紅外圖像數(shù)據(jù)處理方法研究開題報告.doc

中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué) 生 姓 名：孔祥吉學(xué) 號：0705034133學(xué) 院、系：信息與通信工程學(xué)院電子工程系專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器設(shè)計(論文)題目：紅外圖像數(shù)據(jù)處理方法研究指導(dǎo)教師:鄭賓 2011 年 3 月 30 日 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述1、 課題的研究背景及意義 紅外圖像是伴隨著紅外成像技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的。紅外熱成像技術(shù)，又稱為熱成像技術(shù)，是一種輻射信息探測技術(shù)，紅外熱成像系統(tǒng)能夠把物體表面自然發(fā)射的紅外輻射分布轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢妶D像。因為不同物體或同一物體的不同部位具有不同的紅外輻射特性(如溫度和發(fā)射率)，所以系統(tǒng)可直觀地顯示其差異并將它們區(qū)分開來，轉(zhuǎn)換成可見圖像，從而將人類的視覺感知范圍由傳統(tǒng)的可見光譜擴展到裸眼看不到的紅外輻射光譜區(qū)。支撐紅外成像技術(shù)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)包括紅外物理學(xué)、光電子學(xué)、現(xiàn)代信息處理技術(shù)、材料科學(xué)、精密光學(xué)機械和特種紅外工藝等。由于紅外傳感器本身固有的特性，紅外圖像普遍存在著目標(biāo)與背景對比度較差、邊緣模糊等缺點，再加上目標(biāo)距傳感器較遠，受到大氣熱輻射等因素影響，使紅外圖像信噪比和對比度較低，圖像中的目標(biāo)形狀和紋理信息不足。因此必須對紅外圖像進行增強處理，以提高信噪比和對比度。傳統(tǒng)的增強方法都有不同程度的局限性，必須尋找新的處理思想和手段，以能夠最大限度地降低紅外圖像的噪聲，突出圖像中的有用信息并提高視覺效果。因此，本課題的研究既有一定的理論價值又有相當(dāng)?shù)膶嶋H應(yīng)用前景?？梢姽鈭D像感受和反映的是目標(biāo)及背景反射來自太陽或其它物體光線強弱的差異，而紅外圖像感受和反映的是目標(biāo)與背景自身向外輻射能量的差異，這兩者都與構(gòu)成目標(biāo)及背景的材料、顏色及表面光亮度有關(guān)。由于紅外圖像和可見光圖像存在著上述本質(zhì)上的差異，這就決定了紅外圖像與可見光圖像具有各自不同的特點。由于紅外波段的輻射波長比可見光長，因而紅外圖像的空間分辨力比可見光低；紅外輻射透過霧的能力比可見光強，所以紅外成像可以克服部分視覺上的障礙而探測到目標(biāo)，具有比可見光更強的穿透能力；紅外成像系統(tǒng)的主要工作波段是在3-5 um和8-14 um兩個被稱為紅外窗口紅外波段，在這兩個波段內(nèi)，紅外輻射的透射能力很強，其作用距離是可見光的3-5倍；由于紅外成像和可見光成像方式和本質(zhì)的不同，紅外成像系統(tǒng)可以全天候工作，而可見光成像傳感器則不能。另外，目標(biāo)的可見光圖像可能受到陰影的影響，而目標(biāo)的紅外圖像則受陰影的影響較小?？梢姽鈭D像傳感器利用物體的不同部分對可見光不同的反射成像，圖像具有較高的對比度和分辨率，但易受強光和煙霧干擾，不能在夜間工作，不適應(yīng)全天候工作的需求；紅外成像系統(tǒng)是利用景物對紅外線的輻射差成像將紅外輻射轉(zhuǎn)換為可見光圖像，利用場景內(nèi)物體本身各部分輻射的差異獲取物體圖像的細節(jié)，所以紅外圖像的獲取可不依賴于外部光線。由于紅外圖像所其有的上述特點，紅外成像技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)診斷、航空航天、軍事偵察、指紋識別、無損探傷等領(lǐng)域。紅外圖像的質(zhì)量在紅外成像技術(shù)的各種具體應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。