對紅外成像開發理論和技術的全麵總結
本書是作者近二十年來對紅外成像開發理論和技術的全麵總結,是作者搜集瞭國內外*新研究成果,並在研究生講稿的基礎上改編的。本書分7章,主要內容包括:第1~2章介紹紅外探測器的成像原理;第3章介紹紅外成像的硬件係統設計;第4章介紹紅外圖像的非均勻性校正算法;第5章介紹紅外圖像的數字細節增強算法;第6章介紹紅外圖像的超分辨率處理技術;第7章介紹紅外成像係統的測試方法。 本書可作為高等學校光電等相關專業的基礎教材,也可供相關領域的工程技術人員學習、參考。
陳錢,教授,南京理工大學校長助理。美國光學學會會員,中國光學學會會員,江蘇省光學學會副會長,總裝光電火控組專傢。主持和參與國傢重大型號、專項、重點預研和基金等科研任務19項,獲國傢科技進步二等奬1項、省部級科技進步一、二等奬3項。獲教育部首屆優秀青年教師奬、江蘇省第六屆青年科技奬、江蘇省第三屆十大傑齣發明人和江蘇省青年科技創業十大明星提名奬,入選首批"新世紀百韆萬人纔工程”***人選,享受國務院政府特殊津貼。齣版專著一部,申請專利36項,授權13項,發錶學術論文100餘篇,56篇被SCI和EI收錄。
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 紅外輻射 1
1.1.1 引言 1
1.1.2 紅外輻射定律與特性 2
1.1.3 紅外輻射在大氣中的傳輸 3
1.1.4 紅外光學係統 4
1.2 熱成像技術 7
1.2.1 熱成像技術解決的基本問題 8
1.2.2 熱成像技術的作用與地位 8
1.2.3 熱成像技術的軍事應用 9
1.2.4 熱成像技術在國民經濟領域的應用 11
1.3 紅外探測器與熱成像技術的關係 12
第2章 紅外焦平麵陣列 14
2.1 紅外焦平麵陣列簡介 14
2.1.1 掃描型和凝視型紅外焦平麵陣列 14
2.1.2 紅外焦平麵陣列的結構 15
2.1.3 典型的紅外焦平麵陣列 15
2.2 熱絕緣結構的重要性 16
2.3 主要熱探測機理 19
2.3.1 熱電探測器和鐵電測輻射熱計 20
2.3.2 熱電耦探測器 22
2.3.3 電阻微測輻射熱計 23
2.3.4 電阻微測輻射熱計的模型 25
2.3.5 溫差電探測器 35
2.4 重要極限 36
2.4.1 溫度波動噪聲極限 36
2.4.2 背景波動噪聲極限 37
2.4.3 非製冷熱成像焦平麵陣列設計 40
2.5 非製冷凝視紅外焦平麵讀齣電路 41
2.5.1 紅外焦平麵陣列讀齣電路讀齣方式 42
2.5.2 非製冷紅外焦平麵陣列輸入電路 44
2.6 非製冷凝視紅外焦平麵成像模型 49
第3章 紅外成像電子係統設計 53
3.1 引言 53
3.2 低噪聲偏置電壓及高精度數字信號的實現 53
3.3 多次采樣濾波技術 63
3.4 紅外焦平麵自適應偏置電壓技術 65
3.5 係統構架搭建 69
3.5.1 Qsys平颱Avalon總綫和Nios處理器 69
3.5.2 基於Qsys平颱和Avalon總綫的係統架構 72
3.5.3 基於Qsys平颱和Avalon總綫的模塊算法實現 83
第4章 紅外圖像的非均勻性校正 96
4.1 非均勻性定義 96
4.2 非均勻性成因 97
4.3 常用的非均勻性校正方法 99
4.3.1 基於定標的非均勻性校正算法 99
4.3.2 基於場景的非均勻性校正算法 104
4.4 單幀非均勻性去條紋算法 116
4.4.1 基於邊緣灰度級共生矩陣條紋非均勻性校正方法 116
4.4.2 基於中間均衡直方圖條紋非均勻性校正方法 119
4.4.3 基於全變分的條紋非均勻性校正方法 120
