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图像融合是指将 2 个或 2 个以上的传感器在同一时间 或不同时间获取的关于某个具体场景的图像或图像序列信 息加以综合, 以生成新的有关此场景解释的信息处理过 程 [1 ] 。红外与可见光图像融合则是在军事领域和安全监控 领域具有广泛应用的一种图像融合方式。红外图像一般较 暗、 信噪比低、 无彩色信息、 缺少层次感, 但却常有比较明显 的目标信息;可见光图像光谱信息丰富, 动态范围大, 对比度 相对较高, 包含丰富的细节信息, 但在黑暗背景下不易观 察 [2 ] 。通过对红外与可见光图像的融合, 提高红外目标的可 识别度和图像的清晰度, 获得更加详细准确的信息, 可以使 我们能在恶劣的环境下也能准确判断热源的位置, 在军事作 战、 电子产品检测、 资源探测等众多领域中都有广泛的实用 价值。
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摘要
摘 要
红外技术作为人类认识自然、探索自然的一种新的现代工具,已被各国普遍地应用
于生物、医学、地学等科学领域以及军事侦察方面。但由于目标的红外辐射十分复杂,
而且影响目标红外辐射的因素很多,红外热图像的清晰度远不如可视图像,而人们在利
用红外热图分析问题时,常常希望同时看到可见光信息与红外信息。作为计算机视觉领
域和图像理解的一项熏要的技术,图像融合为人们同时观察红外热信息与可见光信息提
供了一个有效的方法。本文的研究将主要以红外热图像与可见光图像为信息处理目标,
通过对各种图像融合处理方法进行对比分析,总结出一个效果较好,同时又能方便实现
的方法,并用C++来编制实现这个方法的程序,最后设计出一套图像融合系统。
文中首先介绍了图像融合技术的研究背景,描述了图像融合的基本概念、层次、应
用及国内外研究动态,阐述了对融合方法性能及融合图像效果进行主、客观评价相结合
的评测方法,并介绍了基于空域的图像融合,通过仿真实验证实了基于空域的图像融合
不能达到红外图像与可见光图像融合所要求的效果。
针对小波变换在信息分析与信息处理领域的良好性能,本文尝试用小波多分辨率分
析束进行红外图像与可见光图像的研究。
本文的第三章主要介绍了小波变换及其计算机的程序设计。在介绍了小波变换的基
本理论、多分辨率分析的思想后,着重介绍了小波变换的Mallat快速算法及第二代小波
算法,最后基于Mallat快速算法和第二代小波算法思想设计出一套可以快速进行图像的
小波变换的程序,并证实用它进行图像的小波变换和逆变换,有较好的效果。
本文第四章介绍了图像的拉普拉斯金字塔多分辨率分析和基于小波变换的图像融
合,并用实验证实基于小波变换的图像融合效果,对各种融合进行了对比分析。最后选
出基于小波变换的高频系数选大法和基于小波变换的高频系数区域能量选大法作为融
合系统的融合方法,并设计出一套图像融合系统,证实了这套系统具有较好的图像融合
效果。
在上述各点中,有两点是本文的创新点:
1.系统地分析了红外热图像与可见光图像的各种融合方法
通过仿真实验对红外热图像与可见光图像的各种融合方法进行了对比分析,最后总
结出“小波高频系数选大法与小波高频区域系数能量法”是适合于本研究所设计系统的
两种效果较好,并且实用的方法。
2.形成了~套完全基于c斗+的小波变换的图像融合系统
本系统具有运算时间较快,移植性较好的优点。
关键词:图像融合、小波变换、金字塔算法、多分辨率分析、融合规则、融合系统
Abs仃act
Abstract
Inffared
technology,a
new
tool
to
be
used
to
research
and
expIore
nature,haVe
been
cath01ically
applied
to
biology’medicine,geosdence,militaries
scouting
in
many
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But
infrared
the胁alimage
have
less
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visible
li曲t
imagc
and
people
usually
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including
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and
visible
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aIl
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science
field
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of
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research
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a
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and
a
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a
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on
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method,a
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which
is
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T1le
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and
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iIl
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A
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employed
in
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image
fIlsion
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research
the
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the
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In
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image
