基于可調閾值窗口的紅外盲元檢測算法

闞博涵，殷金堅，李凌杰，穆 宇

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

制冷型凝視紅外焦平面探測器(IRFPA)以其靈敏度高、探測能力強、輸出幀頻高及圖像穩定性好等優點在紅外偵察系統、紅外導引和跟蹤等系統中得到廣泛應用，但由于半導體材料的不一致性、制作工藝、多通道讀出電路設計不一致性等因素的影響［1］，紅外焦平面探測器不可避免的出現諸如非均勻性、盲元等問題，這些問題對正常的紅外圖像造成了巨大的影響。從目前的文獻來看，國內外盲元處理的基本算法是中值濾波、領域插值和基于窗口的算法，這些方法能有效地檢測和處理大部分盲元，但并沒有考慮紅外成像系統光學、探測器輸出溫漂等因素，因此會不可避免地遺漏部分變化不定的盲元或者誤判某些正常像元，如圖1所示，本文提出了一種基于窗口閾值可調整的紅外盲元檢測算法，能大幅提升盲元檢測的成功率，降低盲元誤判，對改善紅外圖像質量有重要意義。

圖1 盲元遺漏及誤判的紅外圖像

2 盲元模型

通過標準黑體給出了探測器的盲元模型，假設探測器規模為320×256，其中某個像元(i，j)的響應率R(i，j)為紅外探測器陣列在一定的積分時間內對單位輻射照度功率的紅外線產生的輸出電信號［2－3］，見公式(1):

式中，i=0～319;j=0～255;V(i，j)為像元對應于輻射照度功率P的響應電壓。

由公式(1)可得紅外探測器有效像元的平均響應率［2－3］:

式中，M=320;N=256;d和h分別是無響應像元和異常像元(響應明顯易于正常像元)數。在實際計算過程中，d和h隨閾值的改變而發生變化。

圖2 探測器像元響應率分布模型

圖2中，α表示盲元檢測的上限，它說明了盲元的響應率超出平均響應率的水平，即滿足以下關系:

β表示盲元檢測的下限，它說明了盲元的響應率低于平均響應率的水平，即滿足以下關系:

盲元從圖像視覺角度看和周圍相鄰正常像元的差別比較明顯，且盲元在局部窗口中比較集中，因此從整幀圖像看表現為一些離散的亮暗點，所以用窗口響應率進行盲元檢測，效果會比全窗口效果更好。

3 盲元檢測步驟

為了獲得最佳的盲元檢測效果，使用標準黑體作為輻射源。熱像儀采集高溫輻射和低溫輻射，采集完成后根據當前的紅外成像光學系統等選擇適當的分割窗口，從而消除光學系統不同區域輸入能量不同導致的盲元誤判問題。通過調整上限α和下限β的值，根據公式(3)、(4)確定的盲元判斷準則來判斷當前像元是否為盲元［4－6］，具體步驟如表1～3所示。

表1 黑體單點盲元標定方法

表2 黑體兩點盲元標定方法

表3 基于圖像的盲元標定方法

表1所示方法可以消除探測器大部分死元，這些像元呈現全黑或者全白的點，響應率極低。

表2所示方法可以消除探測器大部分異常元，這些像元有響應，但是和正常像元相比差異很大，響應率過高或者過低。

表3所示方法可以消除探測器大部分不穩定像元，這些像元在某些時候響應和正常像元類似，有時候又有差異。

三種方法在盲元檢測過程中可選擇性的使用，也可依次使用。同時開窗大小也可任意選擇，但是考慮到算法的運算速度，推薦窗口大小選擇為2的冪次，同時考慮到樣本數選擇不能太小，否則窗口內的平均值不足以抵消異常元的影響，造成圖像有效信息被濾除，人為的引起圖像質量下降，因此推薦選擇如16、32、64等窗口大小。在盲元檢測的過程中，上限α和下限β值設置越小，則盲元檢測越嚴格，盲元識別率越高，但是容易將響應率稍偏離平均響應率的像元當作盲元識別出來，從而造成誤填。此時通過選擇合適的窗口大小，則可減少誤填的概率，窗口越小，則紅外成像光學系統、探測器輸出溫漂等影響就越小，識別盲元的概率將大幅提升，但是容易引入噪聲的影響，因此在實際的盲元檢測過程中，選擇多大的窗口、上限α和下限β的值與探測器本身的性能有很大的關系，不同的探測器有自身對應的一套設置參數，該套參數可存入FLASH中，掉電不會丟失。

4 試驗結果及分析

從標準黑體采集完高低溫輻射后，使用三種方法結合不同的開窗大小，對探測器輸出圖像進行盲元檢測，如圖3～6所示。圖3采用全幀模式檢測盲元，圖4采用16×16開窗模式檢測盲元，圖5采用32×32開窗模式檢測盲元，圖6采用64×64開窗模式檢測盲元，各種模式下檢測出的盲元數目如表4所示。

圖5 32×32開窗模式下輸出的紅外圖像

圖6 64×64開窗模式下輸出的紅外圖像

圖3 全幀模式下輸出的紅外圖像

圖4 16×16開窗模式下輸出的紅外圖像

表4 盲元檢測效果列表

圖像質量的評判是根據人眼觀察監視器上的紅外圖像舒適程度來決定的。盲元數目可由軟件自動計算得出。根據以上試驗結果，可知在采取16×16開窗模式及相應的上下限閾值可以將探測器輸出圖像上很多的離散盲元點徹底檢測并解決掉，處理后的圖像視覺質量得到大幅提升。試驗結果說明本文提出的算法合理可行，對提升紅外熱像儀圖像質量有極大的作用。

5 結論

本文對影響制冷型紅外熱像儀圖像質量的盲元進行了理論分析，并建立的數學模型，根據盲元模型提出了一種盲元檢測算法。通過試驗可以看出該算法對盲元檢測效率高、檢測效果好，可大幅提升紅外熱像儀的圖像質量。

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