自適應空頻域紅外圖像增強算法研究

白梅娟，楊京雷，付高陽，王楊洋，查祖福水，侯帥

(1.河北工程大學，河北邯鄲 056038；2.中華通信系統有限責任公司，河北石家莊 050200；3.邯鄲市生態環境局環境保護督查中心，河北邯鄲 056038)

隨著紅外攝像機、紅外測溫儀、紅外熱像儀漸漸進入公共場所中，將大幅度帶動熟知的光學產業的發展，行業需求使得相關的紅外圖像增強技術也亟須加強與改進。同時，萬物互聯成為未來的趨勢，紅外攝像機在人類不可抵達的領域將替代人類的眼睛，觀測到很多人類不可見的紅外圖像。因此，對于獲取紅外圖像的理解是必不可少的，由此必然會應用到各種紅外圖像增強的算法。本文采用自適應空域-頻域算法對室內、室外兩種類別的紅外圖像進行增強，對紅外圖像提質，并且自適應地匹配最合適的增強算法，具有重要的現實意義和理論指導價值。

1 相關研究

20世紀90年代以后，人類生活和社會發展的各個方面都開始用上了圖像增強技術。例如：在計算機領域中，程序員編寫程序用于增強圖像的對比度或將亮度編碼成顏色，以便解釋工業、醫學和生物科學領域中使用的X射線和其他圖像；在地理學領域中，使用了相應的技術來研究航空和衛星圖像中污染模式；在考古學領域中，圖像處理方法已經成功地應用于模糊圖像的恢復。直方圖均衡化成為當時最常用的圖像增強方法。

1997年，科學家Kim提出一些新觀點，如果要將圖像增強技術應用到數碼相機等電子產品中，算法必須保持圖像的亮度特性。Kim提出了一種直方圖均衡化算法(Bi-Histogram Equalization)來保持亮度特性。這個改進算法提出后，引起了一定的轟動，眾多學者開始關注這個圖像增強的新技術。

1999年，科學家Wan等人，提出了一種新算法——二維子圖的直方圖均衡化算法。緊隨其后，Chen和Ramli也相繼提出了最新研究出的一系列算法——最小均方誤差雙直方圖均衡化算法(MMBEBHE)。為了實現在處理過程中，保存圖像的亮度特性，局部增強處理技術里的新算法應運而生。例如遞歸平均分層均衡(rmshe)、遞歸子圖均衡(rsihe)、動態直方圖均衡(DHE)、動態直方圖均衡(bpdhe)、多層直方圖均衡化(MHE)等。

在2018年發表的學術研究和技術應用文獻中，有239篇的文獻是關于紅外圖像增強的，比以往的數量多了不少，而且當年很有熱度。在2019年發表的學術研究和技術應用文獻中，有169篇是和紅外圖像增強有關的文獻，紅外圖像的熱度和影響力也是日益增長[6-10]。

相關學者發布了相關學術文章，例如基于小波變換與像元對目標的短波紅外圖像增強算法、基于粒子群優化的紅外圖像增強方法，都進一步深入研究了有關紅外圖像增強的知識[1]。

熱紅外圖像增強算法包括兩大類：空間域算法和頻率域算法，其內容如圖1所示。

2 基于自適應空域-頻域的紅外圖像增強算法

1)直方圖均衡化方法，是空域濾波算法里的一種方法。首先，將紅外圖像轉變成灰度圖像，在處理過后的圖像中可以直接查看每種灰度級出現的頻率，了解圖像的灰度分布。其次，根據輸入圖像的灰度概率分布來確定其對應的輸出灰度值，通過擴展圖像的動態范圍達到提升圖像對比度的目的，實現將圖像的有效灰階映射到圖像顯示灰階范圍[2-3]。

2)線性濾波方法，對原熱紅外圖像的每個像素周圍一定范圍內的像素進行加權運算，本文采用3*3模板，消除圖像中的噪聲成分。

3)低通濾波是將頻域圖像中的高頻部分濾除而通過低頻部分。圖像的邊緣和噪聲對應于頻域圖像中的高頻部分，而低通濾波的作用即是減弱這部分的能量，從而達到圖像平滑去噪的目的。巴特沃斯(Butterworth)低通濾波器，可對受噪聲干擾的圖像進行平滑處理。巴特沃斯濾波器對應的轉移函數是：

