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1、 南京理工大学硕士学位论文红外与微光图像融合夜视系统设计姓名:倪平平申请学位级别:硕士专业:光学工程指导教师:钱芸生20060601硕士论文红外与微光图像融合夜祝系统设计摘 要近年来图像融合成为一个热门研究领域。通过融合处理,综合运用多源信息,能得到性能比任一源图像好的图像,更好地满足应用的要求。“微光”和“热成像”是实现军用夜视观察的两个必不可少的技术途径。它们感应的是目标不同波段的辐射/反射,因此它们的输出信息具有互补性,采用融合处理技术,利用信息互补性,可有效扩展系统目标探测的空间和时间覆盖范围,提高系统的空间分辨率。本文的工作在图像融合系统的图像处理器的基础上进行,该图像处理器以红外和
2、微光图像输入为双通路输入,为图像处理核心、为协同工作。通过原理图和语言手段完成对的功能设计,实现对双通路的视频数据的存储控制,完成对图像的增强,实现双通路数据的实时融合,并且将融合的结果以制式的形式输出到显示器终端。在的协同工作下,还可以通过编程实现基于算子的边缘提取的图像处理,和对静态目标的减背景功能。经过本文的初步研究和试验,在经过图像处理后,显示器终端获得较好的融合图像和清晰的边缘图像。关键词:微光夜视、热成像、图像处理器、图像增强、实时融合、边缘提取红外与微光图像融合夜视系统设计硕士论文岱 . . 宅. “ . ,. . . , .、 、 . ,. ,.、 、:、声明本学位论文是我在导
3、师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致跚的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名:二啦,年月“目学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。研究生签名:延显墨 跏年占肛日颂士论文红外与微光图像融合夜视系统设计绪论本章简述了图像融合技术的
4、发展现状和国内外的发展趋势,阐述了融合处理技术的重要意义以及本论文所做的工作。.图像融合的基本概念图像融合是世纪年代提出的一个新概念,是数据融合中主要以图像为研究对象的一个分支。其含义是指在同一时间,将同一景物的不同波段色彩或来自不同传感器的两个或两个以上的图像结合形成一幅合成图像,以获取更多的目标信息的图像处理过程。图像融合最早就被广泛应用于军事领域,现代军用光电侦察系统以及侦察系统的工作环境相当复杂,有着明显的多样性和不确定性,由于单一传感器性能的局限性,只可能给出环境的部分或某个侧面的信息,因此要想通过单一的图像传感器去准确地感知和描述外界环境是不可能的。多传感器图像融合技术可以对多源情
5、报信息进行综合处理和利用,将多种先进的探测和情报侦察系统进行系统集成,使其相互补充,能充分发挥不同传感器在频率/空间/能量等方面优势的一体化探测,达到功能互补、资源共享、探测和对抗性能提高、扩大信息量的目标。因此应用潜力非常诱人,它的发展引起世界的普遍关注。按数据融合的处理体系,图像数据融合可分为:信号层融合,像素层融合,特征层融合和符号层融合一。信号层融合指合成一组传感器信号,目的是提供与原始信号形式相同但品质更高的信号。信号层融合在很大程度上是信号的最优集中或分布检测和估计问题。来自传感器的信号可模型化为混有不相关噪声的随机变量,而把融合过程考虑为一种信号估计过程。信号层融合要求信号在时间
6、和空间上精确对准,如果传感器信号不同步,一般要估计出它们在相同时刻的值。像素层图像融合是对原始图像融合形成一幅新的图像。像素层图像融合可用来增加图像中每个像素的信息内容,为下一步图像处理提供更多的特性信息,可以更容易识别潜在目标。如果参加融合的图像具有不同分辨率,则需要在图像相应区域作映射处理。像素层图像融合一般要求传感器在空间上精确对准,通常将多个传感器置于同一平台上来达到这一要求。像素层的图像融合方法是一种低层次的融合,保留了尽可能多的信息,精度比较高。特征层图像融合是提取各图像主要特征的似然率,然后将特征合成的方法。特征层数据融合需要对某些数据处理赋予语义,这样才能得到目标原始特征,而且
