yij = Gij +xij ( )+Oij
(3)
Gij , Oij 分别为两点校正法的校正增益和校正偏移量 , yij 为校正后的输出 。
两点校正法在光路中插入一均匀辐射的黑体 , 通
过各阵列元对高温 TH 和低温 TL 下的均匀黑体辐射
的响应计算出 Gij 和 Oij , 从而实现非均匀校正 。
第
24 卷 第 1 2002 年 1 月
期
红 外 技 术 Infrared Technology
VoJla.n24. 20N0o2 .1
〈系统与设计〉
红外图像非均匀性校正方法综述
陈 锐 , 谈新权
(华中科技大学 电子与信息工程 系 , 湖北 武汉 , 430074)
Gij
=
xij(
VH H )-
VL xij (
L
)
(6)
Oij
=
VHxij ( xij(
L)-VL xij( H) L)-xij( H)
(7)
其中 xij ( H)和 xij ( L)分别为像元(i , j)在高温和低温
均匀辐射背景下的响应 。
将各阵列元的校正增益 Gij 和校正偏移量值 Oij 预
补偿焦平面探测器非均匀性的方法有多种 , 但由 于此类噪声的来源与瞬态噪声不同 , 不能采用通常的 处理方法 (帧 场处理 )。 因此抑制固有空间噪声比抑 制瞬态噪声更困难 , 必须 采用现代数据处理 的方法 。 到目前为止还没有找到适应性较强的算法 , 方法的研 究都是面向某种特定条件和工作模式的 。目前探测器 非均匀性校准方法主要有两点温度定标法 (TPC)、多 点温度定标法 (ETPC)、恒定统计平 均法(CSC)、时域 高通滤波法 (THPFC)和人工神经网络法 (ANNC)等 。 目前应用最广的是两点温度定标法和 多点温度定标 法。
CHEN Rui ,TAN Xin-quan
(Electronics &Information Engineering Department , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, China)
Abstract : Infrared non-uniformity has limited the quality of infrared imaging system .In this paper , we discussed the approach of two-temperature points correction (TPC)in detail .As the further research in this area , constant-statistics correction (CSC), temporal high-pass filtering correction (THPFC)and artificial neural network correction (ANNC)are presented simply at the same time . Key words : IRFPA ; non-uniformity correction ; two-temperature points ; constant-statistics ; high-pass filtering ; neural network
作者简介 : 陈锐 , 1979 年生 , 男 , 华中科技大学硕士研究生 , 主要研究方向图像处理 、数字信号处理 、多媒体技术 、光电成像技术 。 谈新权 , 1945 年生 , 男 , 华中科技大学教授 , 主要从事光电技术 、激光通信 、通信与信号处理 、数字视频技术研究 。
Study on Non-uniformity Correction of Infrared Image
克服了基于参照元校正存储量大的问题 , 但也要求探
测器响应率有较好的线性 。
2 .4 人工神经网络法
可以完全不对 FPA 进行标定(或自动标定), 是红
外成像系统的理想境界 , 依赖于神经网络方法自适应
地进行校正系数的更新是目前实验室 研究的热点之
一 。 具体办法是 :让每一个神经元连接一个阵列元 , 再
以上多种方法可分为两大类 :线性校正和非线性 校正 。 其中前三种属于线性校正技术 , 后两种属于非 线性校正技术 。 技术上线性校正相对非线性校正来说 较为成熟 。
2 非均匀性校正方法
线性校正假设探测器单元的响应呈线性 ,
y = ax +b
(1)
式中 , x 为某一探测器单元的输入信号 , y 为可测的输
行定标 , 校正系数可以经过学习连续更新 , 对探测器参 数的线性和稳定性要求不高 , 但研究工作量大 , 应用时 计算量大 , 需要特殊并行计算机结构来实现 。
3 结束语
