第 43 卷 第 期 红 外 与 激 光 工 程 04 年 月 Vol.43 No. Infrared and Laser Engineering Jan.04 基 于 偏 振 成 像 的 红 外 图 像 增 强 周 强, 赵 巨 峰, 冯 华 君, 徐 之 海, 李 奇, 陈 跃 庭 ( 浙 江 大 学 现 代 光 学 仪 器 国 家 重 点 实 验 室, 浙 江 杭 州 3007) 摘 要 : 针 对 红 外 图 像 对 比 度 低, 细 节 纹 理 较 弱 的 特 点, 利 用 物 体 偏 振 特 性 提 出 基 于 偏 振 成 像 的 红 外 图 像 增 强 方 法, 即 获 取 红 外 偏 振 度 图 像 并 与 源 光 强 图 像 融 合 首 先, 分 析 了 偏 振 成 像 理 论, 利 用 偏 振 成 像 技 术 获 取 偏 振 图 像 其 次, 为 了 能 够 充 分 获 取 偏 振 度 图 中 的 信 息, 运 用 剪 切 波 变 换 对 图 像 进 行 多 尺 度 分 解 最 后, 采 用 区 域 特 征 匹 配 融 合 策 略, 得 到 增 强 图 像 为 测 试 方 法 的 有 效 性, 搭 建 实 验 装 置, 进 行 实 拍 图 像 实 验 主 观 与 客 观 评 价 结 果 均 表 明, 增 强 后 的 图 像 较 原 图 像 具 有 更 加 丰 富 的 图 像 细 节 与 偏 振 目 标 信 息, 对 目 标 识 别 与 探 测 具 有 重 要 意 义 关 键 词 : 红 外 图 像 增 强 ; 偏 振 ; 剪 切 波 ; 区 域 特 征 匹 配 ; 融 合 中 图 分 类 号 : TN9 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 007-76(04)0-0039-09 Infrared image enhancement using polarization imaging Zhou Qiang, Zhao Jufeng, Feng Huajun, Xu Zhihai, Li Qi, Chen Yueting (State Key Laboratory of Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou 3007, China) Abstract: Since the low contrast and lack of details in infrared imagery, a polarization imaging based enhancement method was proposed. Fusing the infrared polarization image and intensity image, this infrared image enhancement approach made the target areas prominent. Firstly, the polarization imaging theory was analyzed, and then polarization images were obtained using the polarization imaging technology. Secondly, the information of polarization images could be well acquired with the help of Shearlets based multi-scale image decomposition. Finally, the enhanced fused result was got with region feature matching. To test the effectiveness of this method, experimental device was built to get real images. Compared with original image, both the subjective and objective evaluation results indicate that the enhanced images have much more image details and polarization information, which is useful for target detection and recognition. Key words: infrared image enhancement; polarization; Shearlets; region