專利名稱：基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法
技術領域：
本發明涉及一種超高分辨率大型紅外光電成像系統中圖像還原的空間變換、時間變換及相關圖像處理方法。
背景技術：
超長線列探測器的設計、加工是超高分辨率成像系統的核心技術。法國Sofradir研制成功了性能優越的3000元中波紅外探測器。中國在2003年研制成功中波2048元紅外探測器。受各種因素限制，更長線列器件研究進展緩慢。而小規模面陣紅外焦平面128×128、320×240卻已經有了成熟產品。
近年來，傳像光纖束有長足進展，在光譜儀器、醫療設備、導彈告警接收器等方面都有應用。北京玻璃研究院于1999年研制了用As-S芯包光纖制備1-6μm波段應用的紅外傳像光纖束。采用性能可靠的小規模面陣器件，通過特殊結構傳像光纖束完成線/面變換，是獲得超長線列紅外探測器新途徑。
受現有制作工藝限制，光纖一般采用六角形排列，而面陣探測器為方形排列；特殊結構傳像光纖束入端設計成線列，為提高信噪比，光纖入端1采用疊層設計而光纖出端3為面陣結構，它們由光纖主體2聯結(見圖1)。為還原圖像，需采用特殊算法，定位光纖束中每根光纖的中心位置，將光纖出端3的面陣信息還原為光纖入端1的線陣信息，稱此過程為空間變換；掃描目標對象得到的系列面陣圖像，利用該系列圖像還原原始圖像，稱此變換為時間變換。為提高信噪比，光纖束采用多層(10層)設計(見圖2)，系統采用串并混合掃描的工作方式，這對圖像算法提出了特殊要求，需要根據光纖的結構，提取每根光纖的信息，然后進行信息融合，獲取高信噪比圖像。

發明內容
如上所述，如何對異型傳像光纖獲取的信息經過空間變換和時間變換來還原原始圖像，乃是本發明所要解決的技術問題，為此，本發明的目的在于，提供一種基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法。
本發明的技術構思是在空間變換中如何精確定位每根光纖的位置，是整個算法的關鍵，采用雙模板自適應算法，首先將光纖中心區域粗略定位；其次，引入圖像腐蝕技術，縮小光纖中心區域；最后利用重心算法精確定位光纖中心位置，并以該中心位置作為記錄光纖位置的坐標表，后續掃描得到的系列圖像按此坐標表讀取信息；在進行上述變換之前，還必須對圖像進行預處理首先，光纖出端邊緣與面陣邊緣難以嚴格平行，造成光纖有效像區在整幅圖像中傾斜，需要對其進行旋轉，旋轉前必須精確檢測邊緣傾斜角度，采用最小二乘法證明實用有效。其次，對于光纖斷絲引起的盲元，必須進行標定。確定光纖中心位置后，利用光纖制作的先驗知識，在定位坐標表中添加空缺的位置，根據相鄰像素之間相關性獲取盲元信息。
綜上所述，本發明的技術方案是每次成像時，掃描系統首先對亮度足夠且均勻的白色定標物體掃描，獲取用于光纖定位的圖片，定位每根光纖中心位置；然后，掃描實際目標對象，得到系列圖像，經過空間變換、積分運算和時間變換，還原成原始圖像。
本發明方法降低了光纖制造工藝要求，對光纖斷絲引起的盲元和光學幾何失真等問題得到有效處理，降低了系統復雜性，減小了成像系統體積和質量；由于算法中采用了雙模板自適應濾波、腐蝕加重心的算法來精確定位光纖中心位置，從而保證了圖像的清晰度；又由于數字積分的運用，提高了圖像的信噪比；另外，本發明算法還具有速度快、魯棒性好等特點。


圖1是已有異型光纖整體結構示意圖；圖2是已有異型光纖入端疊層結構示意圖；圖3是本發明中的傾斜定標圖像；圖4是本發明中的旋轉后的定標圖像；
圖5是本發明中的雙模板算法獲得的光纖中心區域圖；圖6是本發明中的腐蝕法獲得光纖中心區域圖；圖7是本發明中的重心算法獲得的光纖中心精確位置圖；圖8是本發明中的積分算法中信號分離提取圖；圖9是本發明中的時間變換算法流程圖。
具體實施例方式下面根據圖3-圖9，給出本發明一個較好實施例，并予以詳細描述，以便進一步給出本發明的技術細節，并使能易于了解本發明的方法特征和功能特點，但不是用來限定本發明的范圍。
為還原原始圖像，系統得到的系統圖像要經過空間變換、積分算法以及時間變換三個處理步驟，具體操作如下1、空間變換空間變換的目的是將光纖出端3的面陣圖像還原成光纖入端1的線陣圖像，它包含圖像預處理、光纖中心定位兩個過程，主要步驟為①系統掃描成像之前，首先對用于定標的物體成像，獲取定標圖像。實施該步驟時要反復調試，使圖像的清晰度盡可能高，這對后續的處理算法至關重要。由于光學系統與相機CCD靶面難以嚴格平行，獲取的圖像將會出現傾斜，如圖3所示，對傾斜的圖像需要旋轉校正。