7、特征层数据融合往往与目标算法相联系,把某类语义含义映射到传感数据的某个空间或某个时间段上,建立“原始”特征,通过组合图像特征来建立“合成”特征。硕士论文红外与微光图像融合夜视系统设计从图像中提取并用于融合的典型特征包括:边界和类似亮度或深度区域等。典型的图像特征提取包括:边界提取.同密度或同景深区域表示等。多个图像传感器在相同位置报告类似特征时,可以增加特征实际出现的似然率并提高测量特征的精度。未收到这样报告的特征可认为是虚假特征而加以删除。通过融合能消除虚假特征来提高特征测量精度如确定一个物体的姿态,建立合成特征,提高有关的性能如目标识别能力。融合后建立的特征可以是各分量特征的合成,也可以是
8、由各分量特征属性组成的完全新型的特征。一个特征的几何形式.方位.位置以及时间内容是表示特征的最重要方面,这些特征可以与其它特征对准和融合。在融合时可用特征的几何变换使其与其它特征或环境模型匹配。在某些情况下,可将某个特征进行几何变换,如图像平面中的平移和旋转等。特征层融合的传感器对.准要求不如信号层和像素层要求严格,因此图像传感器可分布于不同平台上。符号层图像融合是对来自多幅图像的信息进行逻辑推理或统计推理的过程。如果传感器信号表示形式差异很大或者涉及图像的不同区域,那么符号层融合也许是融合多图像信息的唯一方法。用于融合的符号可以源于系统中传感器提供的信息,也可以来自环境模型或系统先验信息的符
9、号。从传感器信息导出的符号代表了有关环境某个方面已做出的决策,通常是把传感器信息导出的特征与模型匹配来推理。在符号层融合一般不明显考虑传感器对准,因为在符号形成时已明显考虑了作为符号基础的传感信息的空间和时间内容。如果参加融合的符号没有对准,那么可把空间和时间属性与符号相联系用于它们的对准。在逻辑推理中,参加融合的各个符号代表逻辑表达式中的项,而不确定性度量代表了这些项的真实值。在统计推理中,用条件概率表达式表示参加融合的各个符号,而不确定性度量代表表达式有关的概率度量。符号层融合用推理结果建立的符号真值或概率值的增加来表示符号层融合品质的改进。符号层融合对于系统性能的改善程度一般体现在融合后
10、的符号具有更大的概率。.图像融合处理的必要性夜视技术是借助于光电成像器件实现夜间观察的一种光电技术。夜视技术包括微光夜视和红外夜视两方面。微光夜视技术研究夜天空自然微光的反射和辐射,通过带像增强管的夜视镜,对夜天光照亮的微弱目标像进行增强,使微弱照度下的目标成为可见,微光夜视仪是目前国外生产量和装备量最大和用途最广的夜视器材,可分为直接观察如夜视观察仪、.夜间驾驶仪、.夜视眼镜和间接观察如微光电视两种。红外热成像技术实际发展于二十世纪二十年代末期,是当今世界各国高技术领域发展的热点,它可以突破黑夜的障碍,实施夜间行动和作战,大幅度提高武器系统的硕士论文红外与微光图像融合夜视系统设计作战效能,同
11、时在电力、消防和工业等很多非军事领域得到了广泛应用。红外热成像系统分为制冷型和非制冷型。由于工作原理不同,红外热成像技术与微光成像技术各有利弊“卅。红外热成像系统不像微光夜视仪那样借助夜光,而是靠目标与背景的辐射产生景物图像,因此红外热成像系统能时全天候工作。随着计算机技术的发展,很多红外热成像系统具有完整的软件系统以实现图像处理、图像运算等功能,图像质量大大改善。红外辐射比微光的光辐射具有更强的穿透雾、疆、雨、雪的能力,因而红外热成像系统的作用距离更远。红外热成像能透过伪装,探测出隐蔽的热目标,甚至能识别出刚离去的飞机和坦克等所留下的热迹轮廓。微光夜视仪图像清晰、体积小、重量轻、价格低、使用
12、和维修方便、不易被电子侦察和干扰,所以应用范围广。微光夜视仪的响应速度侠,利用光电阴极像管可实现高速摄影。一般微光成像面为连续靶面,期间的分辨率很高,目前最高达./。相当于以上的电视行。两者各有有点,但是二者均存在不足之处。随着微光与红外成像技术的发展,综合和发掘微光与红外图像的特征信息,使其融合成更全面的图像已发展成为一种有效的技术手段。夜视图像融合能增强场景理解、突出目标,有利于在隐藏、伪装和迷惑的军用背景下更快更精确地探测目标。将融合图像显示成适合人眼观察的自然形式,可明显改善人眼的识别性能,减小操作者的疲劳感。.图像融合的发展现状“微光”和“热成像”是实现军用夜视观察的两个必不可少的技
