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ABSTRACT
Recently,thethermalimagingtechnologyhavebeendevelopedrapidlyandwidelyused．Andvariousthermalimagingdevicesaledeveloped．Meanwhile，thequalityofthermalimagingisn6tverysatisfactorybecauseoftheinfluenceofinfrareddetectorsandworkingenvironment,thoughthethermalimagequalityiSimproving．Accordingtoimagingdevices。
andtherequiredindicators，therelativeprocessingisneeded．
OutputimagemeasuredbytheinfiaredimangsystemSC3000andimageprocessingalgorithmsalestudiedinthispaper．thestructureandworkingprincipleoftheinfraredimagingsystemisstudiedinthispaper．AndanumberofinfraredimageswemeasuredbythethermalinfraredimagerSC3000．Thenthecbaracteristicsoftheinfiaredimagealeacquiredanalyzingtheinfi'
aredmechanismandmeasuredinfraredimages．
Infraredimageprocessingisstudiedbyapplyingcorrespondinginfraredimageenhancementalgorithm,accordingtothecharacteristicsofinfraredimage．Andtheeffectsofenhancedcontrast,restrainednoiseandimprovedfringealeacquired．
Ahybridalgorithmisderivedfromdifferentalgorithmsbased011theireffects．Thisalgorithmcombinesthebenefitsofseveralalgorithmsandfurtherenhancedtheimageofthevisualeffects．
Keywords：
InfraredDetector,ImageEnhancement,InfraredImageProcess，Mix-Algorithm
目录
第一章绪论6
1．1课题的研究背景和意义6
1．2国内外研究现状8
1．2．1红外成像系统的发展8
1．2．2红外图像信号处理的国内外研究现状9
1．3本论文研究的主要内容10
第二章红外图像信号采集11
2．1红外热成像原理11
2．2红外热像仪的构成及工作原理13
2．2．1红外热像仪的构成13
2．2．2红外热像仪的工作原理15
2．2．3红外测温原理15
2．2．4红外探测器16
2．3红外图像的获取16
2．4红外图像及其直方图的特点20
2．4．1红外图像直方图的特点20
2．4．2红外图像的特点21
2．5本章小结22
第三章红外图像增强算法22
3．1图像增强23
3．1．1空间域图像增强23
3．1．2频域图像增强24
3．2直接灰度变换25
3．3直方图均衡化27
3．4Laplacian算子锐化算法29
3．5中值滤波算法31
3．6幂次变换算法32
3．7本章小结34
第四章改进的红外图像增强处理算法35
4．1混合图像增强算法35
4．1．1混合算法的处理结果35
总结39
致谢40
参考文献41
第一章绪论
随着红外技术日新月异的发展，红外技术在军事及人们日常生活中有着越来越广泛的应用。
但由于红外探照灯及红外探测器件的限制，红外成像系统的成像效果仍然不够理想。
在民用监测应用中，主要表现为夜视距离近，图像背景与被监测目标之间对比度模糊，被监测目标细节难以辨认，图像特征信息不明确等方面。
为使图像更适于人眼观测、适用于图像后续目标识别及跟踪处理，有必要在红外图像采集和处理上做进一步的研究，来增强红外图像视觉效果。
1．1课题的研究背景和意义
自然界中的任何物体都存在红外辐射，同时也吸收外界其它的红外辐射。
由于大气中的二氧化碳和水蒸汽等物质的吸收和散射作用，只有部分波段上的红外辐射能透过大气。
