专利名称：时域卡尔曼滤波修正的非线性拟合红外非均匀校正方法
技术领域：
本发明属于红外图像预处理技术领域，涉及一种对红外图像进行非均匀校正的方法。
背景技术：
红外图像非均匀校正是图像处理领域里的一个重要研究方向。红外图像非均匀校正的主要目的是利用图像处理手段，解决由于材料缺陷、电路的稳定性以及集成工艺水平的限制，导致的探测器输出响应不一致的问题，使校正后的图像便于后续处理。目前，红外图像非均匀校正的主要方法可分为两类基于参考源的温度定标校正法和基于场景的自适应校正法。这两类方法的基本原理和技术特点如下 —、基于参考源的温度定标校正方法基于参考源的温度定标校正方法主要包括单点温度定标法，两点温度定标法和多点温度定标法等。这类方法的设计思想是利用参考辐射源给红外焦平面阵列提供均匀辐照度，对每个探测器单元的响应输出进行测量，由此计算得出个探测器单元的校正参数。二、基于场景的自适应校正法基于场景的自适应校正方法主要包括时域高通滤波法、神经网络校正法、常量统计法、线性滤波校正法和场景匹配法等。这类算法的基本原理是计算增益系数和偏移量的数据不是取自参考辐射源，而是全部或部分来自于场景的估计。非均匀性是红外焦平面探测器的固有属性，在理想情况下，红外焦平面面阵探测器受均匀入射辐射时，其各个像元的信号输出值应该完全一致；但实际上在制作器件的半导体材料不均匀(杂质浓度、晶体缺陷、内部结构的不均匀性等)、器件工作状态、生产工艺过程以及外界输入等的综合影响下，其输出幅度并不相同，这就是所谓的红外图像非均匀性(Non-Uniformity, NU)。对于单点扫描方式的探测器来说不存在非均勻性问题,线阵扫描方式的探测器中的非均匀性存在于线阵方向，而红外焦平面探测器的非均匀性存在于整个焦平面上，愈是大规模的器件，非均匀性问题就愈突出。这种非均匀性会导致系统的温度分辨率下降，使目标图像的质量受到严重影响，从而限制了其在高灵敏度检测方面的应用。现有的图像校正方法在解决红外图像非均匀性问题时存在不足，主要表现在以下几个方面基于参考源的温度定标校正方法校正参数是固定不变的，而实际上，随着器件工作温度和环境温度的变化，器件的工作状态会发生变化，如果还采用原先计算出的校正参数进行校正，就会使校正效果变差；基于场景的自适应校正法便于处理存在运动目标的红外图像，而且计算量大，实时处理需要先进的多处理器机构。综上所述，针对红外图像非均匀性问题设计适于工程实现的、适用图像范围广的非均匀校正方法是一个急需解决的工程技术问题。目前尚未发现有关这个问题的公开研究资料。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外图像非均匀校正方法，解决红外焦平面探测器输出响应不一致所导致的图像降质问题。技术方案是首先假设红外焦平面探测器各阵列单元的响应变化曲线在时间上是连续的，采用高阶多参数非线性多项式可对其进行拟合和描述；然后采集四个不同温度点各阵列单元的响应输出值，利用非线性方程求解 方法确定各阵列单元响应表达式中的多个参数；第三步为了解决探测器响应随时间漂移问题，利用时域Kalman滤波对响应表达式中各参数进行时漂修正，得到探测器阵列单元响应曲线的解析表示；最后利用该解析表示计算任意时间任意温度条件下探测器各阵列单元响应输出，从而实现对探测器响应不一致的校正，解决红外图像非均匀性问题。本发明的技术方案包括以下步骤第一步参数估计在红外探测器常规工作温度10°C到70°C之间，任意选择未经校正的四个不同温度点TpHT4的红外图像，fi; j (T1)，fi; j (T2)，fi; j (T3)，fi;j (T4)分别为这四幅红外图像像素点的灰度值，其中下标i，j表示像素点行和列，将其分别代入公式一，求解探测器响应方程:
权利要求
1.一种时域卡尔曼滤波修正的非线性拟合红外非均匀校正方法，其特征在于，包括下述步骤 第一步参数估计 在10°C到70°C之间，任意选 择未经校正的四个不同温度点T1, T2, T3, T4的红外图像，fi;J(T1), ^j(T2), ^j(T3), ^j(T4)分别为这四幅红外图像像素点的灰度值，其中下标i，j表示像素点行和列，将其分别代入公式一，求解探测器响应方程' ηω =為'/·(./;../(7:;)), + / ,-(ΛΛ^))2+^,·(./:,(ν))+/.λ Λ- rn'4) = AAAj^jf +\,·(Λυ2 + Cu^j(T4))+D11 上式中，厂(X). η = 1,2, 3，4为上述四幅红外图像灰度均值，Ai, j, Bijj, Cijj, Di;j为待估计的非线性曲线各阶描述参数；利用公式一，求解出Ay，Bi, j, Ci, j, Di,j的估计值，记为ΑΛΛΛ,' 第二步实现校正 将任意温度点T下需校正的红外图像像素点的灰度值gi，j(T)代入公式二，得到校正后红外图像像素点的灰度值σ): W) = Aj^xny +.1^,(7'))2 ++ / (公式二) 第三步时域Kalman滤波修正 第I步:计算图像NU(T) [I 元,(η-叫一 NU(T) = ^-=-(公式二) NG(T) 其中&(T)为红外图像灰度值IyOl的均值，N为该红外图像像素数目， 当NU⑴彡3.0%。时不需要进行时漂处理，则技术方案结束；当NU⑴>3.0%。，取 ak=a e [O. 99, I], β,= β e [O. 99，I]，并进行时漂处理；当 NU ⑴ > 4· O %。，则令ak=a e [O. 9,0. 99], β,= β e [O. 9，O. 99]，并进行时漂处理；如果时漂更大，即当NU (T)>4. 5%。，令 ak=a e [O. 8，O. 9]，β,= β e [O. 8，O. 9]，并进行时漂处理; 时漂处理是指下述第2步至第4步 第2步建立Kalman滤波的状态方程和观测方程 状态方程Ajk+l) = Φ,Χ^ΟΟ+Μ,+Ι (公式四)观测方程Yi; j (k) = HkXi, j (k) +Vk (公式五) 其中，k表示当前时刻，k+Ι表示下一时刻，k = O, I, 2，···，并且k = O对应于得到需要进行时漂处理的红外图像的时刻T ;状态向量XiijGO定义为' ,(幻=[為.;(幻,/1,(幻]"，Al jXklBi f(k)分别表示k时刻非线性曲线描述参数，Ai i(O) = AijJi j(O) = Bi jI
全文摘要
本发明提供一种时域卡尔曼滤波修正的非线性拟合红外非均匀校正方法。技术方案是首先假设红外焦平面探测器各阵列单元的响应变化曲线在时间上是连续的，采用高阶多参数非线性多项式可对其进行拟合和描述；然后采集四个不同温度点各阵列单元的响应输出值，利用非线性方程求解方法确定各阵列单元响应表达式中的多个参数；为了解决探测器响应随时间漂移问题，利用时域Kalman滤波对响应表达式中各参数进行时漂修正，得到探测器阵列单元响应曲线的解析表示；最后利用该解析表示计算任意时间任意温度条件下探测器各阵列单元响应输出。本发明实现对探测器响应不一致的校正，解决红外图像非均匀性问题。
文档编号G06T5/00GK102779332SQ201210235548
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者张志龙, 张焱, 李吉成, 杨卫平, 石志广, 鲁新平 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学