13、术途径,但是微光和红外热像显示的通常是灰度图像,尤其在低照度情况下,图像提供的细节信息比较有限,而人眼对颜色的分辨力远超过对灰度等级的分辨力。如果采取某些彩色化处理将蕴藏在原始信道图像灰度中的细节信息突显出来,则可使人眼对图像的细节有更丰富的认识.这就是当前彩色夜视技术迅速发展的内在动力.早期研究的彩色夜视图像融合方法是以图像像素灰度为基础的假彩色融合法,以及将各种类型的图像在彩色空间简单叠加的彩色空间映射法。这两种方法虽然在一定程度上改善了图像的显示效果,但是其呈现的色彩并不自然,不适宜于长时间观察.年美国麻省理工学院林肯实验室提出考虑符合人眼生理视觉特性的融合结构,荷兰人力因素研究所的等人
14、也开发出彩色融合结构,并在此基础上提出了一系列符合人眼视觉特性的、线性组合和混合结构等彩色融合结构。虽在改善硕士论文 红外与徽光图像融台夜视系统设计静态图像可视效果和增加背景与目标细节等方面均有所突破,但尚未取得动态夜视图像的彩色融合效果。因此,构建一个可动态显示彩色融合效果的研究平台对于融合算法的评价和实用化具有重要意义。美国军方长期以来希望能够找到一种突破性的技术,从而可以在近乎彩色的情况下观察夜间的活动。为了这个目标,美国军方的官员觉得获得夜间彩色观察能力的实际时间表应该设定为七年或八年,结果在夜视领域大量地努力集中在传感器融合方面,即把来自两项现有技术像增强夜视和红外热成像的输入结合到
15、一起。美国的公司在年研制出了彩色夜视设备样机。夜视镜的主要目的是用来为军队提供在黑暗中或微光或无光的封闭空间内相对于敌方的优势,而彩色系统无疑可以增强佩戴者相对于可能的敌方在战术态势方面的优势。该公司称,他们的系统具有如下用途:与夜用摄像机相连识别重复穿过某一特定点的可疑车辆的颜色;评估和诊断伤口、观看计算机屏幕;在反狙击手的行动中识破伪装;识别用来标记雷区和着陆区域的化学光源的颜色。同时,工业公司和雷声公司也在共同开展两个方面的夜视传感器融合技术研究:一个是数字融合,强调全电子图像处理的应用,由雷声公司负责;一个是光学融合,包括重量轻、功率低和成本低的应用,由?工业公司负责。这两家公司己制作
16、出数字融合演示装置,他们正在内部使用,用以分析各种系统结构的成本和性能折衷方案并向可能的客户演示系统的能力“.本论文所做的工作本设计的研究目的是设计低功耗、高集成、红外与微光实时图像融合处理系统,实现对微光电视和非制冷红外热像仪的图像融合。其中微光电视采用超二代像增强器,非制冷红外热像仪采用微测辐射热计非致冷焦平面阵列探测器,特色是利用专门设计的光学系统实现微光电视和非制冷红外热像仪的共光轴,利用和的高速数字信号处理能力实现信号的实时处理。尽量将红外与微光实时图像处理系统优化到体积最小,使数字信号处理后图像效果达到最优化。红外与微光实时图像融合系统属于物理电子信息检测与处理研究领域,课题源于中
17、国北方兵器工业总公司下属某公司投资的横向项目。本设计主要有以下几方面的工作:图像融合系统的光学图像配准将由中国北方兵器工业总公司下属某公司研制,因此本文的工作基于系统中的图像处理器部分,本人参与图像处理器的硬件设计,并独自完成的软件编程。针对本系统图像的特点,寻找合适的图像处理算法.在结合加权等算法的基础上,根据系统的实际情况,归纳和演绎出一种新的行之有效的方法。硕士论文红外与微光图像融合夜视系统设计通过大量查阅资料,调研,反复论证,在计算机软件模拟的基础上,结合现有的高速处理器件和的性能,将图像处理算法用硬件编程语言实现。完成系统的各软件模块的编写和调试,使整个系统正常运行。和协同工作,通过