伴隨著紅外成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，紅外圖像的增強處理技術(shù)也逐漸成為科研人員研究的重點。2、 紅外成像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢紅外圖像是灰度圖像，沒有彩色或陰影，所以對人眼而言，分辨率低，沒有立體感；由于景物熱平衡、光波波長較長、傳輸距離遠和大氣衰減等原因，造成紅外圖像空間相關(guān)性強、對比度低、視覺效果模糊；外界環(huán)境的隨機干擾和紅外成像系統(tǒng)的不完善，給紅外圖像帶來多種多樣的噪聲，這些分布復(fù)雜的噪聲使得紅外圖像的信噪比比可見光圖像低。目前，紅外成像系統(tǒng)突出的性能優(yōu)點還遠沒有得到充分地發(fā)揮。因此，在開展紅外成像系統(tǒng)性能研究的同時，各國的科研人員也在積極進行圖像處理技術(shù)的研究。我國從上個世紀(jì)開始進行紅外圖像處理技術(shù)的研究工作。紅外圖像由于其自身的特點，處理方式與處理可見光圖像的方式不完全相同，但紅外圖像的增強處理可借鑒可見光圖像的處理方法。 對于某個特定的應(yīng)用，通常根據(jù)增強處理需要達到的目的選擇合適的增強算法，在具體應(yīng)用中，針對紅外圖像的特點可以進行一些改進。 以硬件實現(xiàn)為最終目的的紅外圖像增強技術(shù)研究的核心任務(wù)是研制模塊化圖像實時處理系統(tǒng)，有效地提高成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍，抑制噪聲，消除非均勻性，提高紅外圖像的質(zhì)量。在紅外圖像的實時處理中，要求增強算法簡潔、有效和易于硬件實現(xiàn)，因此采用直方圖均衡、灰度變換等傳統(tǒng)增強方法居多。一般的直方圖均衡化增強方法對于紅外圖像的增強效果并不理想，有時會存在加強噪聲的現(xiàn)象。為了克服直方圖均衡化方法的不足，Virgil EVichers，Silverman J提出了直方圖投影、平臺直方圖算法。其中，平臺直方圖算法是最有價值的算法，實現(xiàn)該算法的關(guān)鍵是平臺值的選擇，但是并沒有提出一個選擇平臺閾值的合理準(zhǔn)則，只是根據(jù)經(jīng)驗選擇平臺閾值；而直方圖投影算法只是將圖像中出現(xiàn)的灰度級在整個灰度空間進行等間隔分配，對背景噪聲和目標(biāo)做了相同的處理，對圖像的增強效果不佳。在此之上，John BZimmerman提出了自適應(yīng)直方圖均衡，Jadwiga Rogowska等人提出了局部對比度擴展增強等方法。南京理工大學(xué)的陳文建等人根據(jù)紅外煙幕遮蔽條件下目標(biāo)熱像的特征提出了一種減少紅外煙幕遮蔽干擾時間的動態(tài)局部自適應(yīng)直方圖均衡化增強目標(biāo)熱像新方法。該方法采用一個滑動窗口動態(tài)地對感興趣的目標(biāo)區(qū)域計算不斷變化的紅外熱像圖的灰度分布，然后根據(jù)該區(qū)域局部直方圖進行均衡化實現(xiàn)對整個窗口中像素的灰度級變換增強，該方法可直接用于熱像儀數(shù)據(jù)處理的硬件系統(tǒng)中，有效改善了選定區(qū)域的目標(biāo)紅外圖像。國防科技大學(xué)的邸慧等針對紅外圖像，采用雙門限分割法進行圖像分割，然后采用分段灰度變換法進行圖像增強。 為了彌補使用單一方法進行圖像增強處理的不足，針對某種應(yīng)用領(lǐng)域，將兩種或多種圖像處理方法相結(jié)合，可以得到更為滿意的結(jié)果。有學(xué)者將圖像分割與傳統(tǒng)的圖像增強方法相結(jié)合，對紅外圖像進行處理，得到了較好的增強效果。Yajun Fang等人在汽車上的行人檢測系統(tǒng)中應(yīng)用了紅外圖像目標(biāo)與背景的水平分割以及豎直分割的相結(jié)合，得到了較為優(yōu)異的紅外圖像增強處理視覺效果。小波分析方法是近十余年來發(fā)展起來的一個重要的數(shù)學(xué)分支，其數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立，把小波理論應(yīng)用于紅外圖像處理也是近年來學(xué)者們的研究課題，其結(jié)果已經(jīng)初步體現(xiàn)了小波分析在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景。