红外光是指波长在0．76～14岬之间的光线，图1．1中给出了红外辐射在大气中的透射率。
从图中可以看出：
对红外辐射来说，主要存在三个大气窗口，即0．76～3um，3～5um和8～14um。
图1．1红外波长分布图
红外图像感受和反映的是目标与背景自身的红外辐射能量的差异，而可见光图像感受和反映的是目标及背景反射来自太阳或其它物体光线强弱的差异。
这两者都与构成目标及背景的材料、颜色及表面光亮度有关。
由于红外图像和可见光图像的成像机理存在着上述本质上的差异，所以它们具有各自的特点。
工作在可见光条件下的早期成像设备，利用物体的不同部分对可见光不同的反射率成像，会有较高的对比度和分辨率，但易受强光和烟雾干扰，不能在夜间工作，不适应全天候工作的需求。
而红外成像技术是利用景物对红外光的辐射差成像，将红外辐射转换为可见光图像，利用场景内物体本身各部分辐射的差异获取物体图像的细节，所以红外图像的获取可不依赖于外部光线。
在红外波段3～5um和8～14um这两个大气窗口，红外图像长距离传输时衰减较小，与可见光条件下的成像技术相比，红外成像系统具有一定的穿透烟、雾、雪以及识别伪装的能力，可实现远距离、全天候观察。
总结红外技术有四大优点：
①环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣气候下的工作能力；
②隐蔽性好，很多情况下都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全、保密性强且不易被干扰；
⑨由于依靠目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；
④与雷达系统相比，红外系统的体积小、重量轻、功耗低，特别适用于“发射后不管”的精确制导武器⋯。
它日益引起了国家、科研机构、各大公司及科研工作者的重视。
开展红外图像信号的采集及处理的研究工作，是将目前先进的计算机及图像处理理论研究应用于军事及民用图像处理的场合，兼顾了先进的理论发展与实际应用的需要。
红外图像处理方法和方案的选择依赖处理目的和红外图像本身的特点。
而红外图像本身的特点在很大程度上取决于图像的获取过程和获取设备的性能。
因而要根据所采用的图像采集系统来确定可行的处理方法。
由于红外探照灯以及红外探测器件的限制，在实际应用中，红外成像系统的成像效果均不够理想。
本文采用被动式红外成像系统，即红外熟像仪，采集红外图像，并对其输出图像做增强处理。
处理后，改善了图像整体质量，使得图像更适于人眼的观察和后续目标处理的需要。
1．2国内外研究现状
1．2．1红外成像系统的发展
1800年，英国物理学家威廉·
赫谢尔发现了红外线i从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。
在第二次世界大战中，德国人用红外变像管作为光电转换器件，研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础“。
。
二次世界大战后，首先由美国德克萨斯仪器公司经过近一年的探索，开发研制的第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外前视系统（FLIR），它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射进行扫描。
由光子探测器接收二维红外辐射图像，经光电转换及一系列仪器处理，形成视频图像信号。
这种系统原始的形式是一种非实时的自动温度分布记录仪，后来随着五十年代锑化铟和锗掺汞光子探测器的发展，才开始出现高速扫描及实时显示热图像系统。
六十年代早期，瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像装置，它是在红外前视系统的基础上增加了测温功能，称之为红外热像仪”开始由于保密的原因，在发达的国家中也仅限于军用，投天应用的热成像装置可以在黑夜或浓厚的烟、云、雾中探测。
对方的目标，探测伪装的目标和高速运动的目标。
由于国家经费的支持，投入的研制开发费用很大，仪器的成本也很高。
以后考虑到在工业生产发展中的实用性，结合工业红外探测的特点，通过减小扫描速度来提高图像分辨率等措施来压缩仪器造价，降低生产成本。
成本的降低，使其逐渐发展到民用领域。
六十年代中期，AGA公司研制出第一套工业用的实时成像系统，该系统由液氮致冷，110V电源供电，重约35公斤，因此，便携性能差，经过对仪器的几代改进，1986年研制的红外热成像系统已无需液氮或高压气，而以热电方式致冷，可用电池供电。