18、编程完成双路图像数据的存储控制、图像增强、加权融合处理、边缘灰度提取、减背景差影等功能。硕士论文 红外与微光图像融合夜视系统设计图像融合系统的基本理论.红外热成像和微光夜视探测器.红外热成像探测器热成像系统是一种被动式红外系统,它借助于对红外波段敏感的红外探测器,利用目标与周围环境之间由于温度或辐射的差异所产生的热对比度而成像,从而把人的视觉范围拓展到远红外波段。它可以在全黑下工作,既克服了主动式的易于暴露的弱点,又克服了微光仪器完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点,具有穿透烟,雾,雨雪等限制以及识别伪装的能力。红外熟成像仪可分成制冷型和非制冷型两种。制冷型热成像仪 .制冷型红外热成像技术
19、的发展。从年英国的研制出探测器以后,年出现了第一台实时显示的军用热成像仪“”。世纪年代美国完成了热成像系统通用组件计划。相继英国、法国等也研制了使用通用组件的热成像仪,各国通用组件略有不同,其中以美国的第一代热成像仪通用组件技术的影响最大。西方国家生产的第一代热成像仪产品总数大约有万台之多。我国于年代初完成了第一代热成像组件的研制,开始少量装备部队,产品性能与国外第一代的相当,在热成像技术领域中实现了从无到有的转变,打破了技术封锁。制冷型红外热成像技术的现状。目前,国外制冷型红外热成像技术从第一代已经发展到了第三代。第二代红外热成像系统已经开始装备部队,并逐步取代第一代热成像系统。第二代红外热
20、成像系统主要使用.族的三元化合物,广泛地用于啪,波段的红外探测“”。与第一代热成像技术相比,第二代热成像技术的主要特征为:探测器元数大为增加;有一定信号处理功能的大规模集成电路,简单的光机扫描或无扫描机构;在与第一代热像仪大致相同的条件下,作用距离是第一代的.至倍,温度灵敏度在左右,工作波段可以为长波和中波波段。为了提高红外熟成像系统在作战时的明显优势,提高抗伪装、抗尘埃和烟雾的能力,发现可探测性低并经过伪装的目标,目前,世界上正在开发第三代热成像技术。第三代热成像要求探测和识别复杂背景中隐蔽目标的能力提高%,提高帧速;并要求系统更轻、更小、零件更少、功耗和成本更低;作用距离是第二代的倍,对坦
21、克的识别距离将达左右,并且具有强大的信号处理功能。第三代热成像技术主要的探测器材料为、.和量子阱等。由于制冷型红外探测器材料昂贵,探测器的成品率很低,导致了制冷型红外热成像系统的硕士论文红外与微光图像融合夜视系统设计价格的昂贵,另外,制冷型红外热成像系统需要一套制冷设备。增加了系统成本,降低了系统的可靠性。制冷系统一直是制冷型热成像系统的可靠性最差的部件。另外,制冷型系统的功耗大,重量约为非制冷系统的?倍,难以实现小型化.这些都限制了制冷型红外热成像系统的广泛应用。非制冷型焦平面阵列非制冷型红外热成像系统省去了复杂的光机扫描和电子扫描系统以及价格昂贵的制冷系统,使得其具有价格低、体积小、功耗低
22、、性能可靠、操作方便等诸多优点。.成为当今世界高技术领域发展的热点之一?。非制冷型红外热成像技术的发展。非制冷型阵列技术最早开始于二十世纪八十年代,美国军队夜视实验室首先意识到低成本轻重量的重要性,联合了 奠基了铁电材料以及电阻型阵列的发展方向。非制冷成像阵列基本上可以分为两类:铁电一热电辐射热探测器;电阻型微测辐射热计,其材料具有很大的电阻温度系数。两种都不需要制冷,但是都需要温度稳定器,并且与当前高阻抗的读出电路兼容。美国从年代初开始设计和发展非制冷红外技术,生产出一系列以氧化矾微测、辐射热计为基础的非制冷红外焦平面阵列,包括中心距为的阵列和中心距为的、阵列。中心距为的非制冷焦平面阵列,是
23、具有高的灵敏度、宽动态范围和短的热时间常数,透射率为、;/.的系统,使用焦平面阵列时的瞬时噪声等效温差,在偏压为.时小于。冲心距为的阵列是一种高分辨率非制冷焦平面阵列。以这种阵列为基础,制造并演示了红外热像仪。该热像仪具有一个先进的成像电子系统。电子系统仅需要的功率,可完成增益、精细偏置和偏置粗略修正,并提供视频信号电平的自动电平和增益调节能力。热像仪帧频,场频,能提供黑白、彩色、数字或复合隔行扫描视频输出。读出集成电路能以的帧速工作。测量的焦平面阵列的可使用率大于%。采用焦平面阵列的热像仪,噪声等效温差小于/,可以探测到处的行人;采用焦平面阵列的、噪声等效温差为的热像仪,仅能探测到处的行人“