4.4.4 基於相鄰灰度繼承的條紋非均勻性校正方法 123
4.4.5 基於自適應灰度調整的條紋非均勻性校正方法 126
4.4.6 基於常數先驗的條紋非均勻性校正方法 128
第5章 紅外圖像細節增強 131
5.1 紅外圖像細節增強的意義和概述 131
5.2 基於頻域和空域紅外圖像細節增強技術 132
5.3 基於雙邊濾波的紅外圖像細節增強技術 134
5.4 基於混閤濾波紅外圖像細節增強技術 137
5.5 基於傅裏葉變換的紅外圖像細節增強技術 139
5.6 基於直方圖的紅外圖像細節增強技術 141
5.6.1 基於梯度直方圖的紅外圖像細節增強技術 142
5.6.2 於自適應雙平颱直方圖均衡細節增強算法 143
5.7 新型紅外圖像細節增強技術 146
5.7.1 基於Retinex紅外圖像細節增強技術 146
5.7.2 基於小波的紅外圖像細節增強技術 148
5.7.3 基於模糊域理論的紅外圖像細節增強技術 150
第6章 紅外圖像的超分辨率處理技術 153
6.1 引言 153
6.2 非製冷凝視紅外焦平麵微掃描理論 153
6.2.1 微掃描成像的理論基礎 154
6.2.2 微掃描成像方案比較 161
6.2.3 改進的平闆光學元件微掃描方案及鍺片傾斜角度模型 165
6.3 微掃描成像技術的具體實現 170
6.3.1 紅外光學係統選取 171
6.3.2 微掃描器的設計 175
6.3.3 驅動電機的選取 182
6.4 圖像超分辨率重建算法 186
6.4.1 基於邊緣定位的多幀紅外微掃描圖像位移誤差補償 187
6.4.2 基於主結構分離的稀疏錶示單幀圖像超分辨率重建 193
6.4.3 基於流形正則協同支持的單幀圖像超分辨率重建 203
第7章 紅外成像係統的測試方法 211
7.1 紅外探測器參數測試方法 211
7.2 基於虛擬儀器的可視化多模式測試與仿真係統 212
7.2.1 虛擬儀器技術 212
7.2.2 基於虛擬儀器的可視化多模式測試與仿真係統組成 214
7.2.3 係統工作原理 216
7.3 凝視焦平麵探測器參數測試技術 217
7.3.1 凝視焦平麵探測器組件 217
7.3.2 凝視焦平麵探測器盲元測試技術研究 219
7.3.3 凝視焦平麵探測器非均勻性測試技術研究 229
7.4 紅外成像機芯測試方法 232
7.4.1 NETD噪聲等效溫差的測試 232
7.4.2 MRTD最小可分辨溫差的測試 233
7.4.3 MTF調製傳遞函數的測試 235
7.4.4 MDTD最小可探測溫差的測試 237
7.4.5 紅外整機性能測試 238
參考文獻 242
前 言
紅外成像是利用紅外探測器對目標輻射的能量進行探測並成像的光電成像技術,是一種將不可見的紅外光轉換為可見光的光譜轉換技術。由於其能夠探測目標主動發齣的能量,因此不需要陽光及星光的照射就能成像,是一種可以全天候、不分晝夜工作的被動成像技術,非常適用於夜間目標的觀測,因此,紅外成像技術最早在軍工領域獲得廣泛應用。
21世紀以來,紅外成像技術得到瞭長足發展,非製冷探測器的陣列規模從320×240一直發展到1024×1024,製冷探測器也從128×128發展到640×512規模以上,並成為穩定的貨架産品。非製冷探測器的NETD也從100mK發展到當前低至30mK的水平。尤其近5年來,國産紅外探測器的技術水平得到瞭很大提升,無論從探測器陣列規模,還是從NETD水平上來說,都逐漸縮小瞭與西方發達國傢的差距。尤其在國傢提高紅外成像係統國産化率的大背景下,國産紅外探測器在光電類武器裝備中發揮瞭越來越重大的作用。此外,隨著探測器工藝水平和材料生産技術的進步及我國國産化探測器的逐步成熟,紅外成像在民用領域獲得瞭廣泛的應用。由於紅外是對熱量成像,凡是對熱量敏感的場閤均有紅外成像應用的廣泛天地。比如紅外成像非接觸測溫,在2003年國傢防控非典查詢體溫過高人員時,起到瞭非常重要的作用。紅外還廣泛應用於汽車夜間輔助駕駛、紅外人體早期疾病篩查、紅外有毒氣體檢測、紅外電力係統非接觸故障檢測、紅外森林防火監控等領域。紅外成像技術的應用領域必然隨著紅外成像係統性能水平的提升和價格的下降,獲得更為廣泛的拓展。
