红外图像处理理论与技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈钱 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121323911

版次：1

商品编码：12263271

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-08-01

用纸：胶版纸

页数：260

字数：416000

正文语种：中文

编辑推荐

适读人群 ：本书可作为高等学校光电等相关专业的基础教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。

对红外成像开发理论和技术的全面总结

内容简介

本书是作者近二十年来对红外成像开发理论和技术的全面总结，是作者搜集了国内外*新研究成果，并在研究生讲稿的基础上改编的。本书分7章，主要内容包括：第1～2章介绍红外探测器的成像原理；第3章介绍红外成像的硬件系统设计；第4章介绍红外图像的非均匀性校正算法；第5章介绍红外图像的数字细节增强算法；第6章介绍红外图像的超分辨率处理技术；第7章介绍红外成像系统的测试方法。 本书可作为高等学校光电等相关专业的基础教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。

作者简介

陈钱，教授，南京理工大学校长助理。美国光学学会会员，中国光学学会会员，江苏省光学学会副会长，总装光电火控组专家。主持和参与国家重大型号、专项、重点预研和基金等科研任务19项，获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一、二等奖3项。获教育部首届优秀青年教师奖、江苏省第六届青年科技奖、江苏省第三届十大杰出发明人和江苏省青年科技创业十大明星提名奖，入选首批"新世纪百千万人才工程”***人选，享受国务院政府特殊津贴。出版专著一部，申请专利36项，授权13项，发表学术论文100余篇，56篇被SCI和EI收录。

