基于光學傳遞函數的紅外圖像熱源復原

朱雙雙

摘要：為了復原紅外圖像的熱源，采用了光學傳遞函數的方法復原熱源圖像。首先，根據光學傳遞函數，通過實驗選取適當的參數值，從而獲得熱氣流退化圖像的點擴展函數。然后，采用Lucy-Richardson方法進行復原處理，對復原圖像通過YIQ變換來復原其溫度場彩色信息。最后，通過標線處灰度曲線以及邊緣銳度（EvA）、標準差、熵的參數評價分析方法來對實驗結果進行評價分析，熱源圖像利用光學傳遞函數復原后的EVA、標準差和熵分別有不同程度的提高，復原后圖像的灰度曲線波動幅度明顯大于原圖。實驗結果表明，基于光學傳遞函數的復原方法對紅外圖像的熱源復原具有明顯的效果。

關鍵詞：圖像處理;熱源復原;光學傳遞函數;Lucy-Richardson;質量評價

中圖分類號：TN219 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0256-03

對于紅外圖像的復原是圖像處理的一個非常重要的分支，在醫學、物理等領域都有著廣泛的應用。有關圖像復原的研究最早開始于20世紀60年代，至今已經歷五十多年的歷史，經過50年多年的發展，國內外學者提出了大量的圖像復原方法，但由于紅外圖像本身具有自身的特點，使得暫時還沒有有效的紅外圖像處理方法。正是如此，才促使人們探索新的圖像處理方法去充分地利用紅外技術為科學技術服務。

對紅外圖像進行處理其實質是通過各種運算及變換來提取和增強圖像中的有用信息，以達到識別我們感興趣的目標的目的。紅外圖像處理方法和方案的選擇是依賴處理的目的和紅外圖像本身的特點來確定的。

由于在紅外熱像儀拍攝熱源圖像的過程中，熱源圖像本身會產生熱氣流，因此所采集的熱源圖像受到熱氣流的影響，其圖像的質量將會下降，變得失真、模糊、含有噪聲。而熱源圖像所產生的熱氣流與光學傳遞函數密切相關。

因此，本文通過研究光學傳遞函數的特性，實驗獲得熱氣流的退化函數，并結合Lucy-Richardson算法來復原紅外熱源圖像。

1紅外圖像復原原理

1.1熱氣流退化圖像的點擴展函數

光學傳遞函數分為長曝光光學傳遞函數和短曝光光學傳遞函數，長曝光OTF定義為：

2熱源圖像復原質量評價

2.1主觀評價

主觀評價是指評價人以自己的主觀感受來對熱源復原圖像的質量做出評價。這種評價能對復原圖像進行方便、快速的評價，并且過程直觀、簡單，但是這種評價容易受到評價人的文化程度、生活環境、經驗以及測試環境等諸多因素的影響，不同的評價人或者相同評價人在不同時刻評價的結果都可能存在一定的差異，同時也缺乏一個統一的標準來衡量，因此，需要先對復原圖像進行主觀評價，再進行客觀定量評價。

2.2客觀評價

客觀質量評價方法的主要內容是：首先根據圖像的特性選擇合適的數學統計算法來計算圖像中的信息，最后以數據的形式輸出，以此來作為一種評價圖像的質量的標準。

由于紅外熱源圖像具有邊界模糊的特點。因此，可采用邊緣銳度（Edge Acutance value，EAV）的算法來評價紅外熱源復原的清晰度。復原的紅外熱源圖像越清晰，其邊緣也越清晰，邊緣的灰度變化也越劇烈。清晰度評價的計算式如下：

3實驗結果與分析

首先選用電加熱片和圓形加熱片作為實驗對象，用紅外熱像儀FLIR E40對其紅外熱成像，然后根據光學傳遞函數，選取適當的參數值，并用Lucy-Richardson方法進行復原處理，最后對復原的灰度圖像進行YIQ溫度場還原。復原后的熱源圖像以及標線處的灰度曲線圖如圖1，2所示，由灰度曲線可知，復原后的電加熱片和圓形加熱片的灰度曲線波動幅度都明顯大于原圖，因此其清晰度都得到了明顯的提高。

另外，對其他熱源物體，其復原后的熱源圖以及標線處灰度曲線實驗結果如下。

除了采用灰度曲線對比分析以外，還采用客觀評價的方法對復原后的熱源圖像進行對比分析，主要采用EVA、標準差以及熵三種評價函數，評價結果如下表所示，由表1可知，采用光學傳遞函數復原后的電加熱絲和圓形加熱片的清晰度都得到了提高。

4結論

本文中提出了利用與熱氣流有關的光學傳遞函數的方法復原紅外圖像的熱源，并分別分析了電加熱片以及圓形加熱片的復原結果。通過實驗對比，從主觀上看，光學傳遞函數復原后的標線處的灰度曲線比原圖的波動幅度更大，使得熱源邊界清晰，對比度增強，達到熱源復原的目的;從客觀上看，由表1可知，電加熱片利用光學傳遞函數復原后的EVA、標準差和熵分別提高了46.89%、7.17%和0.85%;圓形加熱片利用光學傳遞函數復原后的EVA、標準差和熵分別提高了79.23%、2.65%和2.17%;管道利用光學傳遞函數復原后的EVA、標準差和熵分別提高了25.31%、6.94%和3.89%;發電機利用光學傳遞函數復原后的EVA、標準差和熵分別提高了28.88%、14.31%和5.95%。因此，采用與熱氣流有關的光學傳遞函數復原熱源的方法能夠使熱源圖像的清晰度得到提高，復原紅外圖像的熱源的清晰度和對比度。這對紅外熱成像領域的熱源的分析研究有著一定的實踐意義與理論價值。