feature matching; fusion 收 稿 日 期 :03-05-; 修 订 日 期 :03-06-03 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (6750,678064) 作 者 简 介 : 周 强 (989-), 男, 硕 士, 主 要 从 事 光 学 成 像 方 面 的 研 究 Email:3005@zju.edu.cn 导 师 简 介 : 冯 华 君 (963-), 男, 教 授, 博 士 生 导 师, 主 要 从 事 光 学 遥 感 方 面 的 研 究 Email:fenghj@zju.edu.cn
40 红 外 与 激 光 工 程 第 43 卷 0 引 言 红 外 图 像 反 应 地 物 的 热 辐 射 特 性 由 于 红 外 探 测 隐 蔽 性 好, 成 像 距 离 很 远, 并 且 能 够 排 除 大 气 云 雾 的 干 扰, 观 测 到 遮 蔽 物 下 的 目 标, 具 有 很 强 的 环 境 适 应 性, 红 外 成 像 技 术 为 现 代 战 争 中 强 有 力 的 侦 查 手 段 同 时 其 缺 点 也 较 明 显 : 红 外 图 像 中 目 标 与 背 景 对 比 度 低, 画 面 一 般 较 暗, 信 噪 比 低, 边 缘 模 糊, 细 节 纹 理 较 弱, 灰 度 分 布 集 中 [] 随 着 红 外 伪 装 技 术 的 发 展, 新 型 的 红 外 伪 装 涂 料 使 得 目 标 不 易 被 红 外 相 机 探 测 对 于 红 外 图 像 以 上 的 特 点, 图 像 的 新 型 增 强 技 术 的 研 究, 对 于 目 标 探 测 与 识 别, 红 外 图 像 的 增 强 具 有 重 大 意 义 以 往 的 红 外 图 像 的 增 强 手 段, 主 要 直 接 对 红 外 光 强 图 像 进 行 图 像 处 理, 调 整 灰 度 直 方 图 [] ; 基 于 人 眼 视 觉 特 性 的 增 强 算 法 [3] ; 以 及 图 像 的 分 形 增 强 处 理 [4] 等 方 法, 这 些 方 法 依 赖 于 单 幅 图 像, 增 强 图 像 已 有 的 信 息, 对 于 质 量 较 差 的 红 外 图 像, 增 强 效 果 非 常 有 限 另 一 方 面, 红 外 成 像 往 往 无 法 获 得 目 标 轮 廓 等 细 节 信 息, 某 些 目 标 特 征 会 被 红 外 热 辐 射 掩 盖 文 中 利 用 偏 振 成 像 方 法 获 取 图 像 中 的 偏 振 特 征, 研 究 表 明 [5], 人 造 物 以 及 水 面 等 物 体 都 具 有 一 定 的 偏 振 度, 且 与 其 本 身 辐 射 强 度 无 关, 偏 振 图 像 能 够 凸 显 部 分 地 物 轮 廓 及 表 面 偏 振 特 征 [6] 融 合 偏 振 图 像 与 光 强 图 像, 能 够 加 强 红 外 图 像 中 地 物 轮 廓, 体 现 目 标 偏 振 特 征 表 面 热 辐 射 偏 振 理 论 模 型. 物 体 的 红 外 辐 射 偏 振 度 辐 射 入 射 到 物 体 表 面 时, 物 体 的 吸 收 率 琢, 反 射 率 籽 与 透 射 率 子 关 系 为 : 籽 + 琢 + 子 = () 对 于 不 透 明 物 体 子 =0, 而 物 体 的 发 射 率 着 = 琢 着 0, 着 0 为 物 体 比 辐 射 率, 结 合 公 式 () 则 有 : 着 = 着 0(- 籽 ) () 假 设 物 体 是 理 想 光 滑 反 射 表 面, 表 面 可 看 成 是 由 微 小 面 元 组 成, 微 小 面 元 的 偏 振 度 P 根 据 玻 恩 - 沃 耳 夫 相 干 矩 阵 由 公 式 (3) 计 算 得 到 P= 籽 s- 籽 p - 籽 s- 籽 p (3) 式 中 : 籽 s 籽 p 分 别 为 电 磁 波 s 分 量 与 p 分 量 反 射 系 数, 物 体 红 外 辐 射 同 样 遵 守 菲 涅 耳 定 律 根 据 菲 涅 耳 定 律, 表 面 反 射 率 籽 的 定 义 如 公 式 (4) ) 籽 s= sin ( 兹 - 兹 ) sin ( 兹 + 兹 ) 籽 p= tan ( 兹 - 兹 ) tan ( 兹 + 兹 ) (4) 式 中 : 兹 以 及 兹 为 入 射 角 与 折 射 角 根 据 公 式 (3) (4) 与 菲 涅 耳 折 射 定 律 可 推 导 出 偏 振 度 公 式 (5) P= 籽 p- 籽 s - 籽 p- 籽 s = (n-/n) sin 兹 n +n cos 兹 +cos 兹 -sin 兹 /n +4cos 兹 姨 n -sin 兹 (5) 式 中 :n 为 物 体 折 射 率 ; 兹 为 辐 射 出 射 角 由 公 式 (5) 可 知 物 体 偏 振 度 与 材 料 折 射 率 成 像 辐 射 角 有 关. 