目录

目 录
第1章 绪论 1
1．1 红外辐射 1
1．1．1 引言 1
1．1．2 红外辐射定律与特性 2
1．1．3 红外辐射在大气中的传输 3
1．1．4 红外光学系统 4
1．2 热成像技术 7
1．2．1 热成像技术解决的基本问题 8
1．2．2 热成像技术的作用与地位 8
1．2．3 热成像技术的军事应用 9
1．2．4 热成像技术在国民经济领域的应用 11
1．3 红外探测器与热成像技术的关系 12
第2章 红外焦平面阵列 14
2．1 红外焦平面阵列简介 14
2．1．1 扫描型和凝视型红外焦平面阵列 14
2．1．2 红外焦平面阵列的结构 15
2．1．3 典型的红外焦平面阵列 15
2．2 热绝缘结构的重要性 16
2．3 主要热探测机理 19
2．3．1 热电探测器和铁电测辐射热计 20
2．3．2 热电耦探测器 22
2．3．3 电阻微测辐射热计 23
2．3．4 电阻微测辐射热计的模型 25
2．3．5 温差电探测器 35
2．4 重要极限 36
2．4．1 温度波动噪声极限 36
2．4．2 背景波动噪声极限 37
2．4．3 非制冷热成像焦平面阵列设计 40
2．5 非制冷凝视红外焦平面读出电路 41
2．5．1 红外焦平面阵列读出电路读出方式 42
2．5．2 非制冷红外焦平面阵列输入电路 44
2．6 非制冷凝视红外焦平面成像模型 49
第3章 红外成像电子系统设计 53
3．1 引言 53
3．2 低噪声偏置电压及高精度数字信号的实现 53
3．3 多次采样滤波技术 63
3．4 红外焦平面自适应偏置电压技术 65
3．5 系统构架搭建 69
3．5．1 Qsys平台Avalon总线和Nios处理器 69
3．5．2 基于Qsys平台和Avalon总线的系统架构 72
3．5．3 基于Qsys平台和Avalon总线的模块算法实现 83
第4章 红外图像的非均匀性校正 96
4．1 非均匀性定义 96
4．2 非均匀性成因 97
4．3 常用的非均匀性校正方法 99
4．3．1 基于定标的非均匀性校正算法 99
4．3．2 基于场景的非均匀性校正算法 104
4．4 单帧非均匀性去条纹算法 116
4．4．1 基于边缘灰度级共生矩阵条纹非均匀性校正方法 116
4．4．2 基于中间均衡直方图条纹非均匀性校正方法 119
4．4．3 基于全变分的条纹非均匀性校正方法 120
4．4．4 基于相邻灰度继承的条纹非均匀性校正方法 123
4．4．5 基于自适应灰度调整的条纹非均匀性校正方法 126
4．4．6 基于常数先验的条纹非均匀性校正方法 128
第5章 红外图像细节增强 131
5．1 红外图像细节增强的意义和概述 131
5．2 基于频域和空域红外图像细节增强技术 132
5．3 基于双边滤波的红外图像细节增强技术 134
5．4 基于混合滤波红外图像细节增强技术 137
5．5 基于傅里叶变换的红外图像细节增强技术 139
5．6 基于直方图的红外图像细节增强技术 141
5．6．1 基于梯度直方图的红外图像细节增强技术 142
5．6．2 于自适应双平台直方图均衡细节增强算法 143
5．7 新型红外图像细节增强技术 146
5．7．1 基于Retinex红外图像细节增强技术 146
5．7．2 基于小波的红外图像细节增强技术 148
5．7．3 基于模糊域理论的红外图像细节增强技术 150
第6章 红外图像的超分辨率处理技术 153
6．1 引言 153
6．2 非制冷凝视红外焦平面微扫描理论 153
6．2．1 微扫描成像的理论基础 154
6．2．2 微扫描成像方案比较 161
6．2．3 改进的平板光学元件微扫描方案及锗片倾斜角度模型 165
6．3 微扫描成像技术的具体实现 170
6．3．1 红外光学系统选取 171
6．3．2 微扫描器的设计 175
6．3．3 驱动电机的选取 182
6．4 图像超分辨率重建算法 186
6．4．1 基于边缘定位的多帧红外微扫描图像位移误差补偿 187
6．4．2 基于主结构分离的稀疏表示单帧图像超分辨率重建 193
6．4．3 基于流形正则协同支持的单帧图像超分辨率重建 203
第7章 红外成像系统的测试方法 211
7．1 红外探测器参数测试方法 211
7．2 基于虚拟仪器的可视化多模式测试与仿真系统 212
7．2．1 虚拟仪器技术 212
7．2．2 基于虚拟仪器的可视化多模式测试与仿真系统组成 214
7．2．3 系统工作原理 216
7．3 凝视焦平面探测器参数测试技术 217
7．3．1 凝视焦平面探测器组件 217
7．3．2 凝视焦平面探测器盲元测试技术研究 219
7．3．3 凝视焦平面探测器非均匀性测试技术研究 229
7．4 红外成像机芯测试方法 232
7．4．1 NETD噪声等效温差的测试 232
7．4．2 MRTD最小可分辨温差的测试 233
7．4．3 MTF调制传递函数的测试 235
7．4．4 MDTD最小可探测温差的测试 237
7．4．5 红外整机性能测试 238
参考文献 242

前言/序言

前 言

红外成像是利用红外探测器对目标辐射的能量进行探测并成像的光电成像技术，是一种将不可见的红外光转换为可见光的光谱转换技术。由于其能够探测目标主动发出的能量，因此不需要阳光及星光的照射就能成像，是一种可以全天候、不分昼夜工作的被动成像技术，非常适用于夜间目标的观测，因此，红外成像技术最早在军工领域获得广泛应用。

