单通道双谱微光彩色夜视技术研究

论文摘要

彩色夜视技术利用不同光谱波段成像的差异性,获得自然场景的假彩色图像,能有效改善夜视系统的输出图像质量,从而显著提高系统的目标发现与识别概率,是当前国内外重点发展的关键技术之一。本文在分析总结微光与可见光、微光与红外、微光与紫外、微光与激光助视以及双谱微光等双通道假彩色夜视技术的基础上,创新性地提出一种基于帧间补偿的单通道双谱假彩色微光成像技术方案,使原本双通道彩色夜视技术中两个通道的作用只要单一通道加上前置光栅分谱滤光片便可以完成。本文的研究内容主要包括最佳匹配滤光技术、单通道双谱微光条纹图像拆分与补偿技术、单通道双谱微光图像融合与色空间映射技术以及单通道双谱假彩色微光夜视试验装置的建立与试验研究。基于帧间补偿的单通道双谱微光假彩色夜视技术是对双通道假彩色夜视理论与技术研究的进一步深化,是解决用单通道实现彩色微光成像问题的一种新的技术手段,单通道双谱微光假彩色夜视技术将在军事、航天、公安、气象等领域具有广泛的应用前景。在最佳匹配滤光技术方面,本文根据夜间自然辐射、目标和背景自身的辐射、反射的光谱特性,以及微光CCD摄像机光电阴极的光谱响应研究,探索最佳光谱分割点,设计光栅分谱滤光片。将光栅分谱滤光片置于像增强器光电阴极面前,对该单通道微光成像系统输出信号图像采集从而获得“短”波信息和“长”波信息交替的单通道双谱条纹微光图像。在单通道双谱微光图像拆分与补偿技术方面,本文研究景物实际成像后得到的初始“长”、“短”波间隔交替的条纹微光图像的谱分离与补偿重建技术。针对拆分后的双谱图像的补偿问题,设计了基于水平线的消噪补偿方法、基于灰度空间相关性的块分类补偿方法以及帧间补偿方法。对单通道双谱微光条纹图像拆分与补偿技术进行了仿真实验研究,结果表明,上述方法在单通道双谱假彩色微光系统中发挥了有效作用,达到了单通道双谱微光图像拆分及补偿的目的。在单通道双谱微光图像融合技术方面,本文在分析研究经单通道成像和拆分补偿得到的微光“长”波图像和微光“短”波图像特点的基础上,提出了适合于单通道双谱微光图像的融合方法:基于灰度空间相关性的融合方法以及小波分层融合方法。提出并研究了基于灰度空间相关性的融合图像效果评价方法,对融合图像进行了像质评价。将基于灰度空间相关性的融合方法、小波分层融合方法与原有的灰度调制法、谱域融合法以及特有成分融合法的融合结果进行了比较,该两种融合算法除了满足实时性的要求外,具有优于以往应用算法的评价结果,基于灰度空间相关性的改善度指标和经典指标具有一致的评价结果。在色空间映射技术方面,本文在分析研究NRL法、MIT法、TNO法以及Toet仿白昼法四种彩色夜视显示方法的基础上,对经过RGB通道映射后得到的假彩色图像进行了进一步的逼近白昼显示的调整,调整方法在HSI色空间分别根据亮度、色调、饱和度的空间相关性实现。在上述理论分析与方法研究的基础上,本文设计并加工制作了双谱光栅分谱滤光片,建立了基于帧间补偿的单通道双谱假彩色微光夜视试验装置,并进行了试验研究。本文详细阐述了系统的硬件设计、软件设计过程并给出系统实验结果。该单通道双谱微光假彩色夜视系统具有结构简单、实时性强且能提高目标识别概率的优点。本文是国家自然科学基金项目“基于帧间补偿的单通道彩色微光成像方法研究”(项目编号60572107)的部分研究工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 彩色夜视技术
• 1.1.1 彩色夜视技术的发展与现状
• 1.1.2 双谱微光彩色夜视技术
• 1.1.3 单通道双谱微光彩色夜视技术
• 1.2 本文工作及取得的研究成果
• 1.2.1 本文的研究工作
• 1.2.2 取得的研究成果
• 2 光谱匹配及滤光技术
• 2.1 微光成像系统特性分析
• 2.1.1 夜天光辐射及物体反射光谱特性
• 2.1.2 光电阴极的光谱响应
• 2.2 单通道双谱微光彩色夜视系统方案
• 2.3 最佳光谱匹配技术
• 2.4 系统薄膜设计与试制
• 2.5 实验与结果分析
• 2.6 本章小结
• 3 单通道双谱微光条纹图像拆分和补偿技术
• 3.1 单通道双谱微光条纹图像的特点分析
• 3.2 双谱微光条纹图像的拆分方法
• 3.3 常用的图像修补方法
• 3.3.1 基于偏微分方程的图像修补
• 3.3.2 基于整体变分的图像修补
• 3.3.3 基于水平集的图像修补
• 3.3.4 基于统计的图像修补
• 3.4 单通道双谱微光条纹图像的补偿方法
• 3.4.1 基于水平线的消噪补偿方法
• 3.4.2 基于灰度空间相关性的块分类补偿方法
• 3.4.3 帧间补偿方法
• 3.5 本章小结
• 4 单通道双谱微光图像融合技术
• 4.1 单通道系统不同波段的微光图像特点
• 4.1.1 微光图像的灰度直方图分析
• 4.1.2 微光图像的灰度空间相关性分析
• 4.2 已有的双谱微光图像融合方法
• 4.2.1 灰度调制法
• 4.2.2 谱域融合法
• 4.2.3 特有成分融合法
• 4.3 单通道双谱微光图像融合方法
• 4.3.1 基于灰度空间相关性的融合方法
• 4.3.2 小波分层融合法
• 4.4 融合图像效果的评价
• 4.4.1 主观评价
• 4.4.2 客观评价
• 4.4.3 基于灰度空间相关性的融合效果评价方法
• 4.4.4 融合图像评价结果
• 4.5 本章小结
• 5 系统的色空间映射技术
• 5.1 彩色显示模型
• 5.1.1 RGB模型
• 5.1.2 YUV模型
• 5.1.3 HSI模型
• 5.2 已有的夜视图像的彩色融合显示方法
• 5.2.1 NRL法
• 5.2.2 MIT法
• 5.2.3 TNO法
• 5.2.4 Toet的仿白昼法
• 5.2.5 实验与结果分析
• 5.3 基于HSI色空间调整的彩显方法
• 5.3.1 HSI分量空间相关性比较
• 5.3.2 HSI色空间调整
• 5.3.3 实验与结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 试验装置的建立与系统实验
• 6.1 系统的硬件设计与调试
• 6.1.1 系统工作过程
• 6.1.2 系统硬件组成
• 6.1.3 光栅分谱滤光片
• 6.1.4 数据处理电路设计
• 6.2 系统软件设计与调试
• 6.2.1 软件结构设计
• 6.2.2 系统软件工作流程
• 6.2.3 系统软件调试
• 6.3 实验与结果分析
• 6.4 本章小结
• 结语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的学术论文、专利与科研项目