24、。法国公司利用非晶研制的非制冷型微测辐射热计已经取得了较好的成果并走向货架。中心距分别为和.。中心距为的微测辐射热计在的动态范围下,平均小于相当于尺寸为的微测辐射热计的。年,公司又报道了像素尺寸缩小到的元微测辐颂士论文红外与微光图像融合夜视系统设计射热计。接近。芯片与读出电路集成在一起,读出电路芯片上提供非均匀性校正和温度补偿,响应波段为。目前以这几种类型的探测器为核心的热成像系统已经面向市场。非制冷型红外热成像技术的现状。我国从“七五”期间就开始重视红外热成像技术的发展,并取得了可观的成绩。年,中国科学院上海技术物理研究所报道了研制的非制冷红外热像仪,通过了专家组的验收。该仪器的总体性能指标
25、达到了国际先进水平。该仪器由热敏电阻焦平面列阵探测器、长波红外透镜、处理器、嵌入式机以及液晶显示器等组成,其光谱范围为.,视场为,帧频为,噪声等效温度为.。整个仪器系统由嵌入式机控制,可实现单色和伪彩色、温度分析与显示以及现场记录等功能。从目前的发展趋势看,支持近战的传感器正日益采用非制冷探测器。这种传感器的像素数是几年前研制的传感器的倍,像素大小为以前的/。非制冷热像仪的目标是小像素、高灵敏度、大阵列至少元、不需要机械斩波器或温度稳定、低功耗和廉价光学元件。系统公司和研制出元阵列的摄像机,重量不到,体积为,功耗仅,装有/.镜头时,还可分辨以下的温差。.微光夜视探测器微光是泛指夜间或低照度下微
26、弱的光或能量低到不能引起视觉的光。直视微光成像的原理就是将夜间或在低照度下提取的微弱的光学图像通过一个称为像增强器的器件转换为增强的光学图像,以实现夜间或低照度下的直接观察。通过将像增强器和的耦合,可以将直视式微光图像转化为视频图像“”?。一代微光夜视一代微光夜视仪的心脏为一代像增强器一代管。年,.发现三碱光电阴极在可见光到近红外波段具有较高的灵敏度。世纪年代初,.研究成功同心球电子光学系统;到年代末期发明了纤维光学。在上述三大核心技术的支撑下,年代中期,一代微光像增强器终于问世了。通常,一代管是通过光学纤维面板耦合而成的三级级联式像增强器。一代管的光电阴极为多碱光电阴极,它对可见光与近红外光
27、敏感。一代管的工作原理和代管相同;不同之处是,经过三极耦合,从而增强了对微光讯号的放大能力,省去了主动照明景物的红外探照灯。一代微光夜视的优点:被动工作,不易暴露自己;采用三级级联,光增益高,景物图像较清晰。其缺点:防强光性能较差,以至于难以在火光四射的战争环境下工作;体积稍大,比较笨重。硕士论文红外与微光图像融合夜规系统设计二代微光夜视二代微光夜视仪使用的像管为二代像增强器二代管.二代管的研究开始于世纪年代,是从探索新的电子倍增器件微通道板起始的。经过不断摸索,终于在年代初研制成功。二代管的光电阴极仍为。但由于制作工艺技术的不断改进,使其光电灵敏度与红外响应比以前提高不少。在二代管内部,成功
28、地使用了能实现电子倍增的二维元件一微通道板。是由上百万个紧密排列的、具有较高二次电子发射系数的空心通道管所构成。其通道芯径间距约,长径比为。入射在通道入端的初始电子在电场作用下激发出二次电子,并且依次倍增,获得了输出端的高增益。具有增益高、分辨率高、功耗低、频带宽、寿命长以及自饱和效应等优点。二代微光夜视仪的优点;被动工作,不易暴露自己;鉴别率高:体积小,重量轻:具有防强光性能和自动亮度控制能力,因而可在战火纷飞的战场上使用。其缺点是:噪声较大,人眼观察不太舒适;作用距离仍不够远。三代微光夜视第三代微光像增强器三代管采用族化合物做微光管的光电阴极发射材料。所谓.族化合物,即元素周期表中族元素与
29、族元素化合生成的半导体化合物。在真空光电夜视器件中的光电阴极为,因为光电阴极具有负电子亲和势,因而它具有量子效率高、暗发射小、电子能量分布集中等优点。这种新型的高效率的砷化镓光电阴极于年由.和 发现。三代管于世纪年代末、年代初问世。三代管与代管、一代管、二代管的重要区别在于其光电阴极的奇特,导致像管性能的较大差异。然而, 三代管制作工艺相当复杂,难度大。目前能够从事三代管生产的国家主要是美国。三代微光夜视仪的优点:灵敏度高,鉴别率高,体积小,作用距离较远。其缺点:技术难度大,价格高。目前,美国的三代微光夜视仪主要应在军事装备上。四代微光夜视四代微光器件最近几年出现的管型,由美国研制成功。它是在