21世纪以来，红外成像技术得到了长足发展，非制冷探测器的阵列规模从320×240一直发展到1024×1024，制冷探测器也从128×128发展到640×512规模以上，并成为稳定的货架产品。非制冷探测器的NETD也从100mK发展到当前低至30mK的水平。尤其近5年来，国产红外探测器的技术水平得到了很大提升，无论从探测器阵列规模，还是从NETD水平上来说，都逐渐缩小了与西方发达国家的差距。尤其在国家提高红外成像系统国产化率的大背景下，国产红外探测器在光电类武器装备中发挥了越来越重大的作用。此外，随着探测器工艺水平和材料生产技术的进步及我国国产化探测器的逐步成熟，红外成像在民用领域获得了广泛的应用。由于红外是对热量成像，凡是对热量敏感的场合均有红外成像应用的广泛天地。比如红外成像非接触测温，在2003年国家防控非典查询体温过高人员时，起到了非常重要的作用。红外还广泛应用于汽车夜间辅助驾驶、红外人体早期疾病筛查、红外有毒气体检测、红外电力系统非接触故障检测、红外森林防火监控等领域。红外成像技术的应用领域必然随着红外成像系统性能水平的提升和价格的下降，获得更为广泛的拓展。

然而，与可见光系统相比，红外探测器的可靠性、性能稳定性均有极大差距，红外探测器对微弱热量进行探测的定位，决定了红外探测器对噪声极为敏感，且其性能受环境温度影响极大。红外探测器普遍具有的非均匀性又降低了系统的性能。上述因素都决定了红外成像系统的技术开发门槛极高，而当前对红外探测器成像理论、系统开发和算法研究的系统性指导图书并不多见，这严重限制了我国红外成像系统的大规模生产和广泛应用。为促进我国红外成像水平的整体提升，培养红外探测领域的专门人才，加快我国红外成像技术在更多领域获得广泛应用，作者决定开始本书的编写工作。

作者近二十年来一直从事红外成像理论探测和开发，开发了大量国外非禁运和国产的制冷、非制冷探测器，对各种材料探测器的理论、性能非常了解，承担了国家和地方的多项红外科研项目，并获得国家科技进步奖二等奖、教育部科技进步奖一等奖和国防技术发明奖等多个国家级、省部级奖项。本书是作者近二十年来对红外成像开发理论和技术的全面总结，是作者搜集了国内外最新研究成果，并在研究生讲稿的基础上改编而成的。本书共分7章：第1～2章介绍红外探测器的成像原理；第3章介绍红外成像的硬件系统设计；第4章介绍红外图像的非均匀性校正算法；第5章介绍红外图像的数字细节增强算法；第6章介绍红外图像的超分辨率处理技术；第7章介绍红外成像系统的测试方法。

本书由陈钱、隋修宝编著。其中，陈钱进行了章节的统筹规划，并负责了第1、2、5、7章的撰写，隋修宝负责了第3、4、6章的撰写。本书即将出版之际，感谢顾国华教授的章节统稿，和高航博士、赵耀博士、刘程威博士、匡小冬博士、黄熙燕硕士、吴骁斌硕士、钱佳硕士、潘科辰硕士在科研上的贡献及在文字校对、资料查阅等方面的工作。

