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红外与可见光的图像融合系统及应用研究

作　者: 张宝辉
导　师: 常本康; 钱芸生
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 图像融合红外图像可见光图像可见光CCD成像微光成像图像配准双目成像形态学滤波实时处理平行光轴
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

红外与可见光图像融合技术能够提取不同波段图像的特征,增强人们在探测或者检测领域对图像的认知和理解能力。因此,在军用和民用领域该技术都受到了广泛关注。本文以研制红外与可见光的图像融合系统为核心,对红外与可见光成像原理,图像融合算法,融合系统设计以及融合系统应用展开了相关研究。首先,研究了融合系统前端探测器成像理论,针对原有的320×240非制冷红外探测器分辨率较低的问题,重新以UL03041型非制冷探测器为成像原件,设计了具有384×288非制冷探测器驱动电路。在FPGA中设计了具有自动增益的红外增强算法,解决了红外图像非均匀校正后对比度低的问题。在此基础上完成系统软硬件调试,为之后的融合系统提供良好的红外成像平台。其次,针对常见的图像融合算法,融合后信息量过大,影响人眼对目标或者背景观察的缺点,提出了一种新的红外与可见光图像融合算法。算法的核心思想是利用人眼视野的特征,以高分辨率的可见光图像信息为背景,以红外图像的热敏感信息为目标,用改进的形态学滤波对红外图像进行预处理,除去红外图像中的冗余信息,将剩余的红外目标轮廓信息与可见光图像进行融合,并且利用人眼对红色与绿色目标较为敏感的特性进行彩色融合。实验表明,本文算法有效可行,相对于常见的小波以及金字塔算法具有较少的运行时间,在增强目标的同时兼顾图像背景等细节信息。然后,研制了具有红外、微光与可见光CCD的多源图像融合系统。采用平行光轴的双目成像原理设计了系统成像前端,计算了不同视场图像的成像视差和仿射变换需要的参数,采用双线性内插算法缩减了不同图像的差异,通过硬件查找表实现快速图像实时配准。系统通过光纤连接成像前端与后端操控显示部分,实现远距离图像融合控制。系统设计两种工作模式：白天红外与可见光CCD图像融合；夜晚红外与微光图像融合。并利用实验验证了系统的实用性。最后,针对融合系统在实际中的应用,以典型目标飞行弹丸为例,研究了可见光CCD与红外对弹丸的探测距离,针对目标在飞行过程中的表面温度变化,建立融合系统对目标的探测距离计算模型。结合弹丸的弹道学理论,分别给出融合系统在不同应用需求时,探测飞行弹丸的最佳理论位置。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1. 绪论  11-18
  1.1 红外与可见光融合的研究意义  11-12
  1.2 红外与可见光融合的研究现状  12-15
    1.2.1 国外研究状况  12-14
    1.2.2 国内研究状况  14
    1.2.3 国内外差距  14-15
  1.3 论文的主要工作以及章节安排  15-18
    1.3.1 本文研究思路与内容  15-17
    1.3.2 本文章节安排  17-18
2. 融合成像前端探测器研究  18-43
  2.1 引言  18
  2.2 可见光成像原理研究  18-23
    2.2.1 可见光CCD成像原理  18-20
    2.2.2 微光成像原理  20-23
  2.3 红外探测成像研究  23-32
    2.3.1 红外辐射原理  23-25
    2.3.2 UL03041型红外探测器  25-26
    2.3.3 非制冷红外成像驱动成像模块  26-27
    2.3.4 探测器电路驱动  27-30
    2.3.5 FPGA中工作流程  30-32
  2.4 红外自适应增益实现  32-36
  2.5 非制冷红外成像系统及实验结果  36-40
    2.5.1 红外电路及成像效果  36-38
    2.5.2 增强算法实验效果  38-40
  2.6 红外成像与可见光成像对比  40-42
  2.7 本章总结  42-43
3. 红外与可见光图像融合算法研究  43-60
  3.1 引言  43
  3.2 红外与可见光常见融合算法  43-47
    3.2.1 灰度融合算法  43-45
    3.2.2 彩色融合算法  45-47
  3.3 形态学图像处理  47-51
    3.3.1 二值形态学变换  48
    3.3.2 灰度形态学变换  48-49
    3.3.3 形态学运算  49-51
  3.4 改进的形态学图像融合算法  51-54
    3.4.1 人眼的视觉系统  51-52
    3.4.2 新top-hat变换红外图像预处理  52-53
    3.4.3 图像融合彩色算法  53-54
  3.5 新融合算法实验与评估  54-59
    3.5.1 图像融合实验灰度效果  54-56
    3.5.2 图像融合实验彩色效果  56-59
  3.6 本章总结  59-60
4. 红外与可见光图像融合系统研制  60-85
  4.1 引言  60
  4.2 红外与可见光融合系统整体结构  60-61
  4.3 系统前端探测系统研制  61-69
    4.3.1 基于双目成像的图像配准方法  61-67
    4.3.2 转台成像前端研制  67-69
  4.4 系统信息处理模块  69-73
    4.4.1 视频融合模块  69-71
    4.4.2 系统控制模块  71-73
    4.4.3 传输模块  73
  4.5 后端控制台  73-75
    4.5.1 控制台硬件  73-74
    4.5.2 控制台软件  74-75
  4.6 融合系统及实验结果  75-84
    4.6.1 红外与可见光融合系统  75-76
    4.6.2 系统配准实验  76-78
    4.6.3 系统融合成像实验  78-84
  4.7 本章总结  84-85
5. 融合系统对典型目标的探测应用研究  85-102
  5.1 引言  85
  5.2 系统对飞行弹丸的探测距离计算  85-94
    5.2.1 可见光CCD的探测距离  86-88
    5.2.2 红外探测距离研究  88-94
  5.3 仿真实验结果分析  94-100
    5.3.1 可见光CCD探测距离  94-96
    5.3.2 红外探测距离  96-99
    5.3.3 融合系统对弹丸的探测地点选取研究  99-100
  5.4 本章总结  100-102
6. 结束语  102-105
  6.1 本文工作总结  102-103
  6.2 本文创新点  103-104
  6.3 研究展望  104-105
致谢  105-106
参考文献  106-116
附录  116-117

红外与可见光的图像融合系统及应用研究

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