基于余弦算子的紅外熱像儀自然偽彩色編碼

孫文杰，秦 健，孫玉梅

(煙臺南山學院，山東 龍口 265713)

紅外熱成像技術(shù)，是一種現(xiàn)代顯像技術(shù)，它將物體表面的紅外熱輻射差別，轉(zhuǎn)換成人眼可見的灰度圖像?；叶葓D像偽彩色增強技術(shù)，能大大提高人眼的信息獲取能力。

自然界中最為廣泛的一種電磁輻射是紅外線輻射，任何物體在絕對零度以上，都會輻射出紅外光譜能量，其原子和分子運動越劇烈，能量就越大。紅外熱像儀就是利用光敏元件和成像物鏡組成探測器，捕獲被測物體表面發(fā)出的紅外光譜能量分布差異情況，通過顯示器轉(zhuǎn)換為可見光譜圖像的探測儀器。圖像的不同顏色，代表了物體表面不同的溫度。目前，紅外熱像儀已經(jīng)廣泛應用在軍事、民用和工業(yè)領(lǐng)域等，主要體現(xiàn)在發(fā)電廠輸配電設備、建筑系統(tǒng)、冶金熱加工處理系統(tǒng)、產(chǎn)品流程檢查、消防安保、醫(yī)療檢測、機械石化、模式識別、遙感探測等場合。

現(xiàn)代的紅外熱像儀，不但具有先進的探測元件，還具有相當完善的圖像處理技術(shù)，能夠?qū)崟r高效、清晰地凸顯物體的不同溫度分布情況。但是隨著現(xiàn)代熱像儀應用場景的復雜化，各種噪聲干擾對圖像的清晰度和色彩具有較強的干擾。

本文從白光等密度偽彩色編碼實驗出發(fā)，提出了基于余弦算子的圖像處理技術(shù)在紅外熱像儀中的應用，經(jīng)過對比，該算法能夠有效地抑制圖像高斯噪聲，增強圖像邊緣效果，細膩呈現(xiàn)的色彩，較自然地對紅外熱分布進行了偽彩色處理。

1 紅外熱成像

1.1 熱成像系統(tǒng)構(gòu)成原理

典型的紅外熱成像系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

圖1 熱成像原理

該系統(tǒng)通過典型的非制冷紅外焦平面探測器，在5 000 m內(nèi)進行非接觸近距離或遠距離物體的熱輻射探測[1]，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過電子系統(tǒng)對圖像預處理，最終經(jīng)顯示器呈現(xiàn)熱圖像和溫度值，該圖像稱為偽彩色圖像，溫度值可以計算，可以進行故障區(qū)域判別和因素分析。

1.2 紅外圖像特點

光譜中波長0.76～400 μm的一段位于可見光紅光的外側(cè)，所以稱為紅外線，根據(jù)紅外線在光譜上距離可見光位置的遠近，被分為遠紅外、中紅外和近紅外這3種，各段都有自己的特性，比如利用遠紅外對人體組織穿透力強，進行理療。雖然目前的紅外熱像感光范圍，已經(jīng)擴展到中紅外，但主要探測的還是近紅外，中紅外CCD感光器像素低。

紅外熱像儀經(jīng)過近40年的發(fā)展歷史，目前已升級到第四代，其核心器件是探測器，擁有高分辨率、大面陣、多波段、智能靈巧型系統(tǒng)級芯片，具有一定的數(shù)字信號處理功能，能夠在夜晚和人員無法到達的場地進行取景，獲得不同算法處理的彩色圖片。但是目前市場上很多熱像儀拍出的偽彩色圖像，其色彩信息還不夠豐富，不能很好地實時顯示任意模式的彩色圖像，對于某些溫度差異小的圖像細節(jié)，分辨率還不夠高。

2 偽彩色圖像增強方法對比

2.1 常用圖像增強技術(shù)