由于编者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，恳请各位专家和广大读者批评指正。

陈 钱 隋修宝

2017年12月

光影的低语：感知世界的新维度 自人类文明诞生之初，我们就试图理解和描绘我们所处的这个世界。最初，我们依赖于肉眼所见的可见光，将其转化为文字、绘画、雕塑，记录下自然的美丽、生命的脉动，以及我们内心的情感。然而，可见光只是宇宙信息的一个小小窗口，潜藏在我们视线之外的世界，蕴藏着更为丰富、深刻的秘密。 想象一下，如果我们可以“看”到热量在流动，如果我们可以“听”到物体在发出微弱的能量信号，如果我们可以“触摸”到隐藏在物体表面之下的结构…… 这并非科幻小说的情节，而是我们正在逐步揭示的现实。本书并非旨在探讨红外成像的理论细节或技术实现，而是将目光投向更广阔的领域：如何利用超越可见光的信息，感知一个更深层、更丰富、更全面的世界。 我们将深入探索那些肉眼无法捕捉的“光影”，它们可能来自于我们周围环境的温度差异，可能来自于物体微妙的化学组成，可能来自于生物体散发的生命迹象，甚至可能来自于远古宇宙的遗迹。这些“光影”，如同大自然写下的无声诗篇，蕴含着关于物质、能量、生命乃至宇宙的深刻洞察。 一、 温度的地图：热力学世界的直观展现 我们每个人都在不断地散发热量，地球也在源源不断地释放能量，恒星更是炽热的能量之源。而这些热量，正是红外辐射最直接的体现。本书将带你领略如何将肉眼不可见的温度分布转化为一幅幅生动的数据地图。 生命体温的秘密： 想象一下，在寒冷的夜晚，你可以“看到”动物身体散发出的温暖，从而追踪它们的踪迹，理解它们的行为模式。在医疗领域，体温的异常变化常常是疾病的早期信号。通过非接触式的温度成像，我们可以早期发现炎症、肿瘤等病灶，为诊断和治疗提供重要的辅助信息。本书将描绘如何通过对体温分布的分析，揭示生命体征的微妙变化。 环境健康的“晴雨表”： 建筑物是否存在能量泄漏？管道内的介质温度是否正常？森林火灾的火苗在何处悄然滋长？工业设备的运行状态是否过热？从城市的热岛效应到农田的灌溉均匀性，从电力系统的损耗检测到地质活动的预警，温度的分布都提供了至关重要的线索。我们将探索如何利用温度信息，成为环境监测、能源管理和工业安全领域的“千里眼”。 宇宙的温热回响： 恒星的诞生与死亡，行星的形成与演化，星系间的碰撞与融合，都伴随着剧烈的能量释放，这些能量很多是以红外辐射的形式传递。即使是遥远的宇宙深处，那些曾经的“炽热”也留下了不可磨灭的“温热”印记。本书将引导你理解，如何通过分析宇宙深空的红外辐射，窥探宇宙的过去，理解它的现在，预测它的未来。 二、 物质的签名：成分分析与无损检测的无限可能 每一种物质，由于其分子结构和原子组成的不同，都会在特定的波段吸收或反射光线，而这种“吸收”或“反射”的特性，也同样存在于红外光谱中。这些“签名”如同物质的指纹，能够帮助我们识别它们，了解它们的性质，甚至分析它们的含量。 “闻”出化学成分： 想象一下，无需破坏样品，就能分辨出茶叶的种类、食品的成分、药物的真伪，甚至检测出空气中的污染物。本书将展现如何通过分析物质在红外光谱中的吸收或反射特性，实现对物质成分的精准识别和定量分析。这对于食品安全、药品监管、环境保护以及材料科学的研究都具有革命性的意义。 “透视”内部结构： 许多材料在可见光下看起来并无异常，但其内部可能存在裂纹、空隙或缺陷。红外成像能够穿透某些不透明的材料，显露出其内部的结构和瑕疵。例如，在文物保护领域，可以无损地检测古籍纸张的纤维结构、陶瓷的内部裂纹；在制造业中，可以检测涂层的均匀性、复合材料的内部粘合情况。本书将揭示如何利用红外“透视”的能力，实现对物体内部结构的深入了解。 生物识别的“暗码”： 我们的皮肤、组织和细胞在特定的红外波段也会表现出独特的反射和吸收特性。这些特性可能与个体的生理状态、遗传特征甚至情绪波动有关。本书将展望如何利用这些“暗码”，在非接触式生物识别、健康监测等方面开辟新的可能性。 三、 生命的律动：生物信号与生态监测的新视角 生命并非静止的画面，而是充满了持续的能量交换和微妙的信号传递。红外成像为我们提供了一种全新的方式来捕捉这些生命的律动。 生物活动的“足迹”： 无论是动物的体温变化，植物的光合作用效率，还是微生物的代谢活动，都伴随着能量的释放或吸收。本书将引导你思考，如何利用这些“足迹”，监测野生动物的栖息状态，评估农作物的生长健康，甚至研究微生物群落的生态动态。 生态环境的“呼吸”： 植被的健康状况、水体的污染程度、土壤的湿度变化，这些都可能在红外光谱中留下痕迹。通过对大范围区域的红外数据进行分析，我们可以描绘出生态系统的“健康地图”，及时发现环境问题，为生态保护和可持续发展提供科学依据。 人类健康与行为的“洞察”： 除了体温，人类在紧张、兴奋或放松时，皮肤的血流和汗液分泌也会发生细微变化，这些变化同样可能在红外影像中有所体现。本书将探讨如何利用这些非语言信号，在心理学研究、人机交互以及辅助诊断等领域，挖掘新的信息。 四、 跨越可见的界限：从遥感到微观的探索 红外成像的技术应用范围极为广泛，从浩瀚的宇宙到微观的分子世界，都因它而变得更加清晰。 遥感世界的“眼睛”： 从太空中观测地球，我们可以看到地表的温度分布，识别地质构造，监测气候变化，追踪自然灾害。本书将展现如何利用卫星和航空器的红外传感器，描绘我们星球的“热力图”，了解它的健康状况。 科学研究的“利器”： 在材料科学、化学、物理学、生物学等诸多领域，红外光谱和成像技术都是不可或缺的工具。从分析新材料的分子结构，到研究化学反应的动力学过程，再到观察细胞的代谢活动，红外技术为科学家们提供了前所未有的洞察力。 工业与民用的“触角”： 从电力设备的故障诊断，到食品的质量控制，从建筑的节能检测，到夜间的安全监控，红外技术已经渗透到我们生产生活的方方面面，默默地提升着效率、保障着安全。 本书并非一本枯燥的技术手册，而是一次关于“看见”的探索之旅。它旨在激发读者对于隐藏在可见光之外的世界的兴趣，引导大家思考如何运用这些非凡的“光影”信息，去更深入地理解自然，去更精准地监测环境，去更有效地保障生命，去更深刻地认识我们所处的美妙而复杂的宇宙。 让我们一起，打开这扇通往全新感知维度的大门，倾听光影的低语，发现那些肉眼无法触及的真相。