30、三代微光器件的基础上,去掉三代管中的离子阻挡膜,对电源模块也进行了改进,这样使像增强器的性能得到很大提高,可以使像管在照度下可以很好地工作。超二代微光夜视衡量某项技术产品优劣时,除考虑性能指标外,还须看其几何尺寸、重量、能耗、可靠性、安全性、成本乃至使用方便性与舒适性等等.三代管虽然在其技术性能上具有相当的优势,然而,因其制作工艺相当复杂,造成价格昂贵。荷兰公司与法国公司另辟蹊径,成功地寻找出对;光电阴极进行加工工艺的改进方案,并适当利用三代管成熟的若干加工工艺,使二代近贴式像增强器的性能大为硕士论文红外与微光图像融合夜视系统设计提高:扩展光谱响应、提高量子效率,即产生出所谓二代半管又称超二代
31、管。本论文采用了超二代像增强器,它使用微通道板来实现倍增,将微弱的光学图像转换为明亮的可见光图像。本系统使用微光系统代替了传统影像增强器。微光像增强器实际是带光阴极的、具有电子放大和显像功能的电子器件,由于具有增强图像亮度的功能,又称为“亮度增强器”。它的结构如图.所示:一微通道板一光电阴撮氮化硅涂层阴极面板铟封 一光纤面板一荧光屏图.超二代像增强器的内部结构.图像配准由于不同传感器的成像机理不同,获取图像的时间、角度、环境也不同,使得待融合的图像需先进行图像配准。除了在多传感器图像融合领域中的应用,图像配准在遥感图像镶嵌、医学图像分析、目标变化检测、目标识别等应用中也是必不可少的步骤。图像配
32、准是上述各类问题中提高精度和有效性的瓶颈,是必需的前期工作。如对于目标变化检测,如不进行较高精度的配准,则在整个场景中由于多传感器、多时相图像之间的位置交错使图像发生变化,而不是目标本身发生了相对于背景的变化,这就将导致错误的目标变化检测,因此必须在变化检测前对图像作高精度的配准。因此图像配准在众多场合下不可或缺的作用使得它在遥感、军事、医学、计算机视觉等领域得到了广泛的发展和应用“”“。硕士论文红外与微光图像融合夜规系统设计.多源图像配准定义多源图像配准是指依据一些相似性度量决定图像间的变换参数,使从不同传感器、不同视角、不同时间获取的同一场景的两幅或多幅图像,变换到同一坐标系下,在像素层上
33、得到最佳匹配的过程。待配准图像相对于参考图像的配准可定义为两幅图像在空间和亮度上的映射。两幅图像可定义为两个二维数组,分别用,和表示,它们分别是两幅图像的亮度值或其他度量值,则两幅图像间的映射可表示为,.协扩扛,其中,为二维空间坐标变换,如仿射变换,为一维亮度或其他度量值变换。但在实际应用中,亮度的变化常常可以通过传感器参数信息校正,因此找到最佳空间变换是图像配准问题的关键。当需配准多幅图像时,选取其中某一幅图像作为参考图像,其余图像分别相对参考图像进行配准。.常用的图像配准方法目前对于不同类型的图像和数据存在很多种图像配准的方法,也相应地形成了很多种对方法进行分类的准则。常见的分类准则将图像
34、配准方法分为两类:基于图像灰度的方法和基于图像特征的方法。基于图像灰度的配准方法基于图像灰度的配准方法,通常直接利用整幅图像的灰度信息,建立两幅图像之间的相似性度量,然后采用某种搜索方法,寻找使相似性度量值最大或最小的变换模型的参数值。常用的相似性度量有:两幅图像灰度的平方差之和;序贯相似度检测;互相关:位相相关;基于图像灰度的配准方法不需要对图像做特征提取,而是直接利用全部可用的图像灰度信息,因此能提高估计的精度和鲁棒性.但由于在基于图像灰度的算法如互相关算法中,把匹配点周围区域的点的灰度都考虑进来进行计算,因此其计算量很大,速度较慢。基于图像特征的配准方法基于图像特征的配准方法是目前采用最
35、多的。多源图像融合和遥感技术的进步促进了其发展。在多源图像融合中,由于多传感器获取各类图像灰度特征往往不一致,因此很难运用基于图像灰度的方法。基于图像特征方法提取各类图像中保持不变特征,如边缘点、闭区域的中心等,作为两幅图像配准的参考信息。硕士论文红外与微光圈像融合夜砚系统设计这类方法的主要优点是它提取了图像的显著特征,大大压缩了图像的信息、量,使得计算量小,速度较快,而且它对图像灰度的变化具有鲁棒性。但另一方面,正是由于只有一小部分的图像灰度信息被使用了,所以这种方法对特征提取和特征匹配的错误更敏感,需要可靠的特征提取和鲁棒的特征一致性。基于图像特征的配准方法包括特征提取、特征匹配、选取变换