介 质 与 金 属 偏 振 度 分 析 根 据 公 式 (5) 分 析 理 想 光 滑 表 面 偏 振 度 与 辐 射 出 射 角 的 关 系 金 属 折 射 率 为 复 数, 表 示 为 :n 軌 =n- 字 i,n 表 示 折 射 率, 字 表 示 吸 收 系 数 ; 介 质 折 射 率 为 实 数 分 别 画 出 金 属 与 介 质 偏 振 度 和 出 射 辐 射 角 的 关 系 如 图 ( 取 铁 折 射 率 n=.78, 吸 收 系 数 字 =3.03, 介 质 折 射 率 n=.5) 所 示 图 出 射 辐 射 角 与 偏 振 度 关 系 曲 线 Fig. Curve between emission angle and partial polarization 图 表 明, 理 想 的 金 属 与 介 质 面 元 辐 射 出 射 角 越 大 相 应 的 红 外 偏 振 度 越 大, 考 虑 到 粗 糙 表 面 的 影 响, 根 据 参 考 文 献 [7] 中 关 于 金 属 粗 糙 表 面 偏 振 度 的 分 析, 粗 糙 表 面 不 影 响 出 射 角 与 偏 振 度 的 变 化 趋 势 辐 射 出 射 角 即 是 探 测 器 与 面 元 法 线 的 夹 角, 图 曲 线 趋 势 说 明 了 红 外 成 像 中 物 体 边 缘 对 应 的 偏 振 度 较 大, 反 应 在 偏 振 度 图 像 中, 物 体 边 缘 得 以 凸 显, 增 强 了 物 体 的 轮 廓 特 征 ; 此 外, 介 质 与 金 属 偏 振 度 的 差 异, 对 于 在 热 红 外 图 像 中 亮 度 表 现 相 当 的 金 属 与
第 期 介 质 通 过 偏 振 成 像 后 得 以 对 比 度 的 增 强 融 合 偏 振 度 图 与 原 红 外 光 强 图 能 够 达 到 很 好 的 图 像 增 强 效 果 Stokes 图 像 获 取 物 体 的 偏 振 信 息 可 以 用 Stokes 图 像 来 描 述, 入 射 光 通 过 起 偏 器 或 相 位 延 迟 器, 通 过 周 期 性 的 改 变 起 偏 角 或 相 位 延 迟 角, 得 到 一 组 出 射 光 强 度 值, 对 这 些 强 度 值 做 傅 里 叶 分 析 得 到 4 个 Stokes 参 数 图 像, 分 别 表 示 辐 射 总 强 度 S 0, 不 同 坐 标 下 分 解 入 射 辐 射 获 得 的 线 偏 振 分 量 S S, 辐 射 的 圆 偏 振 分 量 S 3 绝 大 多 数 的 圆 偏 振 分 量 在 仪 器 检 测 范 围 内 可 以 忽 略 [8] 取 S 3 =0 旋 转 起 偏 器, 起 偏 角 兹 与 Stokes 参 量 之 间 存 在 公 式 (5) 所 示 的 关 系 [9],I 兹 表 示 获 得 的 光 强 图 像,S 0 S S 表 示 Stokes 的 三 个 分 量 I 兹 =S 0 +S cos( 兹 )+S sin( 兹 ) (5) 根 据 公 式 (5), 至 少 需 要 三 个 起 偏 角 对 应 的 光 强 值 即 可 算 出 S 0 S S, 通 常 取 30 60 0, 或 者 0 45 90 45 文 中 采 用 多 角 度 测 量 计 算 偏 振 图 像, 采 用 多 角 度 测 量 计 算 Stokes 参 量 可 以 减 小 测 量 误 差 和 图 像 噪 声 对 偏 振 度 图 与 偏 振 相 角 图 的 影 响 旋 转 红 外 偏 振 片 在 360 内 采 集 n 幅 图 像, 根 据 公 式 (6)~(8) 计 算 偏 振 参 数 图 像 S 0 = n n 移 I 兹 i (6) i = 周 强 等 : 基 于 偏 振 成 像 的 红 外 图 像 增 强 4 像 多 尺 度 分 析, 能 够 充 分 的 表 达 图 像 的 细 节 信 息, 剪 切 波 变 换 正 逐 步 应 用 于 图 像 去 噪 与 边 缘 检 测 剪 切 波 的 尺 度 分 解 与 轮 廓 波 相 似, 都 是 基 于 方 向 滤 波 器 的 拉 普 拉 斯 金 字 塔 分 解 剪 切 波 的 方 向 滤 波 器 由 剪 切 矩 阵 产 生, 在 方 向 上 的 分 解 没 有 数 量 限 制, 因 此 方 向 解 析 力 优 于 轮 廓 波 [] 剪 切 波 分 解 流 程 如 图 所 示 图 剪 