评分☆☆☆☆☆

这本书的案例分析部分是我最喜欢的部分之一。作者精选了多个来自不同领域的红外图像处理应用案例，涵盖了工业检测、医疗诊断、安防监控、以及环境监测等多个方面。每个案例都详细介绍了问题的背景、所面临的挑战、采用的技术手段以及最终的处理结果。这些案例不仅让我看到了理论知识在实际问题中的应用，也为我提供了解决类似问题的思路和方法。我尤其被书中关于“管道泄漏检测”的案例所吸引，书中展示了如何利用红外图像识别微小的温度异常，从而提前发现潜在的泄漏风险。这对于工业安全具有重大的意义。此外，书中关于“皮肤癌早期诊断”的案例也让我印象深刻，通过红外图像分析皮肤温度分布的细微变化，可以辅助医生进行早期诊断。这些鲜活的案例，让我觉得这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一本充满智慧的指南，能够启发我去思考如何在自己的工作中应用这些技术。

评分☆☆☆☆☆

从整体上看，这本书的结构安排非常合理。它从基础理论出发，逐步深入到各种处理技术，再到实际应用案例，形成了一个完整的知识体系。书中穿插的“思考题”和“扩展阅读”部分，更是鼓励读者主动思考和进一步探索，这对于培养独立解决问题的能力非常有益。我喜欢作者在每章结尾处对本章内容的总结，这有助于我巩固所学知识，并能快速回顾关键点。而且，书中排版清晰，图文并茂，阅读体验非常舒适。我曾遇到过一些需要查阅大量资料才能理解的概念，在这本书中，作者通过简洁的语言和直观的图示，将这些复杂的概念解释得明明白白。这本书的语言风格也非常独特，既有学术的严谨性，又不失人文的关怀。作者在讲解某些困难概念时，会用一些鼓励性的语言，让我感到非常温暖。我还会时不时地翻阅书中的附录，里面包含了一些常用的红外图像处理工具和数据集的介绍，这为我的进一步实践提供了便利。