國防科技大學(xué)的宮武鵬等人將小波變換理論應(yīng)用于紅外圖像處理，提出一種基于小波變換的紅外圖像對比度增強方法。對低對比度的紅外圖像施行小波變換，得到其多尺度梯度分布；合理地增強其在各個尺度上的梯度模值，直接擴大尺度空間圖像的動態(tài)范圍，既增強了圖像的對比度，又控制了噪聲。西南交通大學(xué)的張瑾提出了一種基于小波系數(shù)閾值處理的紅外圖像去噪方法，該方法針對紅外圖像的噪聲分布特性，對紅外圖像中的乘性噪聲進行對數(shù)變換，使乘性噪聲變?yōu)榧有栽肼?，并對變換后紅外圖像的小波變換系數(shù)進行閾值處理實現(xiàn)圖像去噪。常用的基于小波變換的圖像增強方法是將圖像變換到頻率域進行處理。在頻率域中邊緣等細節(jié)和噪聲均對應(yīng)于高頻子帶，而且系數(shù)值都較小，當(dāng)采用增強算法時不可避免的會放大噪聲，使得增強圖像細節(jié)和抑制噪聲成為一對難以解決的矛盾。形態(tài)學(xué)銳化方法基本原理為結(jié)合形態(tài)學(xué)腐蝕與膨脹兩種運算，選取一定尺度，先對圖像每點分別作腐蝕與膨脹運算，然后在得到的灰度中選取離原灰度最近者，若距離相等，則保持圖像灰度不變。但是基本的形態(tài)學(xué)銳化方法由于沒有區(qū)分邊緣與平坦區(qū)，沒有對噪聲采取措施進行抑制，雖然能銳化邊緣，但視覺效果不佳，而且其形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)不能根據(jù)邊緣自動調(diào)整。南京理工大學(xué)的馮國進等人提出了一種基于形態(tài)學(xué)的紅外圖像邊緣增強方法，改進了基本的形態(tài)學(xué)銳化方法，能有效地增強邊緣并平滑噪聲，改善視覺效果。 遺傳算法是模擬自然界生物進化過程的計算模型。它依據(jù)適者生存，優(yōu)勝劣汰的進化原則對包含可能解的群體反復(fù)進行遺傳操作，找出最優(yōu)或近似最優(yōu)解。在圖像處理中，遺傳算法在圖像壓和編碼、圖像分割、圖像重建、特征提取等方面已經(jīng)被廣泛采用，并且獲得較好的處理結(jié)果。偏微分方程方法作為當(dāng)前圖像處理的方法之一，已經(jīng)取得了長足的發(fā)展和進步，目前它所涉及的范圍幾乎遍布圖像處理的各個領(lǐng)域。偏微分方程增強技術(shù)能夠較好的克服圖像噪聲與邊緣之間的矛盾，使圖像去噪的同時保持邊緣位置和圖像細節(jié)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的王超針對紅外圖像噪聲較大的特點，在考慮噪聲抑制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了梯度場自適應(yīng)放大系數(shù)來防止目標(biāo)梯度場動態(tài)范圍過大而產(chǎn)生的偽影效應(yīng)，結(jié)合這個梯度場的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系和圖像自身的平滑性約束，對紅外圖像實現(xiàn)了有效的增強。除上述幾種常用紅外圖像增強算法外，目前研究者們也將新型的圖像表示工具引入到紅外圖像增強處理的實際應(yīng)用中，以便將圖像中的邊緣輪廓信息捕捉到不同尺度、不同方向的子帶中，以利于進一步的處理和分析，在對紅外圖像的增強處理中取得了較為滿意的效果，如多尺度方向分析理論在紅外圖像處理領(lǐng)域也得到了很好的嘗試和應(yīng)用。由于圖像增強技術(shù)還沒有統(tǒng)一的評價準(zhǔn)則，主要是根據(jù)人眼的主觀判斷決定，基于人類視覺特征的圖像增強技術(shù)也成為一種研究趨向。Kamel等人提出了基于人類視覺模型的圖像平滑方法，在Gabor濾波的基礎(chǔ)上，結(jié)合人眼的生理特性，使平滑后的圖像比原圖像有更好的視覺效果。總之，在各種紅外圖像的增強方法中，如何較好地解決增強邊緣與抑制噪聲這一對矛盾，以及如何利用人類的視覺特性來抑制噪聲，提高圖像的視覺效果值得進行深入的研究。