切 波 分 解 流 程 Fig. Diagram of image Shearlets decomposition 剪 切 波 能 够 充 分 表 征 物 体 边 缘 特 征, 是 由 于 其 支 撑 基 具 有 一 定 斜 率 并 且 成 梯 形 分 布, 根 据 剪 切 波 理 论 [0], 如 图 3(a) 所 示, 假 设 剪 切 波 分 解 尺 度 为 j, 方 向 因 数 为 L, 则 每 一 个 剪 切 波 系 数 位 在 大 小 为 j j, 斜 率 为 -j L 的 梯 形 对 上 剪 切 波 支 撑 基 的 大 小 与 方 向 都 与 尺 度 j 有 关, 当 j 变 大, 支 撑 基 面 积 变 大, 斜 率 随 之 改 变, 使 得 剪 切 波 具 有 各 向 异 性, 有 效 感 知 曲 线 方 向, 较 好 的 表 示 图 像 边 缘 特 征, 如 图 3(b) 所 示 红 外 偏 振 图 像 轮 廓 特 征 明 显, 则 运 用 剪 切 波 能 够 充 分 的 解 析 出 偏 振 信 息 S = n n 移 I 兹 i cos( 兹 i) (7) i = S = n n 移 I 兹 i sin( 兹 i) (8) i = 若 采 集 角 度 间 隔 相 等, 则 有 : 兹 i= 仔 i/n 偏 振 度 描 述 为 P, 偏 振 相 角 描 述 为 琢, 可 用 公 式 (9) (0) 计 算 得 到 P= 姨 S +S S 0 (9) 琢 = arctan S S (0) 3 基 于 剪 切 波 的 偏 振 图 像 融 合 算 法 3. 剪 切 波 剪 切 波 (Shearlets) 是 005 年 提 出 的 一 种 多 分 辨 率 小 波 [0], 以 其 有 更 全 面 的 尺 度 和 方 向 性 应 用 于 图 图 3 剪 切 波 支 撑 基 Fig.3 Support basis for Shearlets 3. 融 合 规 则 运 用 剪 切 波 变 换 分 别 将 光 强 图 像 与 偏 振 图 像 分 解 在 不 同 尺 度 与 方 向 上 的 高 频 系 数 和 近 似 低 频 系 数, 这 里 尺 度 j 取 3, 每 一 尺 度 分 解 方 向 均 为 6 对 分 解 后 的 高 低 频 系 数 运 用 一 定 的 融 合 规 则 生 成 新 的 融 合 系 数, 最 后 经 过 剪 切 波 逆 变 换 得 到 融 合 图 像 融 合 规 则 采 用 区 域 特 征 匹 配 法, 选 取 红 外 图 像 中 显 著 区 域 与 偏 振 图 像 中 轮 廓 偏 振 目 标 特 征, 使 得
4 融 合 后 的 图 像 比 原 红 外 光 强 图 具 有 更 多 的 细 节 信 息 基 于 剪 切 波 的 融 合 框 架 如 图 4 所 示 图 4 基 于 剪 切 波 的 融 合 框 架 Fig.4 Framework for Shearlets based fusion 3.. 低 频 融 合 规 则 剪 切 波 分 解 得 到 的 低 频 图 像 为 图 像 的 近 似 描 述, M A,B (m,n)= 驻 m, 驻 n 奂 Q 式 中 :M A,B (m,n) 为 两 图 像 以 m,n 为 中 心 的 Q 区 域 内 相 似 度, 其 值 在 0~ 之 间,W A 与 W B 表 示 图 像 A 与 B 的 区 域 低 频 系 数 定 义 T low 为 低 频 融 合 相 似 性 判 断 F L (m,n)= 式 中 : 权 值 c A c B 的 计 算 如 公 式 (4) w c A (m,n)= c B (m,n)= w E A (m,n) E A (m,n)+e B (m,n) E B (m,n) E A (m,n)+e B (m,n) 红 外 与 激 光 工 程 第 43 卷 红 外 光 强 图 像 中 表 现 为 除 去 细 节 的 区 域 灰 度 图 像, 红 外 偏 振 图 像 表 现 为 强 偏 振 物 体 特 征 的 区 域 灰 度, 各 自 的 目 标 区 域 的 特 征 通 过 区 域 能 量 的 大 小 判 断 [] 局 部 区 域 能 量 的 度 量 用 公 式 () 表 示,E(m,n) 表 示 以 m,n 为 中 心 的 区 域 Q 内 的 平 均 能 量, 区 域 Q 大 小 为 Q Q 根 据 具 体 情 况 可 选 择 3 3,5 5 或 7 7 W 表 示 低 频 剪 切 波 系 数 E(m,n)= W(m+ 驻 m,n+ 驻 n) 驻 m, 驻 n 奂 Q Q Q () 由 于 红 外 图 像 与 处 理 后 偏 振 图 像 局 部 区 域 