基于圖像融合的新型紅外熱成像系統

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新型紅外熱成像系統實現了紅外、可見光圖像等信息數據的采集,通過平臺前端實現圖像融合,并且由實際效果進行分析,經過主觀觀察,結合客觀指標,融合之后的圖像在效果的呈現上都要比單波段形成的圖像所能夠展現的信息更加的豐富,增強了對環境的表達能力。

1 圖像融合系統構建與調試

1.1 圖像融合系統整體實現 為了采集到紅外圖像、可見光圖像,需要以圖像融合為基礎構建新型紅外熱成像系統。圖1為新型紅外熱成像系統組成原理圖。

圖1 新型紅外熱成像系統組成原理圖

由圖1能夠看出整個系統主要由兩部分構成,USB總線前端為圖像采集部分,PC機是對圖像進行處理部分。物體發出紅外輻射經由鏡頭捕獲最終成像,同時可見光也能夠通過鏡頭被對應系統捕獲最終成像,之后的圖像經過核心板完成數字化分析,在通過USB傳輸到PC端,接收到的信息主要應用多線程完成對圖像的處理。線程能夠對獲取到的圖像進行接收,應用圖像算法,最終將數據傳入到可視化框架當中,圖像就會在顯示屏當中顯像。核心板與傳輸板、紅外驅動板與TEC驅動板等通過插座完成連接,調整鏡頭、傳感器等的位置,調試當中應用的電源需要進行的電流監控,PC機在進行圖像處理之后,就會在屏幕當中成像。整個新型紅外熱成像系統的構成需要經過多次調試,前端收集、傳輸以及數據處理等三部分不可或缺。

1.2 程序設計總體框架 Verilog語言是進行程序設計時使用最為廣泛的技術,通常流程是確定總體功能,由上至下將總體功能進行系統劃分為不同模塊,在由不同模塊進行細化處理,分成更小單位的單元設計,最終應用硬件語言完成對功能單元的設計。之后由下至上,逐級進行綜合調整,最終會形成整體系統功能設計。而軟件設計就需要針對探測器和傳感器開展,主要是控制配置、信息采集傳輸等功能。圖2為程序設計總體框架

圖2 程序設計總體框架

2 新型紅外熱成像系統算法

2.1 圖像融合算法實現 數字圖像其本質就是巨大的數字矩陣,矩陣當中不同的值都代表著相對應的像素灰度值。圖像經過處理時,最基礎部分為圖像存放容器,容器設計直接關系到圖像處理的效率和質量,容器實現數據的結構調整優化,PC端采集到圖像,解包之后就可以將圖像存入到容器當中,最后在進行算法處理。紅外圖像分離之后進行校正,校正也可以分為單點或者兩點,將原始圖像當中的非勻稱點去除,紅外圖像進行去噪,采用高斯濾波;或者增強,應用非銳化掩膜。而對于可見光圖像也需要將其分離至容器當中,利用高斯濾波或者中值濾波進行去噪處理。紅外圖像、可見光圖像經過濾波處理完成之后,分別對其進行重樣采集,通常分辨率在400X300像素。透視變化矩陣在計算的時候需要在最初部分進行保存,之后根據配準程序進行矩陣相乘,這種計算方式能夠降低耗時,提升算法的實時性。

2.2 紅外圖像預處理算法 紅外圖像產生異質性的因素主要來自器件本身的異質性,用來放置紅外焦平面,由于制造工藝參數和每個像素的特性,存在差異,讀出電路單元之間也存在差異,即使是均勻的紅外輻射輸入,各像元的響應也不一致,使得輸出圖像具有嚴重的異質性。器件的工作狀態也會引入不均勻性,如器件本身的溫度、工作環境的溫濕度等;另外,探測器前端的光學系統也會引起不均勻性,如透鏡畸變、光軸偏移等。這種不均勻性會使圖像中的目標變得模糊,幾乎無法分辨,這對紅外圖像的質量有很大的影響。因此,必須對紅外圖像進行非均勻性校正。

2.3 單點校正算法 單點校正是非均勻校正中最簡單、最快的算法。單點校正假設紅外成像系統工作環境溫度穩定,紅外輻射均勻,每個探測像素的增益非常接近。單點校正算法本身非常簡單,易于實現和執行,但作為參考源的均勻輻射靶板采集的幾幀圖像的質量直接影響到最終的校正效果。另外,值得一提的是,在許多實際情況下,在采集參考圖像時沒有被輻射源照射的靶板,而是直接用擋板近似代替均勻的輻射源。此外,探測器的每個像素增益不可能非常接近,這導致單點校正的圖像效果不足。目前,單點校正算法在商業應用中應用較少,主要應用于計算速度快、圖像質量差的場合。

2.4 兩點校正算法 兩點校正算法探測器的響應率在一定的時間范圍內具有線性特性,噪聲是加性和乘性的,而紅外探測器的非均勻性是在相同的輸入下每個探測器像素具有不同的線性輸出響應。兩點非均勻校正算法的實質是以一條標準曲線為參考,對每個檢測像素的響應曲線進行變換,使同一輻射條件下的響應曲線與該曲線重合。兩點校正算法是基于線性假設的,隨著非線性響應的增大,校正效果必然惡化。在實際應用中,一般將兩點法推廣到多個溫度段校正。在許多商業應用中,溫度每變化1到2度,就會重新計算響應度和偏差,生成多個查找表,然后使用像素響應值來確定哪個查找表用于校正。

結論

紅外圖像算法的發展使實時校正技術更加完善,能夠為紅外熱成像提供更加優質的校正效果,使新型紅外熱成像系統的圖像處理算法得到優化,在新型紅外熱成像系統中,通過系統前端進行的原始圖像可以直接傳輸到平臺系統當中,不需要經過其他處理,圖像的處理主要是由平臺系統中FPGA處理完成,這樣能夠降低CPU計算資源消耗,這種移植方式會對圖像完成濾波或者插值。如果使相對復雜的圖像也可以直接經過CPU進行計算處理,多種的計算處理方式實現了圖像計算與快速處理的同時準確執行,使系統數據在傳輸與處理上的速度不斷地提升。新型紅外熱成像系統后端是對數據采集進行的反饋,新型紅外熱成像系統直接進行數據接收,因此,在程序設計的時候要充分的考慮前端采集圖像的控制問題,并且通過USB完成反向控制操作,之后會對圖像數據進行參數調整,實現平臺的圖像融合,這將會實現新型紅外熱成像系統操作更加簡化,智能化水準進一步提高。