②傾斜圖像的背景和有效像元之間存在較大灰度差，利用該灰度差，提取圖像傾斜角度。圖像背景和有效像元交界處看成近似一條直線，在交界處采集一定數量的像素點，記錄它們的坐標位置，采用最小二乘法，得到直線斜率，經過反正切運算即是圖像邊緣傾斜角度，依此對圖像進行旋轉處理，得到如圖4所示效果。保存傾斜角度，留作后用。
③采用雙模板算法粗略定位光纖中心區域。設計一個大模板，其由9個3×3(或2×2)小模板構成，小模板的大小根據每根光纖實際占用像素多少來確定，用該模板對整幅定標圖像進行卷積運算，對大模板中每個小模板中像素亮度求和。如果當前模板對應的亮度和最大，并且大模板中亮度和最小的模板也超過某一閾值(閾值的設定根據背景亮度而定，需要調試)，則將當前模板中每個像素灰度賦值為255，其他模板中的像素灰度賦值為0。經此處理，定標圖像變成一個個白色小方塊，該方塊粗略標出光纖中心的位置，如圖5所示。
④設計一個3×3的‘十’字型模板，模板四角元素對應的像素不參與運算，此舉目的為提高效率。利用該模板對上述圖像進行全方向腐蝕，腐蝕后，單個亮塊面積縮小，亮塊包含像元的個數變少，進一步逼進光纖中心位置區域，如圖6所示。此運算減少后續計算的工作量，并提高算法的魯棒性。
⑤采用重心算法精確定位光纖中心。對每個亮塊，利用重心算法找出其重心，對應像素即為光纖中心位置，至此，每根光纖中心位置用單個像素表示。重心算法求重心時，從前面的亮塊跳躍到后面的亮塊，需要利用光纖制作的先驗知識，設計跳躍步長，遇到光纖斷絲引起的盲元，填補相應標記點。全部光纖中心和斷絲標定的位置組成圖像的坐標表，作為讀取掃描系列圖像的依據(如圖7所示)。
⑥為提高圖像信噪比，光纖入端采用多層疊加設計，實際掃描方式為串并混合方式，根據后續積分算法要求，對每層光纖位置進行分離。利用光纖制作的先驗知識，對每層光纖的位置從總坐標表中分離處理，圖8所示的是分離處理后第一層光纖位置。
2、積分算法①根據空間變換保存的傾斜角度，對掃描得到的系列圖像旋轉處理，為提高圖像質量，采用雙線性插值法旋轉，算法如下f(x，y)＝[f(1，0)-f(0，0)]x+[f(0，1)-f(0，0)]y+[f(1，1)+f(0，0)-f(0，1)-f(1，0)]xy+f(0，0)②六角形排列的光纖，隔層光纖在垂直方向一致。在積分算法像素灰度值疊加時，從光纖位置坐標表對應的位置隔行取值，采用加權平均的方法確定像素灰度值。
③遵從圖像灰度取值范圍，對加權得到的像素灰度值歸一化處理，灰度超過255的按灰度為255計算。
3、時間變換①依據位置坐標表，采用上述積分方法對系列面陣圖像取值，按照圖像四字節補齊存放規律，將面陣圖像還原為對應的線陣圖像，即一幅面陣圖像變換為最終圖像中的一行。
②按照掃描先后順序，將所有線陣圖像堆積，得到最終圖像。
最后，再結合圖9所示的時空變換對本實施例的操作方法加以描述在實施例中，所進行的時空變換是配合空間變化程序100、雙模板濾波程序200及積分運算時間變換程序300的運行來實現的，其中(1)空間變換程序100的操作流程是步驟1000，程序啟動，之后，執行步驟1001，讀入定標模板圖像，步驟1002，檢測傾角旋轉圖像，步驟1003，雙模板濾波器濾波，步驟1004，全方位腐蝕圖像，步驟1005，利用重心算法定位光纖中心位置，最后，執行程序1006，程序結束。
(2)雙模板濾波程序200的流程為步驟2000，啟動程序，之后，執行步驟2001，設置9個3×3模板遍歷圖像，步驟2002，對各個小模板像素灰度求和，步驟2003，判斷最小灰度和是否大于閾值？若不大于閾值，執行步驟2006，對模板所有像素灰度置“0”；若大于閾值，則執行步驟2004，判斷當前模板像素灰度和是否為最大？若不是最大，執行步驟2006，對模板所有像素灰度置“0”；若為最大，則執行步驟2005，對模板所有像素灰度置“255”，(3)積分運算時間變換程序300的流程為步驟3000，啟動程序，之后，執行步驟3001，讀取系列圖像，步驟3002，旋轉系列圖像，使之還原傾斜度，步驟3003，按空間變換規律，抽取圖像信息，步驟3004，按入端光纖疊放規律，隔行信息疊加，步驟3005，按掃描先后順序存入系列圖像，最后，執行步驟3006，程序結束。
權利要求