式中：D(u,v)表示頻域點(u,v)到頻域圖像原點的距離，稱為截止頻率，當D(u,v)=D0時，H(u,v)=0.5，即對應的頻域能量將為原來的一半。設置合適的截止頻率，熱紅外圖像頻率在截止頻率以上的信息被阻擋，在范圍之內才予以通過，達到平滑目的。

4)高斯濾波器，是一種基于加權平均的平滑線性濾波器，能夠使熱紅外圖像更加平滑，以克服熱紅外圖像中噪聲對后續邊緣檢測造成的突變[4-5]。

本文基于上述空域、頻域方法，提出一種自適應空域-頻域算法，根據熱紅外圖像采集環境，對熱紅外圖像進行增強，改善提質，具體方法流程圖2所示。

圖2 自適應空域-頻域紅外圖像增強算法流程圖

3 實驗及分析

1)直方圖均衡化

對室外停車場、室內人員的紅外圖像分別進行直方圖均衡化，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，室外小區停車場的紅外圖像經過處理后，直方圖分布均衡，畫面更清晰，人影、車身以及小區樓房的結構都能看清楚，比原始圖像更易觀察，有效信息得到增強，視覺效果不錯；室內人員的紅外圖像經過處理后整體風格改變了，但是效果不如室外好，整體并沒有原始圖像來得清晰，由此可見，直方圖均衡化更適合室外拍攝的紅外圖像。

圖3 室內外紅外圖像直方圖均衡化

直方圖均衡化通過把圖像的像素點分布均衡，使圖像的整體效果更平滑柔和，可以依據規定好的要求進行調整，有目的地增強圖像中的部分信息。

2)線性空域濾波

線性空域濾波對圖像像素灰度值進行加和處理簡單運算，從而改善圖像效果。室內和室外的紅外圖像經過線性空域濾波，效果如圖4所示。

圖4 室內外紅外圖像線性空域濾波

線性空域濾波通過加椒鹽噪聲給紅外圖像進行過濾，處理后的圖像比原始圖像更平滑，比灰度圖像顏色更淺，整體效果更均衡，圖像處理結果較好，因此，線性空域濾波均適用室外與室內的紅外圖像。

3)Butterworth低通濾波器

頻域里面大致分為低通和高通兩類，低通濾波器主要是起到平滑的作用，使圖像整體更加明顯；高通濾波器主要是起到銳化的作用，突出圖像邊界或者部分信息，增強部分信息而不是整體信息。

實驗中，需要對截止頻率D0和n的取值進行組合。本次實驗中，D0選取100、120、140、160、180、200等離散值；n取5、6、7、8等離散值，找到最佳的D0與n的取值組合，實驗結果如圖5所示。

圖5 室內外紅外圖像Butterworth濾波

該算法和理想低通濾波器的效果幾乎沒有差別，設置相同的截止頻率，室外停車場紅外圖像在處理后更清晰明了，室內人員紅外圖像的相關細節卻被模糊了，效果變差，因此，可以采用Butterworth低通濾波器來處理室外的相關圖像。

4)Gussian濾波器

高斯濾波器是特定的平滑線性濾波器，主要功能可以降低圖像灰度的“尖銳”性。通過改變D0和n的數值，對截止頻率D0和n的取值進行組合。對室內人員紅外圖像和室外停車場紅外圖像處理后如圖6所示。

圖6 室內外紅外圖像高斯濾波

由于該濾波器是高通濾波器，對低頻有截止作用，從室內、室外紅外圖像處理結果來看，效果不顯著，但是比原圖像更突出明顯，其中不乏原始兩張圖片本身存在差異的原因，因此高斯濾波對室內、室外紅外圖像都可以采用。

4 結束語

本文選擇了室內與室外兩種具有代表性的紅外圖像，對最適用的圖像增強算法進行比較和總結。通過在實驗過程中的不斷調試，可以發現，在一定程度上，室外拍攝的紅外圖像，直方圖均衡化的效果是最好的，線性空域濾波次之；在公共場合、室內、人員密集的地方拍攝的紅外圖像，線性空域濾波、高斯濾波器效果很好，巴特沃斯低通濾波器效果次之。本文基于上述空域、頻域方法，提出了一種自適應空域-頻域算法，根據熱紅外圖像采集環境，能夠對熱紅外圖像進行增強，可以改善提質。