淺談紅外圖像增強(qiáng)方法

韓衛(wèi)華 陳丹 鞠薈薈

摘要：針對紅外圖像對比度低、不夠清晰、空間相關(guān)性強(qiáng)等特點(diǎn)，分析了紅外圖像的特性，分析了基于平臺直方圖均衡化的紅外圖像增強(qiáng)方法、基于Retinex理論的紅外圖像增強(qiáng)方法的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了采用兩種算法進(jìn)行紅外圖像增強(qiáng)的技術(shù)過程。

關(guān)鍵詞：紅外圖像增強(qiáng)?Retinex理論?平臺直方圖均衡化

近年來，紅外熱成像技術(shù)獲得迅猛發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事、科技、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，尤其今年得到了大量使用。但相比可見光成像，紅外成像還存在圖像對比度低、不夠清晰、空間相關(guān)性強(qiáng)、噪聲大、動態(tài)范圍大等缺點(diǎn)，其成像效果嚴(yán)重依賴于成像器件和環(huán)境因素。為了得到更好的視覺效果，對紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)顯得非常必要和迫切。紅外圖像的增強(qiáng)算法主要包括傳統(tǒng)的頻域和空域增強(qiáng)，如：直方圖均衡化、非線性變換、線性變換、高通濾波、低通濾波以及同態(tài)濾波等;新型的圖像增強(qiáng)方法則將遺傳學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人眼視覺、多尺度分析理論、偏微分方程、梯度域、模糊理論等新興理論或?qū)W科引入到圖像增強(qiáng)領(lǐng)域。

一、紅外圖像特性分析

普通的紅外成像系統(tǒng)，受成像器件自身靈敏度、噪聲特性、掃描機(jī)制、分辨率等軟、硬件條件限制，通常所得到的紅外圖像清晰度、對比度都很低、噪聲復(fù)雜，很大程度上加大了和可見光圖像進(jìn)行異源匹配的難度，甚至降低匹配準(zhǔn)確度，給后續(xù)工作造成困難。通過在實際應(yīng)用中對熱成像系統(tǒng)輸出結(jié)果的統(tǒng)計分析，并在深入研究紅外圖像成像機(jī)理的基礎(chǔ)上，歸納紅外圖像的特點(diǎn)為：

1） 紅外圖像是一種特殊的灰度圖像，沒有陰影或色彩，與可見光圖像相比分辨率低，立體感差;

2） 紅外圖像內(nèi)部包含多種分布復(fù)雜、性質(zhì)各異的噪聲，信噪比相對可見光圖像通常都低;

3）相比可見光圖像，紅外圖像的對比度更低、空間相關(guān)性更強(qiáng)，清晰度與可見光圖像有很大差距，視覺效果通常不太理想;

4） 紅外圖像的非均勻性顯著，通常以串?dāng)_、畸變以及噪聲的形式呈現(xiàn)出來。

二、紅外圖像增強(qiáng)的方法

紅外圖像的灰度級動態(tài)范圍、像素分布、直方圖等基本屬性通常與可見光圖像均不同，若直接采用可見光圖像傳統(tǒng)的增強(qiáng)方法進(jìn)行增強(qiáng)處理，要么作用效果有限，要么不起作用，甚至適得其反，使紅外圖像出現(xiàn)嚴(yán)重降質(zhì)的情況。例如，適用于可見光圖像增強(qiáng)的直方圖均衡化算法應(yīng)用在紅外圖像時效果很差。目前，紅外圖像增強(qiáng)算法主要包括傳統(tǒng)的頻域、空域增強(qiáng)和新型的圖像增強(qiáng)方法。其中一種是經(jīng)過改進(jìn)的平臺直方圖均衡化方法，通過灰度映射的方式來調(diào)整圖像的直方圖，使其均衡分布，實現(xiàn)整個圖像對比度的增強(qiáng)，快速有效，適用于場景深度變化不大，同時圖像分布比較均勻的情況;新型圖像增強(qiáng)方法中，Edwin Land提出了Retinex理論，這種圖像增強(qiáng)算法基于人類視覺系統(tǒng)理論，其原理是：去除照射光在原始圖像中的影響，獲得物體本身所具備的反射特性，以分析圖像的內(nèi)在性質(zhì)。基于Retinex理論的圖像增強(qiáng)算法具有局部對比度增強(qiáng)，高動態(tài)范圍壓縮，并且圖像色彩恒常性能夠保持等優(yōu)點(diǎn)。

1.基于平臺直方圖均衡化的紅外圖像增強(qiáng)方法

直方圖均衡化是一種常用的圖像增強(qiáng)方法，它在圖像的累積直方圖基礎(chǔ)上進(jìn)行灰度調(diào)整，從而增強(qiáng)圖像，調(diào)整灰度級的策略是：在直方圖中，調(diào)大像素數(shù)多而密的灰度級間的間隔，提高了對比度;調(diào)小像素數(shù)少而稀疏的灰度級間的間隔，甚至調(diào)整為0（灰度級被合并），降低了對比度。用上述直方圖均衡化增強(qiáng)處理的紅外圖像，導(dǎo)致目標(biāo)的灰度級偏少，而背景和噪聲的灰度級偏多，相當(dāng)于背景和噪聲的對比度提高了，目標(biāo)的對比度降低了。所以，一般的直方圖均衡化算法對紅外圖像增強(qiáng)效果并不好。

平臺直方圖是在直方圖基礎(chǔ)上的一種修正，先選擇合適的平臺閾值T，對統(tǒng)計直方圖做出如下修正：如果某灰度級下的直方圖值大于T，將其直方圖值設(shè)置為T;如果其直方圖值小于T，就保持不變。

平臺直方圖均衡化類似于直方圖均衡化，不同的是：直方圖均衡化，圖像的累積直方圖是由統(tǒng)計直方圖得到的;而平臺直方圖均衡化，圖像的累積直方圖是由平臺直方圖得到的。然后，通過累積直方圖重新分配圖像的灰度，即可得到均衡化的圖像。

（2）基于Retinex理論的紅外圖像增強(qiáng)方法

在Retinex理論中，圖像分為兩部分：一是入射光分量，即低頻部分，將它稱之為照射圖像，該部分影響圖像的動態(tài)范圍;二是物體的反射分量，即高頻部分，稱之為反射圖像，該部分反映圖像的內(nèi)在性質(zhì)。

有效地計算出照射圖像是利用 Retinex 理論進(jìn)行圖像增強(qiáng)的關(guān)鍵，但從數(shù)學(xué)上講是個奇異問題，所以只能采用近似估計的方法估算出照射圖像。大部分Retinex算法操作的流程如圖1所示，首先從空間域圖像變換到對數(shù)域圖像，之后在對數(shù)域圖像中估算照射分量，進(jìn)而求得圖像中包含的反射分量，然后變換回空間域圖像，即得到在空間域圖像中的反射分量。根據(jù)估算照射圖像不同的方法，出現(xiàn)了很多在 Retinex 理論基礎(chǔ)上的算法，如基于中心/環(huán)繞的Retinex算法、基于隨機(jī)路徑的Retinex 算法、變分Retinex算法等。其中，變分Retinex算法目前應(yīng)用最為廣泛，能解決中心/環(huán)繞 Retinex 算法在增強(qiáng)紅外圖像過程中易產(chǎn)生“光暈”的問題，效果相對來說比較好。

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韓衛(wèi)華?陳丹?鞠薈薈 火箭軍士官學(xué)校