双波段红外图像融合算法研究

双波段红外图像融合算法研究 3 双波段红外图像融合算法研究 郭玮芳 ,潘玉田 ,张 雷 ()中北大学机电学院 ,太原 030051 摘 要 :为了对双波段图像达到比较好的融合效果 ,需要在目标辐射传输特性 、成像特性和图像特征等在 不同波段的异同基础上研究图像融合算法 ,利用互补信息和冗余信息来增强图像融合效果 。文中结合目标背 景辐射传输特性 ,提出了一种基于普朗克定律的双波段红外图像融合算法 ,实验证明文中算法能够得到比较 好的图像融合效果 。 关键词 :图像融合 ; 图像特征 ; 双波段图像 中图分类号 : TN215 文献标志码 : A The Research of Image Fusion Arithmetic of Double Bands and Inf rared GUO Weif a ng , PA N Yutia n , Z HA N G L ei ( )School of Mechat ro nic s Engineering , No rt h U niver sit y of China , Taiyua n 030051 ,China Abstract : To o btain a bet ter f usio n eff ect of do uble wave ba nd i mage , requires t he re sea rch of image f usio n a rit hmetic ba sed o n t he a nalysi s of t he similaritie s a nd diff erence s of t he t ar get radiatio n t ra nsmi ssio n f eat ure 、imaging t rait a nd im2 age characteri stic in diff erent wave ba nds. Then t he co mplementatio n info r matio n a nd t he redunda ncy info r matio n are used to enhance t he eff ect of t he image f usio n. Co mbined wit h t he t ransmi ssio n f eat ure of t ar get backgro und radiatio n , t hi s pap er brings fo rwar d t he image f usio n a rit hmetic of do uble ba nds a nd inf rared ba se o n Plank law . The te sting p ro ved t hat t hi s arit hmetic i s availa ble to achieve bat ter image f usio n eff ect . Key words :image f usio n ; image characteri stic ; do uble ba nd image 地反映出目标的整体特征 ,使目标更容易被识别 和探测 ,也使融合具有了针对性 。 0 引言 图像融合技术弥补了单一传感器的不足 ,具 有大幅提高系统的探测性能 、提高系统的自动化 1 图像融合原理程度 、降低系统的整体成本 、提高探测识别的客 图 1 描述了黑体随着温度的升高辐射出射 观性和正确性等优点 ,因此图像融合成为现在一 度的变化以及最高温度与最低温度之间不同波 个研究的热点 。为了对双波段图像达到比较好 段辐射出射度差的变化范围 。从图中可以看到 , 的融合效果 ,需要分析目标辐射特性 、辐射传输 随着温度的升高辐射的峰值波长向波长短的方 特性 、成像 特 性 和 图 像 特 征 等 在 不 同 波 段 的 异 向移动 ,中波段辐射出射度增加的速度大于长波 同 ,在此基础上研究图像融合算法 ,利用互补信 段 ,最高温度与最低温度的辐射出射度差现为 息和冗余信息来增强图像融合效果 ,才能取得好 中波段要远远的大于长波段 ,从红外图像来讲 , [ 1 ] 的融合效果 ,使融合具有针对性。 一般目标的温度要高于背景的温度 ,所以高温度 文中结合目标背景辐射传输特性 ,提出了基 的黑体相当于红外图中的高温目标 ,低温度的黑 体相当于红外图中的低温背景 ,最高温度与最低 于普朗克定律的双波段红外图像融合算法 ,通过 温度的辐射出射度差就表示目标与背景的辐射 编程实现 ,取得了比较好的融合结果 ,图像具有 出射度差 ,所以目标与背景辐射对比度中波段要 比较丰富的细节信息 ,目标清晰 ,能够比较全面 3 收稿日期 :2008 - 08 - 04() 作者简介 :郭玮芳 1983 - ,女 ,山西太原人 ,硕士研究生 ,研究方向 :火炮自动武器与弹药工程 。 λ 2 远远的大于长波段 。观察图像可知 ,常波段整体c1 τ(λ)ελR d= M c 2 λ? 1 5 e 2 I图像亮度要高于中波段图像 、长波段图像中的细e λe [ 2 - 3 ] 8 节。 = 3 . 7418 ×10式中 : M 为辐射度 , T 为温度 , c1 T - 2 4 4原 因 在 于 μλμλ W m? ?m, c= 1 . 4388 ×10m ?K ,,2 1 2长 波 段 辐 射 对 μμτ长波段取 8 , 12m , 中波段取 3 , 5m ,为大气 比 度 的 变 化 范 (λ) ε平均透射率 , R 为探测器的光谱响应 ,为平 围 小 于 中 波 段 均发射率 , T的长波辐射度为 M , 中波辐射度 min c 的 辐 射 对 比 度 为 M ; T的长波辐射度为 M , 中波辐射度为 z max c1 变 化 范 围 , 而 M 。z1 红 外 图 像 中 除 ) 2计算需要将中波红外图像的灰度级扩大目 标 外 其 它 景 到多少 。 物 的 温 度 都 比 图 1 中波段 、长波段M - M z1 zJ = 8 辐射变化范围图 较 低 , 所 以 长M - M c1 c 波段的辐射对比度经过量化后能够保留景物的J 为扩大后的灰度级 。如果 J 比原来的灰度级小 ,细节 ,由于景物同时向外发射两个波段的辐射 , 那么 J 就等于原来的灰度级 。因此在长波红外图像中景物的中波段辐射对比 ) 3计算长波红外图像中灰度值对应的长波 度同样包含景物的细节信息 ,所以计算出长波红 辐射度 。 外图像中景物的中波段辐射对比度 ,再将景物中 I l 波段的辐射对比度经量化引入到中波段红外图 ( ) = M - M c1M c + M c像中 ,就可以将景物的细节信息在中波段红外图 255 像中体现出来 ,达到将两个波段红外图像特点融 ) 4计算长波红外图像中长波辐射度对应的合起来的目的 。 温度 。 λ 2 c1λ M = dc2 λ 5 ?1 lλT λ e l ) 2 图像融合算法 5计算温度 T对应的中波辐射对比度 。 5 由于两个波段的红外图像的量化位数相同 , c1p ετ(λ) λ = d- M cz 对中波段辐射对比度量化时只有辐射对比度大 23 5 ? lλλT e的目标之间才能在灰度值上有比较明显的差别 , ) 6将中波段红外图像的灰度值转化为新灰而低温景物的主要辐射集中在长波段其对应的 中波段辐射对比度比较小 ,量化后景物之间区分 度级下的灰度值 。 J 不开 ,所以在中波红外图像中加入细节信息有可 1 2 - I = I nm能需要扩大中波图像的存储位数 ,这样再对长波 255 段图像中景物的中波段辐射对比度量化后景物 ) 7将 P 转化为与中波红外图像灰度级相同之间的灰度值就能有比较明显的区别 。 的灰度值 。先计算出长波段最大辐射度对比度和中波 J ) ( P 2 - 1段最大辐射对比度 ,确定将图像的存储位数扩大 , G 为 P 对应的灰度值 。G = M z1 - M z到多少位 ,然后对辐射对比度进行量化 ,最后进 ) 8将中波红外图像和长波红外图像融合起来 。行融合 ,这样融合出的一幅图像既有中波段的特 点又有长波段的特点 ,从而建立了引入辐射特性 I = G + I n的图像融合算法 。由于目标和背景中的景物都 是灰体 ,还需要考虑物体的发射率 、大气透射率 , [ 1 ,5 ] 3 实验结果同时还要考虑探测器的光谱响应。 用 取 自 同 一 目 标 设长波红外图像为 I , 中波红外图像为 I 。l m 的同 一 背 景 的 长 波 红 ) 1计算 T和 T的长波辐射照度和中波 min max 辐 外图 像 和 中 波 红 外 图射照度 , 利用公式 : 像按 照 文 中 的 算 法 使 用 MA TL AB 进 行 仿 图 2 中波图像 真 。图 2 为中波图像 , 表 1 基于辐射特性的融合数据分析 图 3 为长波图像 ,图 4 为融合后的图像 ,估计最 低温度 280K ,最高温度 345K。 目标背景 调和熵局部熵粗糙度对比度 6 . 767 15 . 992 19 . 046 3 . 649 中波图像 长波图像 7 . 120 17 . 570 21 . 957 1 . 833 融合图像 7 . 015 16 . 924 21 . 177 2 . 792 参数变化 1 . 0 % 0 . 8 % 2 . 4 % 1 . 1 % 参考文献 : [ 1 ] 张雷 . 双波段红外图像目标特性分析及其融合方 法研究[ D] . 太原 :中北大学 ,2007 . 倪国强 . 多波段图像融合算法研究及其新发展[ J] . [ 2 ] 4 结论() 光电子技术与信息 ,2001 ,14 5:11 - 17 . 比较观察图像可知 ,融合图像既有较亮的目 Sma rt S , Sca rff L A . Co mbini ng vi sual a nd IR ima2 [ 3 ] ge s fo r senso r f usio n —t wo app roaches[ C] / / SP IE. 标信息 ,又具有丰富的细节背景 。表 1 是融合前 1992 ,1668 :102 - 112 . 