1988年推出的全功能热像仪，将温度的测量、修改、分析、图像采集及数据存储集于一体，重量小于7公斤，仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。
九十年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用技术转民用并商品化的新一代红外热像仪属焦平面阵列式结构的一种凝视式成像装置⋯，技术功能更加先进，现场钡温时只需对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC卡上，即完成全部操作。
各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告，由于技术的改进和结构的改变，取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于二公斤，使用中如同手持摄像机一样”单手即可方便地操作。
而国内对红外成像技术的研究起步于七十年代。
到八十年代初，中国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定的进展。
到了八十年代末和九十年代初，中国已经研制成功了实时红外成像样机，其灵敏度、温度分辨率都达到较高的水平，进入九十年代，中国在红外成像设备上使用低噪音、宽频带前置放大器，微型致冷器等的关键技术方面有了很大进步，并且从实验走向应用，主要用于部队，例如便携式野战热像仪，用来反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等⋯。
中国在红外热成像技术方面，已经投入了大量人力物力，形成了相当规模的研发力量，但是总的来讲，与世界先进水平差距很大，与西方相比，约差10年左右。
目前国外已经开始在部队装备第二代红外热成像仪，并开始了第三代的研发工作，而中国现在才推广第一代红外热成像仪和进行第二代的预研工作。
在国际上，美国、法国、以色列是这方面的先行者，其它国家包括俄罗斯均处下游水平。
近10年来，中国在红外成像技术方面有加速发展突飞猛进之势，与欧美的差距已逐渐缩短，某些研制中的武器装备与西方同步。
如今，红外热成像系统已经在国防、电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用，在世界经济的发展中正发挥着举足轻重的作用。
1．2．2红外图像信号处理的国内外研究现状
目前，红外热成像系统突出的性能优点远没有得到充分发挥。
因此，国际上在开展红外热成像系统性能研究的同时，也在极力进行图像处理技术的研究。
红外图像信号的增强处理借鉴可见光图像的处理方法。
红外图像增强的基本处理方法分为空域增强和频域增强，仍以直方图均衡化、灰度变换等为基本图像处理方法。
在此之上，对算法加以改进，逐渐有图像峰、边界提取，形态学滤波等算法；
后又融入了遗传算法、退火算法等确定阈值先对图像进行分割，后对图像进行分段增强的算法；
小波增强，模糊集增强等算法也逐渐被应用。
近年来，人们更注重图像处理的实时化研究，要求算法简洁，易于硬件实现。
国外学者对于红外图像增强处理除了基本红外图像增强方法的改进以外，更注重于红外图像目标与背景的分割以及多种分割方法的结合，例如应用于汽车上的行人检测系统，它应用了红外图像目标与背景的水平分割以及竖直分割的相结合，得到了较为优异的红外图像增强处理视觉效果，国内对红外图像增强主要采用非线性灰度变换法和直方图均衡来提高图像对比度，或采用Sobel微分算子、Canny算法等对图像进行边缘增强，不同的算法对于不同情况下的红外图像处理有着截然不同的处理效果，自适应性不是很理想。
国内高校中，对于红外图像增强做的较好的是西安电子科技大学。
传统的图像增强算法如灰度变换、直方图均衡化等算法，概念简单，数学上处理方便、编程简便，所以在一些要求不高的场合已经取得了很好的图像增强效果，但是存在一些缺陷，对于图像中不同位置、具有相同灰度等级的像素经常会表现出不同的图像结构，在确定变换或转移函数时常是基于整个图像的统计量，则很有可能达不到预期的处理效果，此外对于全局直方图均衡还存在意想不到加强噪声效应。
基于此，近年来许多学者提出了层出不穷的图像增强的新方法，归纳起来，呈现出以下的特点和趋势：
①多种数学工具，诸如人工神经网络、小波理论、遗传算法、以及模糊理论、数学形态学等的加入，使得新的方法不断涌现。
人们将这些新型理论工具应用到图像增强中，确实起到了改善增强效果、扩展适用范围以及提高运算速度等作用。
②多特征的利用和多方法的融合。
为了使图像增强方法取得更好的效果，不能仅仅局限于单一特征的分析，而是综合利用整体信息和局部信息，融合多种方法的优势进行。