在圖像識別技術(shù)中，為了獲得更多的有效信息，在采集到紅外感應圖像數(shù)據(jù)后，就需要對較為模糊的紅外圖像進一步目標增強，尤其是黑白或其他灰度圖像?；叶葓D像有不同的灰度級，對應著每個像素通道都有灰度值，不同灰度值可通過線性或非線性映射函數(shù)進行區(qū)域或邊緣增強，經(jīng)過紅綠藍三基色合成出偽彩色圖像，使得觀察目標層次分明而更易于識別。

目前，較為常用的偽彩色增強處理方法有3種：空間灰度分割法、灰度色彩映射法和頻率域濾波法。

（1）空間灰度分割法。把灰度圖像的灰度值分割成若干段，每一段賦予一種色彩。該方法直觀簡單，易于硬件實現(xiàn)，為早期紅外熱像儀采用的圖像處理方法，國內(nèi)外市場都有售該類儀器，效果不太好，色彩數(shù)目有限，視覺效果生硬，量化噪聲大。下面是一種8位位深的偽彩色編碼，增強效果如圖3。

J=floor(I/32);

J1=floor(J/4);

J2=rem(floor(J/2),2);

J3=rem(J,2);

POut(:,:,1)=J1;

POut(:,:,2)=J2;

POut(:,:,3)=J3。

（2）灰度色彩映射法。把灰度圖像分為紅綠藍3個通道，每一個通道采用不同的映射函數(shù)進行增強處理。該方法比灰度分割法圖像增強效果要好，可以將灰度圖像變換為具有多種色彩漸變的偽彩色圖像。下面是圖像變換原理、偽彩色編碼及其圖像增強效果。

圖2 灰度色彩映射原理

if(0

I(i,j,1)=0;I(i,j,2)=4*I(i,j,2);I(i,j,3)=255;

else if(64

I(i,j,1)=0;I(i,j,2)=255;I(i,j,3)=-4*I(i,j,3)+128;

else if(128

I(i,j,1)=4*I(i,j,1)-128;I(i,j,2)=255;I(i,j,3)=0;

else I(i,j,1)=255;I(i,j,2)=-4*I(i,j,2)+255;I(i,j,3)=0。

（3）頻率域濾波法。把灰度圖像經(jīng)傅里葉變換，切換到頻率域?qū)ζ湓鰪娞幚?。該方法采用紅綠藍3個不同傳遞特性的濾波器，對變換后的圖像頻譜進行分割，如為突出高頻成分細節(jié)，可以把紅色通道設置成高通濾波器；再如可以設計帶阻濾波器抑制圖像中的某些頻率成分。

下面是256色以下灰度圖像濾波代碼及其圖像增強效果。

I=imread('brain.bmp');

[m n p]=size(I);

F=fft2(I);fftshift(F);

h=ones(1,1)/2;Red=imfilter(F,h);Redcolor=ifft2(Red);

h=ones(5,5)/25;Green=imfilter(F,h);Greencolor=ifft2(Green);

h=ones(1,5)/25;Blue=imfilter(F,h);Bluecolor=ifft2(Blue);

Redcolor=real(Redcolor)/100;

Greencolor=real(Greencolor)/100;

Bluecolor=real(Bluecolor)/100;

POut(:,:,1)=Redcolor;POut(:,:,2)=Greencolor;POut(:,:,3)=Bluecolor;

Figure;imshow(POut)。

圖3 圖像增強效果對比

以上3種常用偽彩色編碼算法，對灰度范圍處理簡單，不是每個灰度值對應不同色彩，而是每一段灰度圖像數(shù)據(jù)對應一種色彩，圖像增強效果不是很清晰，對應紅外感應的灰度圖像也是如此。下面介紹的余弦算子，較好地解決了灰度范圍集中不易偽彩色化的問題，使灰度圖像按照余弦函數(shù)自然增強后實現(xiàn)偽彩色化。