后调和熵 、局部熵 、目标背景对比度的比较 。其 王江安 ,朱向前 ,宗思光 ,等. 红外目标特征分析及融 中融合图像的调和熵与粗糙度均比中波图像增 () 合特征提取[ J] . 传感技术学报 ,2005 ,6 2:289 - 291. [ 4 ] 加了 ,局部熵比中波图像增加了 ,实验数据上说 孙玉秋 ,田岩 ,彭代强 ,等 . 双波段红外图像融合的 ( 小波分维算法 [ J ] . 华 中 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 明了该的有效性 ,即把较高的目标背景对比 [ 5 ] ) () 版,2005 ,33 4:41 - 43 度和较多细节集中到融合图像上 。 () df e sign and f a bricatio n of o mni directio nal a r ray 上接第 194 页 软件对上述微带天线的尺寸进行了仿真 ,得到主 a ntenna s fo r aero sp ace applicatio ns [ J ] . N A SA , 模的谐振频率 ,产生了第一组数据 ; 另一组数据 L a ngley Re search Center , Rep t . N A SA - TM - X 是按照文中给出的 k 值计算得到的主模谐振频 - 73970 , No v , 1976 . 率 。从表 2 可以看出 ,在主模条件下 ,针对不同 [ 2 ] Hiro yuki A rai , Nao hi sa Go to . Flat a ntenna s fo r 的贴 片 大 小 和 相 同 的 接 地 销 钉 , 利 用 A n sof t indoo r cell ula r system [ C ] / / IE E E. A ntenna s H F SS 仿真软件的仿真结果和利用新方法给出 k Prop agate . Int . Symp . Dig. , 1994 :344 - 347 . 值的数值解吻合良好 ,因此文中给出的环形微带 Carver K R. Inp ut imp eda nce to p ro be2f ed micro s2 [ 3 ] 贴片天线的公式具有很好的工程实用价值 。t rip a ntenna s[ C] / / IE E E A P - S Int . Symp . Di2 ge st , 1980 :617 - 620 . Giuseppe Di Ma ssa , Giuseppe Mazzarella . Hat [ 4 ] p atch a ntenna [ C] / / IE E E. A ntenna s Prop agate . 4 结束语Int . Symp . Dig. ,1994 :814 - 817 . 仿真软件可以分担天线设计所需要的时间 , [ 5 ] L C Shen , et al . Reso nant f grequency of a circular2 但仿真软件往往需要配置高性能的计算机 ,配置 di sc p ri nted2circuit antenna[ J] . IE E E Tra ns. A n2 稍低一些 ,运算时间就会加长 ,如再反复计算和 tenna s Prop aget , 1977 ,A P - 25 :595 - 596 . 对模型参数进行调整 ,又进一步延长了天线的设 计周期 。对于大半径接地销钉的圆环形微带天 [ 6 ] IE Rana , N G Alexopoulo s. Current dist ribution and 线的设计 ,文中提出了一种设计新思路 ,新方法 inp ut impedance of p rinted dipoles[ J] . IEEE Trans . 可以较为精确的逼近实际结果 ,为环形微带贴片 Antennas Propagate , 1981 , A P - 29 :99 - 105. 天线的仿真设计节省了大量的时间 ,另外 ,利用 [ 7 ] A Da s ,M Sc , M Tech , et al . Inp ut imp eda nce of a 文中方法也可以为目前使用的天线设计仿真软 p ro be excited circular micro st rip ring antenna s[ J] . 件提供最 优 的 初 始 化 参 数 , 使 其 设 计 时 间 大 为 () IE E E Proc . H ,1985 ,132 6:384 - 390 . 减小 。 [ 8 ] 胡明春 , 杜小辉 , 李建新 . 宽带宽角圆极化微带贴 参考文献 : ( ) 片天线设计[ J] . 电波科学学报 , 2001 , 16 4: 441 - 446 . I J 鲍尔 , P 布哈蒂亚 . 微带天线 [ M] . 梁联倬 ,等 [ 9 ] 译 . 北京 :电子工业出版社 , 1984 . [ 1 ] Ca mp bell T G , M W Appleto n , T K L usby. The