然而,與可見光係統相比,紅外探測器的可靠性、性能穩定性均有極大差距,紅外探測器對微弱熱量進行探測的定位,決定瞭紅外探測器對噪聲極為敏感,且其性能受環境溫度影響極大。紅外探測器普遍具有的非均勻性又降低瞭係統的性能。上述因素都決定瞭紅外成像係統的技術開發門檻極高,而當前對紅外探測器成像理論、係統開發和算法研究的係統性指導圖書並不多見,這嚴重限製瞭我國紅外成像係統的大規模生産和廣泛應用。為促進我國紅外成像水平的整體提升,培養紅外探測領域的專門人纔,加快我國紅外成像技術在更多領域獲得廣泛應用,作者決定開始本書的編寫工作。
作者近二十年來一直從事紅外成像理論探測和開發,開發瞭大量國外非禁運和國産的製冷、非製冷探測器,對各種材料探測器的理論、性能非常瞭解,承擔瞭國傢和地方的多項紅外科研項目,並獲得國傢科技進步奬二等奬、教育部科技進步奬一等奬和國防技術發明奬等多個國傢級、省部級奬項。本書是作者近二十年來對紅外成像開發理論和技術的全麵總結,是作者搜集瞭國內外最新研究成果,並在研究生講稿的基礎上改編而成的。本書共分7章:第1~2章介紹紅外探測器的成像原理;第3章介紹紅外成像的硬件係統設計;第4章介紹紅外圖像的非均勻性校正算法;第5章介紹紅外圖像的數字細節增強算法;第6章介紹紅外圖像的超分辨率處理技術;第7章介紹紅外成像係統的測試方法。
本書由陳錢、隋修寶編著。其中,陳錢進行瞭章節的統籌規劃,並負責瞭第1、2、5、7章的撰寫,隋修寶負責瞭第3、4、6章的撰寫。本書即將齣版之際,感謝顧國華教授的章節統稿,和高航博士、趙耀博士、劉程威博士、匡小鼕博士、黃熙燕碩士、吳驍斌碩士、錢佳碩士、潘科辰碩士在科研上的貢獻及在文字校對、資料查閱等方麵的工作。
由於編者水平有限,書中難免存在一些缺點和錯誤,懇請各位專傢和廣大讀者批評指正。
陳 錢 隋修寶
2017年12月
對於那些希望在紅外圖像處理領域進行深入研究的讀者,這本書絕對是一份寶貴的參考資料。書中對於算法的推導和證明部分,雖然篇幅不小,但邏輯清晰,層次分明,對於有一定數學功底的讀者來說,能夠從中獲得深刻的啓示。我尤其欣賞作者在介紹一些經典算法時,不僅給齣瞭其基本框架,還對其改進和演化進行瞭梳理,使得讀者能夠瞭解算法的發展脈絡。例如,在講解目標檢測算法時,作者從早期的基於閾值的方法,到基於特徵的方法,再到如今深度學習驅動的方法,都進行瞭詳盡的論述,並分析瞭它們各自的優缺點。書中還包含瞭一些關於紅外圖像特徵提取和選擇的討論,這些內容對於提升目標識彆的準確性和魯棒性至關重要。我曾睏擾於如何從復雜的紅外場景中提取有效的特徵,而書中提供的多種特徵提取方法,以及對不同場景下特徵選擇的建議,為我指明瞭方嚮。我還在書中看到瞭關於紅外圖像分類的章節,其中討論瞭多種分類模型,以及如何處理類彆不平衡等問題,這些都是我們在實際工作中經常會遇到的難題。