总之，在增强算法中，如何更加有效地利用像素周围的邻域信息、提高运算速度，还有如何较好解决增强边缘与抑制噪声这一对矛盾，以及如何利用人类的视觉特性来抑制噪声，提高图像的视觉效果将是研究的难点，有待进一步的探讨解决。
1．3本论文研究的主要内容
本论文的主要工作是用320X240制冷型焦平面红外热像仪采集红外图像，并对采集到的红外图像的增强处理算法做研究。
针对红外图像对比度低、视觉效果模糊、清晰度低、信噪比低等特点，分别从提高红外图像对比度、抑制红外图像噪声及增强红外图像边缘等多个角度研究红外图像的增强算法。
文中首先采用常用的图像增强算法如灰度变换算法、直方图均衡化等算法对红外图像进行处理，根据实验结果，分析对比各种算法的处理效果。
然后，提出混合增强算法，此算法融合几种算法，凸显了各算法的优点，使原图的整体质量明显提高。
全文主要分成红外图像采集和处理两大部分。
第一章对全文进行概述。
说明了本文的研究背景和意义以及红外成像系统和红外图像增强技术的国内外研究现状。
第二章讲述红外图像采集。
介绍了红外热像仪的构成及工作原理，总结了红外图像及其直方图的特点。
以上述内容作为理论依据，确定了本文处理红外图像的思路和方法。
第三章运用图像增强算法对红外图像进行处理，对比各种算法的处理效果，为下一章提出混合增强算法奠定了基础。
第四章第一部分提出了混合增强算法，并通过实验仿真验证其增强效果。
第二章红外图像信号采集
2．1红外热成像原理
在自然界中，温度高于绝对温度零度的物体，总是不断地发射辐射能。
因此，从原理上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过重新排列来自探测器的信号形成与景物辐射分布相对应的热图像。
一般情况下，辐射通量取决于物体的温度及其表面辐射率和反射率。
为了表征热景物的特性，采用了表面温度的概念，表面有效温度与产生等量的绝对黑体的温度相等。
我们用光谱吸收系数a（
表征物体接收入射辐射能的能力。
光谱吸收系数用波长范围（
）内物体吸收的能量与落在它上面总能量之比来表示：
（2.1）
在任意温度下能吸收任一波长的全部辐射的物体叫绝对黑体，绝对黑体的光谱吸收系数a（
=1。
绝对黑体的光谱辐射出射度用普朗克公式表示如下：
（2.2）
S一普朗克常数；
一光速；
一辐射波长（m）；
一玻尔兹曼常数。
在热成像中，式（2．2）的常用形式为：
（2.3）
式中：
;
一辐射波长似（m）。
通常，目标和背景不是绝对黑体，只能接收入射到它表面的辐射能量的一部分，其它被反射和透射。
物体的吸收率、透过率和反射率分别用吸收
，透过
，、反射
光谱系数来表征，并有如下关系：
（2.4）
热成像系统的主要任务是将观察平面内物体发出的红外辐射转换成可见光图像，显示在显示屏上，便于观测和识别。
利用热成像系统探测到的物体图像与人眼所观察到的图像是有较大差异的。
其原因是人跟所观察到的图像～般表示物体反射可见光以及对颜色的敏感能力。
例如光滑表面由于反射率高，就显得亮，而粗糙表面由于反射率低就显得暗，颜色不同的物体很容易区分。
而热成像系统所显示盼图像～般反映物体自身辐射的能力，如光滑表面的发射率较低，粗糙表面的发射率较高，因此同一温度物体的热像（正像），其光滑表面较暗，而粗糙表面显得较竞。
从这一点而言，热图像的负像更接近于可见光图像。
此外，在人眼识别过程中，～方面由于热像无暗影，给空间识别带来困难，但是在另一方面大多数目标和背景，反射率温度场和辐射率之间彼此无关，在显视系统中就形成不同的图像，而在热成像系统中，热图像通常与目标的外形和尺寸一致，可以通过其轮廓识别目标。
2．2红外热像仪的构成及工作原理
2．2．1红外热像仪的构成
红外热像仪是一种二维热图像成像装置。
热成像系统是一个光学一电子系统，可用于接收波长在0．75～100um之间的电磁辐射，它的基本功能是将接收到的红外辐射转换成电信号，再将电信号的大小用灰度等级的形式表示，最后在显示器上显示出来。
其组成框图如图2．1所示：
图2．1红外热像仪的组成框图
从上述组成框图可以看到，红外热像仪由以下几个部件组成：
红外光学系统、光机扫描器、红外探测器、信号处理器、制冷机、控制装置和图像信号输出装置。
（1）、红外光学系统：
重新改善光束的分布，使更有效地利用光能。
它可大大提高灵敏
面上的照度，经过光学系统的入射照度比入射到光学系统表面上的照度高若干倍，提高了仪器的信噪比，增大了系统的探测能力。
红外熟像仪的光学系统应满足如下要求：
①小的尺度这由整机尺寸要求所确定；
②具有尽可能大的相对孔径；
③有确定的视场角；
④在所选择的波段内有最小的辐射能损失；
⑤在物镜焦平面上像的尺寸最小，当目标移至视场边缘处无明显的畸变；