红外探测器是红外成像系统的关键部件 , 但红外 图像的非均匀性直接影响系统的质量 。 因此解决非均 匀性校正成了头等重要的 问题 。 尽管世 界范围内的 FPA 非均匀性校正问题的研究工作 、技术途径多种多 样 , 但目前在商业上有推广价值的和军事上能够实用 的还是两点法或扩展两点法 , 专家和工程师们的着眼 点依然是修正完善两点法 ———提高精度和算法处理速 度 。同时 , 在实验室还在大力研究其它非线性校正方 法 , 如神经网络校正法 、时域高通滤波器法 。
G 和 O 的迭代公式 :
Gn +1 = Gn -2ax(y -f )
(19)
On +1 = On -2a(y -f)
(20)
其中 :a 为下降步长 , n 为帧数 。
3)利用线性校正算法 , 计算
yn+1 = Gn+1 ×Xn+a +On +1
(21)
可见 , 神经网络方法在理论上完全不需对 FPA 进
的输出信号的统计平均值是很恒定的 。 2)输入到每个
探测器单元的输入信号的统计方差都相等 。 则式(1)
可写成为 :
my = E[ y] =E[ ax +b] = aE[ x] +b = amx +b
(8)
δ2y = a2 δ2x
(9)
不失一般性 , 假设 mx =0 , δ2x =1 , 则有
b =my
出信号 。 如果能求出增益因子 a 和偏移因子 b , 就可
求得无畸变的输入信号 x 。 2 .1 两点校正法
从红外图像非均匀性 的来源和表现 形式可以看
出 , 如果各阵列元的响应特性在所感兴趣的温度范围
内为线性的 , 在时间上是稳定的 , 并假定 1 f 噪声的影 响较小 , 则非均匀性引入固定模式的乘性和加性噪声 ,
阵列元的响应特性随时间缓慢的变化和阵列元内 部的 1 f 噪声集中在低频部分 。目标相对于杂波背景 在像平面上具有较大的运动速度 , 因此目标信号具有 相当的高频能量 ;而背景杂波 , 如云层等因素在像平面 上的移动速度很小或相对静止 , 因而表现为低频分量 。 因此采用高通滤波器方法可以在实现非均匀性校正的 同时达到突出目标的目的 。其原理如图 2 所示 。
在此条件下焦平面阵列元在均匀辐射背景条件下的输
出为 :
xij ( )= uij +vij
(2)
其中 : 为辐射通量 , uij 和 vij 是坐标为(i , j)阵列元的
增益和偏移量 , 对于每一个阵列元 , uij 和vij 的值都是固
定的 , 并且不随时间变化 。因此采用两点法校正即可
实现红外焦平面阵列图像的非均匀校正 , 即
参 考 文 献
[ 1] Schulz M , Caldwell L.Non-uniformity correction and correctability of infrared focal plane arrays[ J] .Infrared Physics &Technology , 1995 .36 :763 ～ 777 . [ 2] Harris J G .Non-uniformity correction using the constant-st atistics constraint :analog and digital implementations[ A] .SPIE[ C] , 1997 .3061:895 ～ 905 . [ 3] M ajeed M .Hayat .Model-based real-time non-uniformity correction in focal plane array detectors[ A] .SPIE[ C] , 1998 .3377 :122 ～ 131 . [ 4] Scribner D A .Adaptive non-uniformity correction for IR focal plane arrays using neural networks[ A] .SPIE[ C] , 1991 .1541 :100 ～ 108 .
在图 1 中给出了两点校正法的示意图 , 两点法校
正将所有阵列元在高温 TH 和低温 T L 下的响应分别
规一化为 VH 和 VL
VH = Gijxij ( H)+Oij
(4)
VL = Gijxij ( L)+Oij
(5)
校正增益和校正偏移量即可通过下式计算出来
收稿日期 :2001-05-28
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Vol .24 No .1 红 外 技 术 Jan.2002
1 概述
红外焦平面器件是一种兼具辐射敏感和信号处理 功能的新一代红外探测器 , 采用焦平面探测器的成像 系统具有很多优点 。如果系统的探测器元数为 N , 理 论上信噪比可提高 N 倍 。但由于各个探测器的响应 度的不一致 , 导致红外图像的非均匀性 , 严重影响着红 外传感器的成像质量 , 因此必须进行红外非均匀性校 正。