会 存 在 较 大 的 变 化, 引 入 区 域 能 量 相 似 度 来 度 量 区 域 能 量 的 差 异, 具 体 表 示 为 公 式 (): W A (m+ 驻 m,n+ 驻 n) W B (m+ 驻 m,n+ 驻 n) 驻 m, 驻 n 奂 Q W A (m+ 驻 m,n+ 驻 n) + 驻 m, 驻 n 奂 Q W A (m,n),m A,B (m,n)<t low 且 E A >E B W B (m,n),m A,B (m,n)<t low 且 E B >E A W B (m+ 驻 m,n+ 驻 n) () 的 阈 值, 若 M A,B (m,n)<t low, 则 表 示 两 图 像 区 域 不 相 似, 低 频 系 数 选 取 区 域 能 量 大 者 反 之, 取 两 图 像 系 数 的 加 权 平 均 具 体 表 示 如 公 式 (3): c A (m,n) W A (m,n)+c B (m,n) W B (m,n),m A,B (m,n) T low (4) 待 融 合 两 图 像 中 低 频 差 异 较 大, 一 方 面 为 了 突 出 偏 振 图 中 的 偏 振 信 息, 另 一 方 面 保 留 光 强 图 像 中 亮 度 信 息, 通 过 实 验 测 定 阈 值 T low 取 值 在 0~0.5 3.. 高 频 融 合 规 则 剪 切 波 高 频 系 数 表 示 图 像 不 同 方 向 与 尺 度 的 细 (3) 节 信 息, 融 合 图 像 细 节 信 息 的 度 量 用 区 域 加 权 方 差 表 示, 对 于 尺 度 j, 方 向 k 以 m,n 为 中 心 的 区 域 加 权 方 差 表 示 如 公 式 (5) D j,k (m,n)= h(q) W jk (m,n)-u jk (m,n) (5) q 奂 Q 式 中 :h(q) 表 示 高 斯 权 系 数 矩 阵 ;u jk (m,n) 为 区 域 系 数 平 均 值 高 频 区 域 相 似 度 的 描 述 与 低 频 类 似, 相 似 度 M A,B j,k (m,n) 写 成 公 式 (6) h(q) W A M A,B (m,n)= jk (m,n)-ua jk (m,n) WB jk (m,n)-ub (m,n) jk q 奂 Q j,k (6) h(q) W A jk (m,n)-ua jk (m,n) + h(q) W B jk (m,n)-ub jk (m,n) q 奂 Q q 奂 Q 定 义 T high 为 高 频 融 合 相 似 性 判 断 的 阈 值, 通 过 实 验 测 定 T high 取, 作 为 相 似 区 域 判 定 值 高 频 融 合 F H,j,k (m,n)= w W A (m,n),m A,B (m,n)<t j,k high 且 D A j,k >DB j,k W B (m,n),m A,B (m,n)<t j,k high 且 D B j,k >DA j,k 系 数 计 算 如 公 式 (7): c A (m,n) W A (m,n)+c B (m,n) W B (m,n),m A,B (m,n) T high j,k (7)
第期 周 强等 基 于 偏 振 成 像 的 红 外 图 像 增 强 43 式中 权值 c c 由公式 (8) 给出 A ) " $ 4 B ca(m n)= DA(m n) DA(m n)+db(m n) cb(m n)= DB(m n) DA(m n)+db(m n) (8) 实验 实验装置原理如图 5 所示 实验采用制冷型中 波 (MWIR) 红外相机与非制冷型长波 (LWIR) 红外相 机分别做两组实验 中波相机工作波段为 3~5 滋m 长波为 8~4 滋m 在相机镜头前加装红外偏振片获 取偏振图像 偏振片采用 BaF 金属线栅偏振片 由 于加装偏振片后的制冷型中波红外相机出现 冷反 射 现象 调整偏振片光轴 使其与红外相机光轴成 夹角 旋转偏振片 360 内每隔 30 采集一幅图 像 共采集 幅不同角度的偏振图像 [3] (b) 实验装置结构图 (b) Setup of the experiment 图 5 实验原理图 Fig.5 Experimental schematic diagram 由于偏振度公式 (9) 与偏振角公式 (0) 都有除法 运算 图像中噪声经过除法运算会被放大 必须进行 去噪处理 实验利用参考文献 [4] 中方法对 幅序 列图像去噪处理 去噪处理前后的序列图像运用公 式 (6)~(0) 计算得到 S S S 以及偏振度 P 与偏振 角 图像 如图 6 所示 其中 (a)~(a5) 分别为利用原 始图 ( 未去噪 ) 计算得到的 S S S P 与 琢 图像 (b)~ (b5) 为使用去噪图计算得到的 S S S P 与 琢 图像 根据图 6 从去噪前后的原始图计算所得偏振 图像来看 噪声对偏振图像的影响很大 偏振图像的 计算中由于噪声被明显放大 导致偏振图像信噪比 减小 目标信息不够明显 为了研究序列图像不同噪 声水平对计算后得到的偏振图像的影响 对序列图 0 0 0 (a) 实验光路图 (a) Diagram of the light path (a) 利用未去噪图计算得到偏振各图像 (a) Calculated polarization images using original image (b) 使用去噪图计算得到偏振各图像 (b) Calculated polarization images using denoised image 图 6 长波红外偏振图像 Fig.6 LWIR polarization images
红外与激光工程 44 像加上不同方差水平的高斯噪声 计算后的各偏振图 像信噪比如表 所示 图像信噪比 SNR=0lg(S /N ) N 表示噪声图像求和结果 S 表示未加噪声的图像求 和结果 表 不同噪声对偏振图像的影响 Tab. Effect of polarization images with different noise levels Noise variance S0 SNR S SNR S SNR P SNR 琢 SNR 0.000 0 48.67 9.80.35 4.35 9.83 0.000 4.8.76 4.97 4.76 5. 0.00 33.0 -.99 -.36-6.49 3.74 (a) 红外光强图像 (a) Infrared image (d) (b) 与 琢 图像 噪声使图像质量明显下降 当噪声加大到 0.00 时 噪声信号大于图像信号 结果表明 在获取 的序列图像中 即使微小的噪声水平也会对偏振图 像产生较大的影响 因此 在偏振成像中对序列图像 的去噪处理是非常必要的 运用参考文献 [4] 所述 的去噪方法能够有效去除噪声 且对有用的图像信 息损失较小 图 6 中 由于远处的汽车分解在水平方向偏振 度大于垂直方向 而房顶分解在垂直方向的偏振度 大于水平方向 因此图 6(b) 中汽车景物比较明显 而图 6(b3) 中房顶特征明显 通过 S 与 S 图像计算 得到的偏振度图像 (b4) 中汽车与房顶特征都比较明 显 结合 3 节所述融合方法 运用剪切波变换及基于 区域相似性的融合规则对图 6(b) 与 (b4) 融合 融合 后的图像效果如图 7 所示 从表 中可得 噪声方差为 0.000 0 的水平下 计算得到的偏振图像信噪比较低 特别是 S S P 第 43 卷 偏振度图像 (c) (e) (d) Enlarged image of big鄄frame area 融合效果 (c) Fusion image (b) Polarization degree image 大框区域放大图 小框区域放大图 (e) Enlarged image of small鄄frame area 图 7 长波红外图像融合效果 Fig.7 LWIR fusion images 图 7(d) 中偏振度图像中灰度值较大的屋顶表现 出强偏振特性 而在光强图像中并不明显 图 7(e) 所 示 比较光强图像 偏振图像中出现了车体目标 通 过偏振成像手段 能够识别出具有强偏振特性的目 标 另一方面 光强图像中道路 房屋等场景由于热 辐射较强而亮度较高 但由于不具有偏振特征 在偏 振图像中无法分辨 融合后的图像偏振目标明显 同 时也保留了红外光强图像中路面 屋顶等信息 图像 细节丰富 主观上图像对比度大 道路房屋特征明 显 人眼视觉效果好于原图像 客观评价融合前后两图像 选择图像信息熵 边 缘强度与图像清晰度来评价 信息熵通过计算图像 灰度概率分布情况衡量图像包含的信息量 其值越 大说明信息量越大 边缘强度衡量图像边缘锐利程
第期 周 强等 基 于 偏 振 成 像 的 红 外 图 像 增 强 度 值越大说明边缘越锐利 清晰度是图像邻域方差 的度量 反应图像纹理清晰程度 其值越大说明图像 越清晰 计算图 7 中原图与融合后的增强图的各项 评价参数 结果如表, 从表中可知 融合后的图像信 息量 边缘细节与清晰度都优于原图像 表 长波实验原图与增强图像客观评价 45 表 3 中波实验原图与增强图像客观评价 Tab.3 Evaluation of enhanced image and source image in MWIR experiment Original image 6.437 6 5.7 3.47 5 Enhanced image 6.94 5 9.365 5 4.4 9 