评分☆☆☆☆☆

这本书在技术层面的深度和广度令人印象深刻。当读到图像增强部分时，我发现作者并没有局限于传统的灰度拉伸和直方图均衡化，而是引入了许多前沿的算法，例如基于小波变换的增强方法，以及针对特定噪声（如椒盐噪声、高斯噪声）的自适应滤波技术。书中对每种算法都给出了详细的数学模型和伪代码，并附有大量的实验结果对比图，直观地展示了不同算法在处理各种类型红外图像时的优劣。这对于我这样希望将理论付诸实践的读者来说，无疑是巨大的福音。我特别关注了书中关于“细节保持”的讨论，作者提出了几种能够有效抑制噪声同时保留图像细节的方法，这在我近期负责的一个项目中就遇到了实际问题，这本书的章节恰好提供了解决方案的思路。此外，书中还涉及了图像配准、目标识别、以及一些专门针对红外图像的挑战，如低对比度、模糊等问题的处理策略。作者在讲解这些复杂技术时，总是能化繁为简，将抽象的概念具体化，例如在介绍多光谱融合时，他用了一个形象的比喻，将不同光谱的信息比作不同视角观察同一物体，融合后能够获得更全面的信息。这让我对红外图像处理的应用潜力有了更深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

对于那些希望在红外图像处理领域进行深入研究的读者，这本书绝对是一份宝贵的参考资料。书中对于算法的推导和证明部分，虽然篇幅不小，但逻辑清晰，层次分明，对于有一定数学功底的读者来说，能够从中获得深刻的启示。我尤其欣赏作者在介绍一些经典算法时，不仅给出了其基本框架，还对其改进和演化进行了梳理，使得读者能够了解算法的发展脉络。例如，在讲解目标检测算法时，作者从早期的基于阈值的方法，到基于特征的方法，再到如今深度学习驱动的方法，都进行了详尽的论述，并分析了它们各自的优缺点。书中还包含了一些关于红外图像特征提取和选择的讨论，这些内容对于提升目标识别的准确性和鲁棒性至关重要。我曾困扰于如何从复杂的红外场景中提取有效的特征，而书中提供的多种特征提取方法，以及对不同场景下特征选择的建议，为我指明了方向。我还在书中看到了关于红外图像分类的章节，其中讨论了多种分类模型，以及如何处理类别不平衡等问题，这些都是我们在实际工作中经常会遇到的难题。

评分☆☆☆☆☆

作为一名刚刚接触红外图像处理的新手，我怀着忐忑又兴奋的心情翻开了这本书。起初，我担心理论部分会过于晦涩难懂，但作者的讲解却出乎意料地清晰易懂。他从红外成像的基本原理讲起，循序渐进地介绍了各种探测器的工作机制、红外辐射的特性以及不同波段的应用场景。即便对于像我这样没有深厚物理基础的读者，也能通过书中生动的图示和形象的比喻，快速掌握核心概念。比如，在解释热噪声的产生时，作者没有仅仅罗列公式，而是用了一个非常贴切的生活化场景来类比，让人一下子就明白了其内在逻辑。更让我惊喜的是，书中不仅讲解了“是什么”，还深入剖析了“为什么”。对于每个理论概念，作者都详细阐述了其背后的物理原理和数学推导，但同时又适时地提醒我们哪些是关键点，哪些是可以稍作了解的辅助信息，让学习效率大大提升。在阅读过程中，我不断地回想起自己以前接触过的其他图像处理书籍，与这本书相比，这本书的理论部分显得更加系统和严谨，而且在基础理论的讲解上，也更加注重与实际应用的结合，这一点对于初学者来说是极其宝贵的。我尤其喜欢其中关于红外光谱和热力学定律的介绍，这些内容为理解后续的图像增强和目标检测技术打下了坚实的基础。