36、模型及求取参数、坐标交换与插值四个主要组成部分。特征提取特征提取是指分别提取两幅图像中共有的图像特征。这种特征是出现在两幅图像中对比例、旋转、平移等变换保持一致性的特征,如线交叉点、物体边缘、角点、虚圆、闭区域的中心等。可提取的特征包括点、线和面三类。点特征是最常采用的一种图像特征,包括物体边缘点、角点、线交叉点等。常用的点特征提取方法有如下几种:.基于小波变换的边缘点提取法.、钮永胜等人都是采用基于小波变换的多尺度分析理论,先对图像作小波变换,计算小波变换的模值,模的局部极大值点即对应图像中的边缘点。.角点检测法角点也是一种常用的图像特征点。基于灰度的角点检测方法考虑像素点邻域的灰度变化,通
37、过计算点的曲率及梯度检测角点。.兴趣算子法兴趣点,是指相对于其邻域表现出某种奇异性的像素点,它们容易提取,对信号噪声、数据获取时的参数变化和图像变换等具有较好的鲁棒性。最有名的兴趣点提取法是检测法,还有如算子,算子等。线特征是图像中明显的线段特征,如道路、河流的边缘,目标的轮廓线等。线特征的提取一般分两步进行:首先采用某种算法提取出图像中明显的线段信息,然后利用限制条件筛选出满足条件的线段作为线特征。面特征是指利用图像中明显的区域信息作为特征。在实际的应用中最后可能也是利用区域的重心或圆的圆心点等作为特征,但其前提是提取明显的区域特征。特征匹配特征匹配是指建立两幅图像中特征点之间对应关系的过程
38、。用数学语言可以描述为:两幅图像和中分别有和个特征点和常常是不相等的,其中有对点是两幅图像中共同拥有的,则如何确定两幅图像中对相对应的点对即为特征匹配要解决的问题。常用的特征匹配方法有:互相关系数法、互信息法、聚类法,点间距离法、松弛硕士论文 红外与微光圈像融合夜视系统设计法等。选取变换模型及求取参数变换模型是指根据待配准图像与参考图像之间几何畸变的情况,所选择的能最佳拟合两幅图像之间变化的几何变换模型。可采用的变换模型有如下几种:仿射变换、透视变换、投影变换和多项式变换,其中最常用的是仿射变换和多项式变换。求取参数是指搜索计算两幅图像之间最佳变换参数的过程,常用的算法有最小均方误差法、聚类分
39、析法、极值优化法、模拟退火算法、遗传算法等。坐标变换与插值在得到两幅图像间的变换参数后,要将输入图像做相应参数的变换使之与参考图像处于同一坐标系下。则校正后的输入图像与参考图像可用作后续的图像融合或目标变化检测处理。这其中涉及输入图像变换后所得点坐标不一定为整像素数,则应进行插值处理。常用的插值算法有:最近邻域法、双线性插值法和双三次卷积法。.图像预处理.图像增强算法众所周知,复杂背景条件下弱小目标的检测是一个难题。在一般的检测算法中,很难实现低信噪比下的小目标检测。在低信噪比下,由于目标与背景的对比度小,检测往往较困难。为了达到低信噪比检测的目的,就要对图像序列进行预处理,以达到抑制背景,增
40、强目标,提高信噪比的目的,为后续工作打下良好的基础噙“.领域加权平均领域平均法的基本思想是用几个像素灰度的平均值来代替每个像素的灰度。假定有一幅个像素的图像,经平滑处理后得到一幅图像,表示为:。.,胛百.式中:,?,?。是以伍为中心的个领域点构成的集合,但其中不包括,点,是集合内坐标点的总数。式.表明平滑后的图像,中的每个像素的灰度值均由包含在预定领域中的几个像素的灰度值的平均值来决定。领域平均相当于一个二维低通滤波器,能去除点状噪声,但经过平均后图像的对比度和清晰度下降。如果领域的作用域越大,图像的平滑作用也越大,图像也越模糊。将领域平均滤波器加以改进,加强中心像素点灰度值对新像素点灰度值的