Tab. Evaluation of enhanced image and original image in LWIR experiment Original image 6.94 9 3.046 8.46 4 Enhanced image 6.509 4 38.0 3 5.457 3 讨论 5 方法比较 文中通过偏振成像的方法增强红外光强图像 在红外图像中突出红外目标与偏振目标 而以往增 强方法 增强后图像无法体现具有偏振特性的目标 特性 为比较参考文献 [] 所述方法与文中方法 同 样引入信息熵 边缘强度与清晰度等评价指标 采 用图 7(a) 与图 8(a) 等红外图像作为实验对象 其增 强结果的评价值如表 4 5 所示 表 4 长波红外图像增强效果对比 5. 图 8 所示为制冷型中波红外相机实验结果 拍 摄背景为反光的金属铝板 铝板前放置一手机 原图 像中背景反光区域与手机整体表现为高亮度 而在 偏振度图像中手机轮廓突出 融合后的图像增强了 原图像景物的边缘轮廓信息 使得图像中的手机结 构层次分明 对比度强 视觉效果更好 列出原图像 与融合后的图像评价参数如表 3 Tab.4 Comparison of LWIR enhancement results Original image 6.94 9 3.046 8.46 4 Reference method 6.50 8 0.87.945 5 Reference method 6.509 4 38.0 3 5.457 3 表 5 中波红外图像增强效果对比 Tab.5 Comparison of MWIR enhancement results (a) 红外光强图像 (b) (a) Infrared image 偏振度图像 Original image 6.437 6 5.7 3.47 5 Reference method 6.34 9 8.083 5.707 Reference method 6.94 5 9.365 5 4.4 9 (b) Polarization degree image (c) 融合效果 (c) Fused image 图 8 中波红外图像融合效果 Fig.8 MWIR fusion images 表 4 与表 5 说明 经过参考文献 [] 增强后的图 像信息熵比原图像减小 而文中方法处理后图像信 息熵增加 说明文中方法提升了图像信息熵 表现更 为优秀 经过文中方法处理后图像边缘强度与清晰 度比原图像提高一倍 提高幅度大于参考文献 [] 也证明文中方法增强效果更佳
46 5. 阈 值 的 选 择 根 据 第 3 节 所 述, 融 合 规 则 中 相 似 度 阈 值 的 取 值 不 同, 红 外 增 强 图 像 的 效 果 也 会 不 同 根 据 融 合 规 则, 在 高 频 与 低 频 中, 阈 值 越 大, 融 合 图 像 更 能 表 现 出 单 一 图 像 特 征 ; 阈 值 越 小, 则 融 合 结 果 大 多 来 自 两 图 像 的 加 权 讨 论 高 频 阈 值 T high 与 低 频 阈 值 T low 对 增 强 效 果 的 影 响, 首 先 研 究 T low 的 取 值 表 6 列 出 图 7(c) 在 不 同 T low 下 的 图 像 评 价 指 标,T high 设 为 0.5 表 6 不 同 低 频 系 数 阈 值 下 的 融 合 比 较 Tab.6 Comparision of fusion images using different T low T low 0. 6.489 4 0. 6.494 37.064 4 37.065 0 5.456 4 5.456 0 0.3 6.50 5 37.057 5.455 9 0.4 6.54 3 37.066 5 5.453 0.5 6.49 5 37.036 4 5.30 9 0.6 6.50 9 36.05 6 5.93 3 0.7 6.495 9 36.06 5.93 4 0.8 6.479 6 36.83 5 5.35 6 0.9 6.433 5 36.7 9 5.33 6 根 据 表 6, T low <0.5 时 信 息 熵 值 与 T low >0.5 时 相 当, 信 息 熵 在 T low 取 0.4 时 最 大 ; 边 缘 强 度 与 清 晰 度 在 T low <0.5 时 均 比 T low >=0.5 时 大 因 此,T low 取 值 在 0~0.5 区 间 时, 偏 振 融 合 图 像 整 体 评 价 效 果 较 好 同 样, 将 T low 设 为 0.4, 列 出 不 同 高 频 阈 值 T high 下, 增 强 图 像 的 评 价 指 标 见 表 7 表 