2.2 余弦算子的自然偽彩色編碼

依據(jù)傳統(tǒng)白光光學信息處理系統(tǒng)中，灰度圖像的白光等密度偽彩色編碼實驗[5]，進行數(shù)學建模，最終得到零級譜偽彩色圖像強度與原始灰度值之間的算子關(guān)系為

式中，

f(i,j)為紅外熱像儀探測得到的灰度圖像像素值；

y(i,j)為經(jīng)過余弦算子灰度變換作用后，得到的單色灰度像素值；

λ為對應像素值f(i,j)的三基色波長參考相對值。

由于f(i,j)取值為0～255，故λ一般取值也為0～255，對于y(i,j)，其輸出值為歸一化數(shù)值0～1。

上述關(guān)系如圖4所示。

圖4 單色灰度變換

由y(i,j)表達式，可以得出RGB三基色偽彩色處理的配色方程：

該方法能處理24位多種常見格式的圖像，得到的偽彩色圖像輪廓清晰，亮度及色彩層次感強，具有較高的灰度靈敏度。

r=input('Please input color value(0-255):r=');

Ir(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/r);

imwrite(Ir,'Ir.bmp');

figure;imshow(Ir);title('Red Enhancement');

g=input('Please input color value(0-255):g=');Ig(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/g);

imwrite(Ig,'Ig.bmp');

figure;imshow(Ig);title('Green Enhancement');

b=input('Please input color value(0-255):b=');

Ib(i,j)=0.5+0.5*cos(1.6*d(i,j)/b);

下面是針對紅外熱像儀圖像增強技術(shù)，采用傳統(tǒng)偽彩色圖像增強算法和弦函數(shù)圖像增強算法進行的實驗效果對比。對同一幅紅外圖像，得到不同的試驗結(jié)果。

如圖5(b)傳統(tǒng)灰度色彩映射法偽彩色編碼，效果較差，而且不能實時可調(diào)，

圖 5(c)r=123，g=96，b=154 和圖 5(d)r=78，g=123，b=80是利用余弦算子在不同可調(diào)參數(shù)下偽彩色的結(jié)果。

由實驗結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的灰度色彩映射法在灰度太集中時圖像顯示不清晰，不能實時分析各段的溫度圖像。

本文所提余弦算子自然偽彩色編碼能很好地根據(jù)波長值 λR、λG、λB(程序中為 r、g、b) 實時調(diào)節(jié)高溫區(qū)、低溫區(qū)，溫度不同的地方色彩不同，容易分辨出不同的溫度區(qū)域，所成紅外偽彩色圖像清晰。

圖5 實驗結(jié)果

3 結(jié)束語

根據(jù)紅外熱像儀成像原理，為保障采集的數(shù)據(jù)能夠真實清晰地再現(xiàn)場景圖像，優(yōu)異的數(shù)字圖像增強技術(shù)，能夠使非常規(guī)紅外圖像得到人們視覺上的認可，易于圖像識別。常用偽彩色圖像算法，不能夠?qū)崟r靈活的對灰度數(shù)據(jù)進行自然處理，而余弦算子偽彩色編碼對紅外成像的圖像增強效果，優(yōu)于傳統(tǒng)偽彩色編碼方法，能夠較為真切的反映出場景區(qū)域內(nèi)不同紅外能量差別。其形成的圖像，還可以同可見光譜圖像進行融合顯示，更進一步把圖像的有效信息呈現(xiàn)出來。

[1]寧國祥，易新建.紅外焦平面陣列圖像的偽彩色編碼和處理[J].紅外技術(shù)，2002，3(2)：57-59.

[2]曹茂永，郁道銀.高灰度分辨率圖像的偽彩色編碼[J].光學技術(shù)，2002，28(2)：115-117.

[3]JinmingSu,HongLiu.Matlab program ofhigh level[M].Beijing:Publishing House ofElectronics Industry,2005.

[4]王仕璠,劉 藝.現(xiàn)代光學實驗教程[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.