’⑥在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。
（2）、光机扫描器（焦平面热像仪无此机构）：
对目标景物的红外图像进行扫描，并聚集在单元或多元探测器上，它的作用是使探测器的瞬时视场沿整个视场进行扫描，通过扫描可以连续、完整地分解图像，从而能以小的瞬时视场实现大的空间区域的目标搜索和成像，这种扫描可以在像空间又可在物空间来实现。
（3）、红外探测器：
红外热像仪的核心部件，它既完成视场内图像的扫描取样，同时也通过光电效应将入射辐射转换为电信号。
探测器像元的数量，决定了热成像技术的发展水平，探测器像元数量的变化，决定了扫描系统、信号处理部分的变化。
（4）、制冷机：
为了保证红外探测器有效地工作，降低热噪声，延长工作波段，屏蔽背景噪声，降低前置放大器噪声。
它主要有两个方面的技术功能：
①保证探测器功能正常，或增加探测器的灵敏度；
②减少来自光学系统本身带来的热噪声。
由于探测器在红外热像仪中所占的空间很小，因此制冷器的体积也要较小。
力求微型化。
（5）、信号处理：
在红外热像仪中，探测器输出的电信号非常微弱，一般仅为微伏量级，它只有被充分放大和各种处理后才能记录下来，因此，信号放大与处理电路是红外热像仪的重要组成部分。
信号处理电路是从探测器接收到低电平信号，通过放大、限制带宽、分离信息，再送到终端的控制装置或图像信号输出装置。
通常，红外热像仪要采用隔直流（或交流耦合）电路，将探测器输出信号耦合到放大电路中。
这有三个方面的原因：
①抑制背景；
②可以消除探测器上的任何直流偏置电位：
③能把探测器的l／f噪声的干扰影响降至最小。
在设计电路时，必须估计信号电平和信号处理系统各级所需要的增益。
要使显示系统正常工作，一般探测器输出信号需放大的净增益约10。
倍。
有时也会遇到高电平信号的情况，这就要求信号处理系统能提供较大的动态范围，为此，需要采用自动增益控制技术。
（6）、图像输出装置：
红外图像信号经电子线路处理后，需送入图像输出装置进行显示。
一般用显示器提供可视信息，供观察人员观察，使整个系统与观察者联系起来。
热图像与物体表面的热分布场相对应，实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际应用中，为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措旌来增加系统的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实时校正，伪彩色处理等技术等。
2．2．2红外热像仪的工作原理
光学系统将景物发射的红外辐射收集起来，经过光谱滤波之后，将景物的辐射通量分布会聚成像到光学系统焦面上，即探测器光敏面上。
光机扫描器包括两个扫描镜组，一个做垂直扫描，一个做水平扫描，扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。
当扫描器工作时从景物到达探测器的光束随之移动，在物空问扫出像电视一样的光栅。
当扫描器以电视光栅形式将探测器扫过景物时，探测器逐点接受景物的辐射并转化成相应的电信号。
或者说，光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次把景物各部分的红外辐射转换成电信号，经过视频处理的信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的热图像。
2．2．3红外测温原理
红外测温系统是利用物体的辐射能量与温度有关的原理而组成测温系统。
将普朗克公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这就为红外热成像测温奠定了理论基础。
只要以黑体为标准，根据探测器输出电压矿与温度7的关系，测定样本点，建立矿与7的映射关系。
将电压值矿数字化后表示为d，则可以得到整个系统的温度标定查找表乃脚，测量温度时，以d为索引，找出相应的温度。
热成像技术可获取景物大视场的红外辐射图像，当红外热像仪对物体测试时，热像仪的瞬时视场将物体表面分解成一个个像元，然后由内部机构将代表各像元温度的辐射能量按一定规律会聚到探测器上，探测器输出电信号的幅度与输入辐射能量的大小成正比，信号经过处理，在显示器上显示出对应于物体表面温度分布的热像图，经过系统定标后可实现对景物场景的图像测温，这样就实现了红外热成像测温系统。
2．2．4红外探测器
红外探测器是红外技术发展最活跃的领域，是红外系统、热成像系统的核心组成部分。
由于红外辐射是不可见的，要觉察它的存在，测量
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