。

一點校正和兩點校正都是假設紅外探測器的響應曲線為直線，多點校正則認為探測器的響應為曲線，并用分段的直線來近似響應曲線，在每段利用兩點校正算法校正。在紅外焦平面陣列中，雖然每個探測單元的響應函數是一個非線性函數，但一個較小的工作范圍內，探測器的響應曲線可以近似為直線。

一點定標校正算法的優點很明顯，它只需測出紅外焦平面陣列在一個均勻輻照度下各個探測器單元的輸出，即可計算得出校正參數，定標測量容易實現，算法相當簡單。但是這種算法的缺點也很大，從算法和示意圖中可以看出該算法實質上只對器件的偏置做了補償，而沒對增益做校正，即相當于將響應直線做了位置的平移（如圖3所示）。

圖3 不同像元響應直線與一點定標校正結果為了克服一點定標線性校正算法的不足，引入兩點定標線性校正算法。兩點校正法是通過測量陣列中各探測器單元對2個不同輻照度的均勻黑體輻射的響應，并由此計算出校正值，從而實現非均勻性校正。其原理如下：

（1） 在黑體溫度為T1 時，測得探測器第ij單元的響應XT1ij；

（2） 在黑體溫度為T2 時，測得探測器第 ij單元的響應 XT2ij；

（3） 計算各個單元的校正系數。

在動態范圍下，T1 和T2 兩個標準響應值分別為YT1 和YT2。標準響應在理論上是可以任意指定的，但是應該考慮定標表示范圍和探測器的響應范圍，則有：XT1ij=GijXT1ij+Qij， XT2ij=GijXT2ij+Qij 由上式可得：Gij=YT2－YT1XT2ij－XT1ij， Qij=YT1－GijXT1ij 所以任意單元的校正方程為：Yij=GijXij+Qij 由校正方程可以看到通過對每一個像元乘上一個增益Gij，然后加上一個偏差Qij，就可以完成像元的校正。

兩點定標線性校正算法側重于從非均勻性產生的機理出發進行校正，它需要對2個定標點進行測量，對每個探測器單元得到2個校正參數。該算法不僅對偏置進行了校正，還對增益系數做了校正，校正的動態范圍比一點定標線性校正算法明顯增大。如果探測器單元的響應具有較好的線性度時，通過兩點定標線性校正算法來進行非均勻性校正，可以獲得較好的校正效果，且在兩個定標點上的校正效果最好。該算法存儲數據量和計算量都較小，對每個探測單元只需存儲兩個校正參數，完成一次乘法和加法，所以算法用軟件或硬件都易于實現。

由于兩點定標線性校正的兩個定標點溫度差異較大，當探測器工作在偏離定標點溫度較遠的環境時，探測器兩點定標輸出的常溫測量值將會產生一定偏差，紅外圖像背景值偏高或偏低，表現為紅外圖像背景偏亮或偏暗，并出現輕微斑塊。本系統結合一點定標校正與兩點定標校正方法，將兩點校正與一點校正結合，即兩點加一點校正，在高低溫黑體輻射兩點校正的基礎上再與常溫黑體輻射進行一點校正，對器件的偏置補償做進一步修正，使常溫黑體輻射下各像元的響應數據一致，令紅外圖像背景更加干凈（如圖4所示），常溫黑體用鏡頭上的黑體擋板充當。

紅外圖像的非線性校正采用高、低溫黑體的兩點校正，并通過常溫黑體進行偏移量的再次修正。通過紅外鏡頭內黑體擋片的移動獲取常溫黑體溫度值，對該常溫黑體溫度值的每個像素利用上面的校正增益和初步校正偏移量進行兩點校正，將校正值與未校正值結合進行一點校正求取校正偏移量，該校正偏移量也被寫入FPGA的雙口存儲器中待用，以上操作由NiosⅡ軟核CPU完成。

實時紅外圖像采集進來后，首先根據校正增益上的盲元標記判斷相應像素是否為盲元，盲元將被周圍8個像素的平均值代替，盲元替換后的紅外圖像與雙口存儲器中的校正增益和校正偏移量進行兩點校正運算得到校正過的圖像數據（如圖5所示）。

圖5 紅外圖像校正流程圖這些運算由FPGA內的嵌入式硬件乘法器配合進行，運算速度快，保證了圖像的實時性。

圖6 非線性校正的部分Matlab程序及生成的模塊3 實驗結果分析

圖7是探測器非均勻性校正前的輸出圖像，能夠發現圖像存在明顯的縱向條紋噪音，圖像主要由噪聲及盲元組成，圖像的主體顯示不清，背景偏亮；右邊是通過非均勻校正處理后的圖像，校正算法很好地去除了盲元和條紋噪音，同時背景亮度有一定下降，這是兩點校正與一點校正結合后對器件的偏置補償做進一步修正的結果。

非均勻校正一直是紅外圖像處理中的關鍵技術，本設計使用FPGA的片內存儲器存儲系統計算好的校正系數，得用片內乘法器實現校正計算，充分利用了FPGA的硬件資源，考慮了FPGA的結構特點，實現了紅外圖像的實時處理。經過理論分析和實驗效果比較，取得了良好的效果。