基于工控機的紅外圖像處理系統設計

曹立華

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

基于工控機的紅外圖像處理系統設計

曹立華

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

為了提高紅外圖像處理系統的集成度和通用性，本文設計了一套基于工業控制計算機的一體化紅外圖像處理系統。首先給出該系統的硬件組成原理；然后介紹了系統軟件的設計思想，著重介紹了紅外圖像增強；最后結合飛機目標對系統進行性能驗證，結果表明本系統圖像采集、存儲、增強顯示和目標跟蹤功能正常，系統穩定可靠，通用性強。

紅外；工業控制計算機；一體化

隨著紅外探測器技術和紅外應用技術的發展，目前，紅外技術不管在軍事上、民用方面的應用都越來越廣泛，其中紅外圖像的處理技術的需求也越來越大，同時對其集成化和通用性提出了更高的要求。

本文設計了一套基于工業控制計算機的一體化紅外圖像處理系統，該系統集圖像采集、存儲、增強顯示、目標跟蹤功能與一體，并且能適應多種紅外相機輸出的圖像，通用性強。通過對搭建的試驗平臺，對本系統進行驗證，結果表明該系統圖像存儲無丟幀，圖像增強顯示對比度強，目標提取和跟蹤算法穩定，系統可靠性高。

1 系統硬件組成原理

本文設計的基于工業控制計算機平臺的一體化紅外圖像處理系統的硬件組成原理框圖如圖所示。

圖1 一體化紅外圖像處理系統硬件組成原理圖

如圖1所示，工業控制計算機是該系統的核心處理器，是系統所有軟件的運行硬件平臺，負責圖像采集、增強、存儲和目標的提取與跟蹤功能，同時負責與紅外探測器和外部設備進行通訊。紅外探測器輸出的紅外圖像經過圖像采集卡進入工業控制計算機的內存中，圖像采集卡可以設置多種采集模式，因此可以適應多種格式的紅外圖像；工業控制計算機將內存中的圖像進行處理，原始紅外圖像經過圖像增強實時顯示后，可以通過圖像輸出設備輸出，供遠端用戶觀察使用；同時目標的提取、跟蹤的結果輸出到后續使用平臺。

2 系統軟件設計

2.1 軟件總體設計

系統采用windows操作系統為平臺，C++為開發語言，應用多線程技術提高應用程序的實時性，多線程應用程序的框架如圖所示。

如圖2所示，在程序將運行所需的環境和變量初始化完成后，創建四個線程，圖像采集線程、圖像存儲線程、圖像跟蹤線程和圖像顯示線程。圖像采集線程對輸出的紅外圖像進行采集，當采集到一陣圖像后，將當真圖像緩存進存儲、處理和顯示緩存區，同時通知存儲、處理和顯示線程對圖像進行后續處理。存儲線程負責對圖像的實時存儲，處理線程負責對目標的提取、跟蹤和識別等算法的實現，顯示線程負責對紅外圖像進行增強處理和外送。

圖2 軟件設計總體流程圖

2.2 圖像增強算法

本文紅外圖像增強算法采用單尺度Retinex算法（SSR），單尺度中心環繞Retinex算法（SSR）的數學模型為：

R(x,y)=log(F(x,y)?log(G(x,y)*F(x,y ))

其中：F(x,y)為紅外探測器輸出的原始圖像；R(x,y)為反射圖像；G(x,y)為環繞函數。

從式可以看出，通過環繞函數G(x,y)和輸出圖像

F(x,y)的卷積，對亮度圖像L(x,y)進行估計，得到估計的亮度圖像L'(x,y)，然后從輸出圖像F(x,y)減去估計的亮度圖像L'(x,y)，得到估計的反射圖像r'(x,y)，在對r'(x,y)做線性變換，就得到了算法增強后的圖像。

根據上述介紹原理，單尺度中心環繞Retinex算法最重要的是環繞函數G(x,y)的選取，環繞函數最早使用過Land提出的平方反比函數，其公式如下：

這種平方反比函數，后來被改進為：

還有一種目前使用比較多的環繞函數，即高斯環繞函數，其表達式為：

其中，c為環繞函數的空間常數，即為環繞函數高斯函數的標準偏差，這個空間常數決定了圖像的動態壓縮范圍和色彩再現效果，它的選取是根據應用需要，在上述兩方面的折中選擇。通過合理的設置空間常數c，可以使增強的圖像具有動態范圍的壓縮，同時其色彩又具有恒定性，使通過單尺度中心環繞Retinex增強算法后的圖像具有很好的主觀性能。本文研究的圖像，都是紅外的灰度圖像，沒有色彩恒定性問題，但隨著環境背景和目標的不同，紅外圖像的效果也存在這差異，因此單尺度中心環繞Retinex算法對灰度紅外圖像也具有同樣的效果。

3 試驗結果

為了對本文設計的圖像處理系統進行驗證，選用某640*480長波紅外相機，對某飛機目標進行實時跟蹤試驗，實時采集目標的紅外圖像送至本系統，系統對紅外圖像進行采集、存儲、目標提取和實時增強顯示。實時采集的圖像如圖所示。

圖3 某飛機的實時跟蹤圖像

對存儲的圖像進行事后判讀，沒有丟幀情況，目標提取穩定連續，如圖3所示，紅外目標的對比度強，增強效果較好。

4 結論

本文根據實際應用的需求，設計了一套基于工業控制計算機為硬件平臺的圖像處理系統，該系統能適應多種紅外傳感器輸出的圖像格式，實時對圖像進行采集、存儲、目標提取跟蹤和增強顯示；軟件采用多線程技術，提高系統運行的效率。該系統集成度高，通用性強，在紅外應用領域有廣泛的應用前景。

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TP3

A

1674-6708（2015）149-0151-02

曹立華，研究方向：圖像處理