41、作用,就得到中心加权的领域平均滤波器。加强中心像素点权重的目的是降低由平均操作带来的图像细节的模糊。领域加权平均可用下式表示:硕士论文红外与微光图像融合夜视系统设计.,矽,式中:,是大小为的权矩阵的一个元素。当中各元素相等时,就是式.表示的加权领域平均。权矩阵的构造方法有很多,实际应用中,可根据不同的使用场合及图像本身的特点设计不同的权矩阵。差分法求取图像边缘领域平均法是简单的图像平滑方法,这种方法类似于积分过程,积分的结果是在消除图像点状噪声的同时,使图像边缘变得模糊。与积分相对,微分会使图像的边缘变得尖锐。微分法是图像锐化和图像边缘检测中常用的思想之一。微分法的思想在实际数字图像处理中常体
42、现为差分法。差分法需应用各种形式的算子,计算数字图像中的一阶灰度差、二阶灰度差等。常用的算子有算子,算子,算子,算子等。对比这些算子对图像的处理效果发现,算子对具有陡峭的低噪声图像响应最好;算子和算子不是各向同性的,所以得到的边缘图像有时并不是完全连通的;.算子不但对灰度渐变和噪声较多的图像处理最好,而且各向同性。得到的边缘图像具有连贯性和高清晰度。这些算子的形式不同,处理得到的边缘图像也各有差别,但如果用某种算子检测得到的红外图像边缘直接对原图边缘进行增强,将会由于边缘过分突出造成原图的失真。基于加权领域平均和差分法边缘检测的增强算法本文所设计增强算法的基本思想是:首先求得领域中心像素点的加
43、权领域平均值,然后根据差分法思想求取领域中心像素点与其加权平均值的梯度实际上就是去除了点状噪声的边缘图像,最后将求得的边缘图叠加到原始图像上。该算法可公式化为:.,力【厂,一,.,形, 肚袜蚓上式中:,表示原始图像中的某像素,表示%用参数矩阵获得的领域加权平均值,礅,?,是去除了噪声的边缘图像,是最终的增强图像。公式中采用如式.所示的参数矩阵有两个原因,其一是该参数矩阵在形式上与算子有相同的形式,用其获得的边缘图像在水平方向和垂直方向均具有连贯性;另一原因是该参数矩阵中的所有系数都是的倍数,用实现起来较为简便。硕士论文红外与微光图像融台夜视系统设计式.表示的增强算法在水平和垂直方向上均有增强效
44、果。为了增强程序的通用性,如果要在水平和垂直方向分别进行增强,则只需调整送入该算法的参数。若需要水平和垂直双向增强,则送入算法的参数可用图.表示;若仅需水平增强,则送入算法参数可用图.表示;若仅需垂直增强,则送入算法参数可用图.表示。 廿 呦坪, 国 心 一砸 , 坪 计一双向增强参数矩阵 水平增强参数矩阵砸 心缸一 翠驴 雌一垂直增强参数矩阵图.增强参数矩阵分析图.所示的参数矩阵,实际上只使用了图像同一行上的三个点:,、,、,。将这三组相同的数据点代入公式.,经过化简可以发现,矩阵可等同于对?,、,、,三点使用图.表示的一维加权矩阵。同理,对图.分析,矩阵可等同于对列方向上的三点坟?,、施,
45、、砸,使用图.所示的一维加权矩阵。.图像边缘信息提取图像边缘是图像的基本特征之一,它包含对人类视觉和机器视觉有价值的图像边缘信息。边缘是图像中特性如像素灰度、纹理等分布不连续处图像周围特性有阶跃变化或屋脊变化的那些像素集合,是图像识别信息最集中的地方。图像边缘检测是图像分析的重要内容,也是图像处理领域中一种重要的预处理技术,广泛用于轮廓、特征的抽取和纹理分析等领域。特别在自动化水平越来越高、自动化检测和识别、自动化生产线、产品的精度和纯度的自动分析等方面都离不开图像处理和图像分析。常用的边缘检测方法有并行边界分割和串行边界分割。而在边界检测中常用的有算子、算子、算子和算子等。本文在实验的基础上
46、经过对比发现和算子在使用上相对简单实用,经过试验,在本文涉及的处理器系统中采用算子获得的边缘图像比算子更加明显,噪声也相对少硕士论文红外与微光图像融合夜视系统设计些。本文提出的基于算子进行边界检测的改进算法从精度要求考虑,应用算子以及一些简单的前后期处理来满足精度要求。它的基本步骤,如图.所示嘣删。蹲子信息提取图. 算子边缘信息提取的基本框图图像的灰度变化图像的灰度变换是对图像像素的灰度值进行处理,突出有用信息并抑制干扰信息。有些图像的对比度很差,直接处理容易丢失有用信息,需要对原图像进行灰度标度变换,以增强图像的对比度。而对于一些对比度好,边界轮廓清晰的图像,也可不经过灰度变换。本文采用的是分段线性变换,目的是突出对提