7 不 同 高 频 系 数 阈 值 下 融 合 比 较 Tab.7 Comparision of fusion images using different 红 外 与 激 光 工 程 第 43 卷 表 7 说 明, 信 息 熵 随 着 T high 的 增 大 而 略 有 减 小, 但 边 缘 强 度 与 清 晰 度 在 T high >0.5 时 均 大 于 T high <0.5 因 此,T high 取 值 在 0.5~ 区 间 时, 偏 振 融 合 图 像 整 体 评 价 效 果 较 好 按 照 以 上 阈 值 选 择 方 式, 对 不 同 红 外 图 像 的 增 强 效 果 进 行 测 试 比 较, 结 果 表 明 :T low 取 值 在 0~0.5, T high 取 值 在 0.5~ 时 图 像 增 强 效 果 较 好 在 实 际 应 用 中, 建 议 T low 取 值 为 0.4,T high 取 值 为 0.8 6 结 论 与 分 析 文 中 针 对 红 外 图 像 增 强, 提 出 基 于 偏 振 成 像 融 合 的 方 法 实 验 说 明, 偏 振 成 像 有 助 于 目 标 探 测 识 别, 特 别 是 具 有 偏 振 特 性 的 人 造 目 标, 比 如 汽 车, 房 顶 等, 但 不 具 有 偏 振 特 性 的 目 标 则 不 会 出 现 在 偏 振 图 像 中, 而 往 往 出 现 在 光 强 图 像 里 文 中 所 述 的 融 合 算 法 能 够 获 取 目 标 区 域, 增 强 后 的 图 像 很 好 地 体 现 目 标 特 征 实 验 的 关 键 在 于 获 取 精 确 高 信 噪 比 的 偏 振 图 像, 在 实 验 中 由 于 需 要 旋 转 偏 振 片, 带 来 图 像 位 移 误 差 会 对 偏 振 图 像 产 生 很 大 影 响, 图 7 中 偏 振 图 像 由 于 微 小 的 位 移 有 一 定 的 误 差, 进 一 步 的 工 作 在 于 图 像 配 准 或 是 研 究 平 移 不 变 的 偏 振 图 像 计 算 方 法, 此 外 改 进 偏 振 度 偏 振 角 的 获 取 方 法, 避 免 图 像 的 除 法 运 算 是 提 高 信 噪 比 的 关 键 实 验 结 果 表 明 : 剪 切 波 的 多 分 辨 分 解 能 够 充 分 解 析 图 像 中 边 缘 信 息, 融 合 图 像 中 边 缘 轮 廓 清 晰, 基 于 区 域 特 征 匹 配 的 融 合 规 则, 保 留 了 红 外 光 强 图 像 低 频 特 性 与 偏 振 图 像 中 的 偏 振 特 性, 效 果 明 显, 达 到 了 红 外 图 像 增 强 的 目 的 参 考 文 献 : T high T high 0. 6.5 0 36.703 4 5.47 6 0. 6.50 5 36.767 5 5.48 5 0.3 6.58 5 36.866 7 5.440 5 0.4 6.56 36.958 7 5.447 0.5 6.54 3 37.066 5 5.453 0.6 6.5 0 37.569 7 5.457 0 0.7 6.5 3 37.98 5.46 5 0.8 6.509 4 38.0 3 5.457 3 0.9 6.509 8 38.03 5.466 3 [] Tang Liangrui, Zhang Yue, Li Shourong. A restraining crosstalk method of infrared image based on fuzzy theory[j]. Infrared Technology, 006, 8(5): 83-86. (in Chinese) 唐 良 瑞, 张 悦, 李 守 荣. 基 于 模 糊 理 论 的 红 外 图 像 像 元 串 音 抑 制 算 法 [J]. 红 外 技 术, 006, 8(5): 83-86. [] Song Yanfeng, Shao Xiaopeng, Xu Jun. New enhancement algorithm for infrared image based on double plateaus histogram[j]. Infrared and Laser Engineering, 008, 37(): 308-3. (in Chinese) 宋 岩 峰, 邵 晓 鹏, 徐 军. 基 于 双 平 台 直 方 图 的 红 外 图 像 增 强 算 法 [J]. 红 外 与 激 光 工 程, 008, 37(): 308-3.
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