1.一種基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法，其步驟包括每次成像時，掃描系統首先對亮度足夠且均勻的白色定標物體掃描，獲取用于光纖定位的圖片，定位每根光纖中心位置；然后，掃描實際目標對象，得到系列圖像，經過空間變換、積分運算和時間變換，還原成原始圖像。
2.根據權利要求1所述的基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法，其特征在于，所述的對掃描實際目標對象獲得的系列圖像進行空間變換的步驟是將光纖出端的面陣圖像還原成光纖入端的線陣圖像，其包括圖像預處理和光纖中心定位兩個過程，主要步驟包括①系統進行掃描成像之前，首先對用于定標的物體成像，獲取用于定標的圖像；②利用背景和物體之間的亮度差，采用最小二乘法，檢測圖像邊緣傾斜角度，對圖像進行旋轉處理，并保存傾斜角度；③采用雙模板算法粗略定位光纖中心區域，先根據每根光纖實際占用的像數，設計一個由若干個小模板構成的大模板，之后，進行定標圖像掃描，對每個小模板中像素亮度求和，利用光纖中心亮度最強的特點，將最亮的小模板灰度賦值為255，其他模板灰度賦值為0，標出光纖中心的粗略位置；④設計一個3×3的“十”字型模板，采用全方向腐蝕算法得到光纖中心區域，縮小光纖中心位置區域，減少后續計算的工作量，并提高算法的魯棒性；⑤先對每個亮塊利用重心算法找出其重心，并把重心對應的像素確定為光纖中心位置，再從前面的亮塊跳躍到后面的亮塊，利用光纖制作的先驗知識，設計跳躍步長，利用重心算法，逐行精確定位光纖中心位置，遇到光纖斷絲引起的盲元，填補相應標記點；最后對全部光纖中心精確定位和斷絲標定的位置組成圖像的坐標表，作為讀取系列圖像的依據；⑥根據后續積分算法要求，利用光纖制作先驗知識對坐標表進行分離，分出每層光纖的位置坐標。
3.根據權利要求1所述的基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法，其特征在于，在采用雙模板法粗略定位光纖中心區域的步驟中，所說的大模板由9個3×3小模板構成。
4.根據權利要求1所述的基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法，其特征在于，在采用腐蝕雙模塊算法的步驟中，所設計的小模板為3×3小模板。
5.根據權利要求1所述的基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法，其特征在于，所說的對掃描實際目標對象獲得的系列圖像進行的積分算法，主要步驟為①根據空間變換保存的傾斜角度，對掃描得到的系列圖像旋轉處理，為提高圖像質量，采用雙線性插值法旋轉；②對六角形排列的光纖，隔層光纖在垂直方向一致，在積分算法像素灰度值疊加時，從光纖位置坐標表對應的位置隔行取值，采用加權平均的方法確定像素灰度值；③遵從圖像灰度取值范圍，對加權得到的像素灰度值歸一化處理，灰度超過255的按灰度為255計算。
6.根據權利要求1所述的基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法，其特征在于，所說的對掃描實際目標對象獲得的系列圖像進行時間變換，主要步驟為①依據位置坐標表，采用數字積分對系列面陣圖像取值，按照圖像四字節補齊存放規律，還原面陣對應的線陣圖像；②按照掃描先后順序，將系列線陣圖像堆積，還原成原始圖像。
全文摘要
一種基于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換的方法，包括步驟每次成像時，掃描系統首先對亮度足夠且均勻的白色定標物體掃描，獲取用于光纖定位的圖片，定位每根光纖中心位置；然后，掃描實際目標對象，得到系列圖像，經過空間變換、積分運算和時間變換，還原成原始圖像。本發明方法降低了光纖制造工藝要求，對光纖斷絲引起的盲元和光學幾何失真等問題得到有效處理；降低了系統復雜性，減小了成像系統體積和質量；由于采用雙模板自適應濾波、腐蝕加重心的算法來精確定位光纖中心位置，從而保證了圖像的清晰度；又由于數字積分的運用，提高了圖像的信噪比；另外，本發明方法還具有速度快、魯棒性好的特點。
文檔編號H04N7/22GK1758754SQ20051003079
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月27日 優先權日2005年10月27日
發明者安博文, 方中華, 孫勝利, 陳桂林 申請人:中國科學院上海技術物理研究所