評分這本書的案例分析部分是我最喜歡的部分之一。作者精選瞭多個來自不同領域的紅外圖像處理應用案例,涵蓋瞭工業檢測、醫療診斷、安防監控、以及環境監測等多個方麵。每個案例都詳細介紹瞭問題的背景、所麵臨的挑戰、采用的技術手段以及最終的處理結果。這些案例不僅讓我看到瞭理論知識在實際問題中的應用,也為我提供瞭解決類似問題的思路和方法。我尤其被書中關於“管道泄漏檢測”的案例所吸引,書中展示瞭如何利用紅外圖像識彆微小的溫度異常,從而提前發現潛在的泄漏風險。這對於工業安全具有重大的意義。此外,書中關於“皮膚癌早期診斷”的案例也讓我印象深刻,通過紅外圖像分析皮膚溫度分布的細微變化,可以輔助醫生進行早期診斷。這些鮮活的案例,讓我覺得這本書不僅僅是一本技術手冊,更像是一本充滿智慧的指南,能夠啓發我去思考如何在自己的工作中應用這些技術。
評分從整體上看,這本書的結構安排非常閤理。它從基礎理論齣發,逐步深入到各種處理技術,再到實際應用案例,形成瞭一個完整的知識體係。書中穿插的“思考題”和“擴展閱讀”部分,更是鼓勵讀者主動思考和進一步探索,這對於培養獨立解決問題的能力非常有益。我喜歡作者在每章結尾處對本章內容的總結,這有助於我鞏固所學知識,並能快速迴顧關鍵點。而且,書中排版清晰,圖文並茂,閱讀體驗非常舒適。我曾遇到過一些需要查閱大量資料纔能理解的概念,在這本書中,作者通過簡潔的語言和直觀的圖示,將這些復雜的概念解釋得明明白白。這本書的語言風格也非常獨特,既有學術的嚴謹性,又不失人文的關懷。作者在講解某些睏難概念時,會用一些鼓勵性的語言,讓我感到非常溫暖。我還會時不時地翻閱書中的附錄,裏麵包含瞭一些常用的紅外圖像處理工具和數據集的介紹,這為我的進一步實踐提供瞭便利。
評分這本書在技術層麵的深度和廣度令人印象深刻。當讀到圖像增強部分時,我發現作者並沒有局限於傳統的灰度拉伸和直方圖均衡化,而是引入瞭許多前沿的算法,例如基於小波變換的增強方法,以及針對特定噪聲(如椒鹽噪聲、高斯噪聲)的自適應濾波技術。書中對每種算法都給齣瞭詳細的數學模型和僞代碼,並附有大量的實驗結果對比圖,直觀地展示瞭不同算法在處理各種類型紅外圖像時的優劣。這對於我這樣希望將理論付諸實踐的讀者來說,無疑是巨大的福音。我特彆關注瞭書中關於“細節保持”的討論,作者提齣瞭幾種能夠有效抑製噪聲同時保留圖像細節的方法,這在我近期負責的一個項目中就遇到瞭實際問題,這本書的章節恰好提供瞭解決方案的思路。此外,書中還涉及瞭圖像配準、目標識彆、以及一些專門針對紅外圖像的挑戰,如低對比度、模糊等問題的處理策略。作者在講解這些復雜技術時,總是能化繁為簡,將抽象的概念具體化,例如在介紹多光譜融閤時,他用瞭一個形象的比喻,將不同光譜的信息比作不同視角觀察同一物體,融閤後能夠獲得更全麵的信息。這讓我對紅外圖像處理的應用潛力有瞭更深刻的認識。
評分作為一名剛剛接觸紅外圖像處理的新手,我懷著忐忑又興奮的心情翻開瞭這本書。起初,我擔心理論部分會過於晦澀難懂,但作者的講解卻齣乎意料地清晰易懂。他從紅外成像的基本原理講起,循序漸進地介紹瞭各種探測器的工作機製、紅外輻射的特性以及不同波段的應用場景。即便對於像我這樣沒有深厚物理基礎的讀者,也能通過書中生動的圖示和形象的比喻,快速掌握核心概念。比如,在解釋熱噪聲的産生時,作者沒有僅僅羅列公式,而是用瞭一個非常貼切的生活化場景來類比,讓人一下子就明白瞭其內在邏輯。更讓我驚喜的是,書中不僅講解瞭“是什麼”,還深入剖析瞭“為什麼”。對於每個理論概念,作者都詳細闡述瞭其背後的物理原理和數學推導,但同時又適時地提醒我們哪些是關鍵點,哪些是可以稍作瞭解的輔助信息,讓學習效率大大提升。在閱讀過程中,我不斷地迴想起自己以前接觸過的其他圖像處理書籍,與這本書相比,這本書的理論部分顯得更加係統和嚴謹,而且在基礎理論的講解上,也更加注重與實際應用的結閤,這一點對於初學者來說是極其寶貴的。我尤其喜歡其中關於紅外光譜和熱力學定律的介紹,這些內容為理解後續的圖像增強和目標檢測技術打下瞭堅實的基礎。
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