參考文獻： 1楊帆等數(shù)字圖像處理與分析北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2007.10 2伯曉晨MATLAB工具箱應(yīng)用指南M北京：電子工業(yè)出版社.2003 3王家文，曹宇Matlab6.5圖形圖像處理M國防工業(yè)出版社.2004.5 4張新平Matlab圖形圖像處理在材料研究中的應(yīng)用J鑄造術(shù).2003 5余成波數(shù)字圖像處理及matlab實現(xiàn)M重慶:重慶大學(xué)出版社.2003.6 6孫兆林MATLAB6.x圖像處理M北京:清華大學(xué)出版社.2002 7王遠超紅外圖像銳化實用算法的研究與實現(xiàn)南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2004 8蔡毅等對紅外成像技術(shù)發(fā)展的幾點看法紅外技術(shù)2000(3):1-6 9彭煥良熱成像技術(shù)發(fā)展綜述.激光與紅外1997.27(3):131-136 10周建勛，王利平，劉斌紅外圖像產(chǎn)生原因分析紅外與激光工程.1997.26(3) 11朱虹等數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)北京:科學(xué)出版社，2005 12 Rafael C. Gonzalez等數(shù)字圖像處理(MATLAB版)北京:電子工業(yè)出版社，2005 13陳楊，陳榮娟，郭穎輝 MATLAB6X圖形編程與圖像處理西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002 14陳錢，柏連發(fā)，張保民 紅外圖像直方圖雙向均衡技術(shù)研究紅外與毫米波報2003, 22(6): 428-430 15王炳健，劉上乾，周慧鑫，李慶 基于平臺直方圖的紅外圖像自適應(yīng)增強算法光子學(xué)報，2005, 34 (2): 299-30116林曉春，王艷一種基于圖像融合的紅外圖像增強的新方法明紅外技術(shù)2004，26(2)：485317王磊紅外圖像增強算法研究及其實時實現(xiàn)技術(shù)西安：西安電子科技大學(xué)2007 18陳傳波，金先級數(shù)字圖像處理M北京：機械工業(yè)出版社200419邵凡麒紅外圖像處理D南京：南京理工大學(xué)，200520Nakao Z.，Takashibu G.，Ali F.E.and Chen Y.W.，Evolutionary CT Image ReconstructionCProceedings of ICNN97，1997，1608161121Burt P.J.，Adelson E.H.The Laplacian pyramid as a compact image codeJ， IEEE TransCommun，1983，31(4)：532-55422Tony F.Chan，Luminita A.Vese，Active Contours Without EdgesJIEEETranson Image Processing2001，1O(2)：26627723王博數(shù)字圖像處理方法與應(yīng)用研究D西安：西北工業(yè)大學(xué)，199824張日華，黃彥明小波變換及其在圖像處理中的特性分析J，中國圖像圖形學(xué)報 1997,2(7) 25魏政剛等圖像質(zhì)量評價方法的歷史、現(xiàn)狀和未來J中國圖像圖形學(xué)報1998, 3(5):236-23926殷曉麗，方向忠，翟廣濤一種JPEG圖片的無參考圖像質(zhì)量評價方法J計算 機工程與應(yīng)用2006，18(3)：79-81，129 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：2.1課題要研究解決的問題論文的研究重點是紅外圖像的視覺效果增強技術(shù)，通過對圖像增強的方法進行研究和總結(jié)，提出了基于單幅圖像的紅外圖像增強方法和基于圖像融合的紅外圖像增強方法。 論文擬解決的關(guān)鍵問題是，如何在去除紅外圖像噪聲的同時，增強圖像中的邊緣和細節(jié)信息，提高圖像的視覺效果；針對典型格式如JPEG、TIFF、RAW等的紅外圖像和視頻紅外圖像，在Matlab環(huán)境下完成圖像處理方法的研究，提高紅外圖像的視覺效果。特別是對視頻紅外圖像的處理速度要求大于15幀/s。2.2實現(xiàn)途徑 目前常用的增強技術(shù)如果按照增強處理的方法不同，可以分為空間域增強和變換域增強?？臻g域增強方法對圖