紅外圖像顯示算法研究及其實現

魏 挺，苗 毅，鹿 琦（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

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紅外圖像顯示算法研究及其實現

魏 挺，苗 毅，鹿 琦
（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

摘要：通過對直方圖顯示變換算法的分析、研究，最終選取平臺直方圖法并結合Visual C++6.0編程語言開發了紅外圖像格式轉換軟件，使得在紅外圖像的處理過程中提高圖像顯示質量的同時，還擺脫了原有軟件狗的限制。

關鍵詞：紅外圖像；平臺直方圖算法；VC

0　引言

紅外熱像儀由于其自身測溫速度快、測溫范圍大和不干擾被測表面溫度場等特點，被廣泛的應用于各個領域。然而，主流產品價格昂貴，產品間圖像格式不通用，且配套軟件價格不菲，并帶有軟件狗加密保護，增加數據處理難度。在此情況下，我們根據紅外圖像的特點，選取平臺直方圖算法，針對具體的圖像格式，采用Visual C++6.0語言編寫轉換軟件，將圖像轉換成通用格式（AVI 或BMP等），為紅外圖像的處理提供了方便，并擴展了應用范圍。

1　熱像顯示算法

在熱成像系統中，通常存在信號源動態范圍大和顯示輸出動態范圍小的矛盾。解決此問題，一般采用直方圖顯示變換算法，它包括直方圖均衡算法（HE）、直方圖投影算法（HP）和平臺直方圖算法（PE）。

1.1直方圖均衡算法

一幅圖像的灰度級可被視為區間［0，1］的隨機變量。假定對每一個瞬間它們是連續變量，那么可以用它們的概率密度函數Pr（r）和Ps（s）分別表示原始圖像和變換圖像的灰度級。如果Pr（r）和變換函數T（r）已知，且T（r）在區間［0，1］中單調遞增，則s的概率密度函數為：

因此，變換變量s的概率密度函數由輸入圖像的灰度級概率密度函數和所選擇的變換函數決定。假設變換函數為：

其中ω是積分變量。（2）式右部為隨機變量r的累積分布函數，并且單調地從0增加到1。對（2）式r求導并帶入（1）式，得到

由（3）式可知，在變換后s定義域內概率密度是均勻分布。用r的積累分布函數作為變換函數可產生灰度級分布為均勻概率密度的圖像。其結果擴展了像素取值的動態范圍。

對于數字圖像，我們引入離散形式的公式。當灰度級是離散值的時候，用頻數近似代替概率值，即

（4）式中，L是灰度級的總數目，Pr（rk） 是取第k級灰度值的概率，nk是在圖像中出現第k級灰度的次數，n是圖像中像素總數。（2）式中變換函數的離散形式為

最后根據變換系數求出各象素點對應的灰度值

由（7）式可以看出，HE算法是把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某灰度區間變成全部灰度范圍內的均勻分布。對于面目標采用能起到很好的圖像增強效果，對于點目標將提升圖像的背景和噪聲。針對算法的缺陷，后人又提出了HP算法和PE算法。

1.2直方圖投影算法

HP算法原理和HE算法一樣，HE算法中每一灰度的權重由像素數目決定，而HP算法中，有像素的灰度權重取1，無像素的灰度權重取0，即：

HP算法是能將背景、噪聲和細節同時提升，使目標細節較為明顯，但是背景并不分明。散粒噪聲偏大時，算法會使大面積的背景灰度產生“推擠效應”，使圖像產生閃動。

1.3平臺直方圖法

PE算法是HE算法和HP算法的改進算法。它與HE算法的區別在于PE算法對灰度的權重設置了一個上限平臺值，大于該平臺值的權重取為該平臺值，平臺直方圖表示如下：

由（8）式可以看出，PE算法的本質是利用上限平臺值限制了背景和噪聲的提升，為細節提升留出空間，使得整體圖像能得到很好的增強效果。一般來講，平臺值抬高，圖像整體對比度增強，背景層次分明，目標細節模糊；平臺值降低，目標細節提升，圖像整體對比度下降，顆粒噪聲的影響明顯。因此，需要根據具體情況選擇合適的平臺值。

分析可知PE算法是目前最有實用價值的算法，因此本軟件選擇PE算法作為紅外圖像顯示的中心算法。

2　軟件的總體設計

根據使用要求，本軟件主要由三部分組成：1）圖像數據讀取模塊：讀取紅外圖像文件，按既定格式讀入參數和原始信息，統計圖像的平臺直方圖，得到圖像比特映射表；2）BMP圖像生成模塊：創建BMP文件，查找比特映射表并將圖像進行灰度映射，得到對應的灰度圖像；3）AVI文件生成模塊：創建AVI視頻文件，將圖像中每一幀所成的BMP灰度圖像順序寫入視頻文件，最終使連續多幀的紅外圖像轉換為普通播放器可播放的AVI視頻文件。

3　軟件測試結果

處理單幀紅外圖像時，可通過調節量化范圍，改變對比度，在不同程度上顯示圖像細節；處理連續幀紅外圖像時，程序可根需求轉成若干個*.avi文件，便于拷貝播放。

圖像轉換效果如圖3所示，改變上限平臺值，使圖像對比度和細節都有不同程度變化，要根據圖像特點，選擇合適平臺值，使圖像效果更清晰。AVI文件的截圖見圖4，轉換后的視頻圖像無細節損失，與熱像儀配套軟件回放效果相當。

4　結論

圖1　軟件運行流程圖

圖2　軟件運行界面

圖3　平臺值改變前后圖像的對比

本文參考紅外熱像儀數據文件格式，選擇PE算法。編寫的圖像格式轉換軟件，交互界面良好，轉換結果滿足要求，擺脫了熱像

儀配套軟件的限制，為國內紅外專業研究提供方便。

熱像儀CCD本身的象素壞點，本軟件并沒有作修復，將連續幀圖像轉換成AVI時，由于計算量大，使軟件運行時間偏長。以上兩點可采用中值濾波和DSP或FPGA硬件編程實現。

參考文獻

［1］（美）Rafael C.GonzalezRichard E.Woods著，阮秋琦 阮宇智等譯.數字圖像處理電子工業出版社.2007

［2］劉志才，李志廣，紅外熱像儀圖像處理技術綜述。紅外技術，2000，22（6）：27～32

［3］Vickers V E.， Plateau equalization algorithm for realtime display of high-quality infrared imagery.Opt.Eng. ，1996，35（7）：1921～1926

［4］精通Visual C++.NET圖像處理編程.周長發.電子工業出版社.2002

圖4　轉換后視頻文件截圖

Research and Realization of infrared image display algorithm

Wei Ting，Miao Yi， Lu Qi
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an Shaanxi，710089）

Abstract：Through display of histogram transform algorithm analysis and research，and ultimately selected platform histogram method and infrared image format conversion software is developed with Visual C + + 6.0 programming language，making in infrared image processing to improve the image display quality at the same time，also placed off limits of the original software dog.

Keywords：infrared image； platform histogram algorithm；VC