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we
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the
wavelet把姐sfoml
and
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we
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image
fIlsion
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and
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nlle
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and
the
maximum
selection
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of
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innovations
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t11e
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aIl
image
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was
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calculate
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have
goOd仃anspl姐tation
Key
Words:image
fusion,wavelet
transform,muni-r嬲olution
analysis,pyramid
algorithm,fIlsion
mk
lIlsion
systI舶
n
第一章绪论
1.1课题的提出及任务
第一章绪论
本课题是天津市自然科学基金项目“人体炎症诊断仪的研究与开发”(项目编号:
023617711)以及科技部中小型企业创新基金项目“OKCY型非制冷焦平面红外热像仪”
(项目编号:04C26221200012)研究中的一部分。旨在研究小波变换技术在图像融合和红
外热图中的应用,提高红外成像设备的质量。确切地说,是把小波变换技术应用于图像
融合中,对源图像进行分解和重构,进而使得到的融合图像的目标轮廓清晰、信息丰富、
更易于辨别,使人们在利用红外热图像对设备与产品进行无损检测、在线监测时,融合
可视图像便于观察的优点,从而增加红外成像设备的应用前景,为开发可进行融合显示
红外热像仪做准备。
本课题所研究的图像融合就是要充分利用了多源数据的互补性、计算机的高速运算
与智能处理、小波融合算法的优越性,将来自红外热像仪和可视ccD的图像进行综合
处理,从而提高图像的清晰度和目标的可识别程度。红外熟图与可视图像的融合使我们
更能准确地判断热源的位置,在军事作战、资源探测、电子产品检测以及物流仓储的货
物识别等领域都有很广泛的实用价值。
1.2国内外的研究状况【1】
1.2.1红外技术
红外技术是20世纪发展起来的新兴应用技术。近50年来,世界各国争相发展利用
红外线探测目标的技术,并将之应用于军事领域。近年来一些国家将其大规模推向民用
领域。在军事上,红外探测用于制导、火控跟踪、警戒、目标侦察、武器热瞄准器、舰
船导航、空降导航等。在准军事领域,可广泛应用于安全警戒、刑侦、森林防火和消防、
大气环境检测等方面。在民用领域,广泛应用于工业设备监控、安全监视、交通管理、
救灾、遥感以及医学热诊断技术等。红外技术正以前所未有的速度进入各个领域,红外
热检测在很多方面取代了常规的检测。我国红外技术进入民用领域起源于六十年代。六
十年代和七十年代东北和华东电力科研所研制出了红外测温仪。1979年以后,我国不
少企业认识到进行状态维修的优点,开始积累红外诊断技术,其中电力、石化、冶金等
部门在开发和应用红外诊断技术十分活跃,因为这些部门的关键设备,一旦发生事故,
不但经济损失巨大,还造成的人员伤亡,社会影响极大。1996年抚顺石化推出了HZB-1
红外诊断工程包,华北电力1997年开始实施华北电网供电设备红外检测诊断的制度及
方法。钢铁冶金工业,铁路交通也开始了红外诊断技术的应用。其它方砸如建筑,医学,
第一章绪论
红外技术的应用研究正在如火如荼的进行。2003年“非典”的爆发,红外热像仪发挥了
重要作用。
红外热像仪从20世纪60年代中期开始应用于民用领域,到现在这不到40年的时问
里,它的工作原理、结构性能都发生极大的变化。初期的光机扫描型(分液氨制冷、氩
气制冷、电制冷和不制冷),其不仅体积大.且重量也大;而现在的焦平面凝视型(制
冷和非制冷),除了体积和重量大大缩小外,成像质量也有了提高。而且多量子阱红外
焦平面探测器正处于研究当中圈。非制冷热成像系统以其低成本、体积小(见图卜1)和相
当好的性能而广泛用于军事领域和民用部门。这种高新技术产品正在成为一门极富诱惑
力的新技术产业。
图卜1手掌大小的红外热像仪
今后一段时间以及2l世纪初,红外热成像系统主要是在降低红外光学系统的质量和
成本以及提高uFPA(非制冷焦平面阵列)器件的灵敏度两大方面下功夫。人们正在探
索寻求轻、小、低成本的红外光学系统材料,力争有所突破创新。提高uFPA探测器的灵
敏度需要做以下工作:提高探测器的占空因数.改善探测器的热绝缘,降低读出电子噪
声,增加通过探测器的偏置电流和提高探测器材料的电阻温度系数(TcR)。
非制冷热成像技术有如下发展趋势例:
(1)国际化建立跨国大集团公司,使uFPA(非制冷焦平面阵列)及系统的研究、
开发、生产、营销和服务形成一条龙。这样做不仅大大加快新产品的开发周期和速度,
而且易于使新产品以最快的速度投放国际市场。
(2)成本低uFPA(非制冷焦平面阵列)及其成像系统的成本在逐渐降低。据分
析预测,F个世纪每台非制冷焦平面热像仪的价格完全有可能降至1,Ooo美元或更低。
这个价格比现在的制冷热成像系统低两个数量级。
o
(3)质量轻随着相关科学技术的发展和研制水平的提高,非制冷热像仪的外形尺
寸和质量还将进一步减小。
(4)可靠性高由于摒弃了制冷器和斩波器(对于微铡辐射热计uFPA),从而减少
了整个红外系统的复杂性,省去了许多维修工作,园此可显著提高系统的可靠性,延长
系统的使用寿命。
(5)用途广随着uFPA与成像系统的质量减轻,可靠性的提高以及成本大幅度下
降,高性能的非制冷热成像系统将取代所有一般性的制冷型熟成像系统并占领其市场。
与此同时,非制冷的红外成像产品的军用、民用范围将大大拓宽。
2
第一章绪论
红外热像仪的发展离不开计算机技术与信息技术的发展,专门的红外处理软件使得
红外热像仪的图像更加清晰、突出,使得图像处理功能丰富、快速、操作方便,还有可
能使红外成像系统具有完善的红外热图数据库管理功能和数据检测报告功能。网时,由
于网络技术的发展,红外热像仪由单机检测发展成为多机远距离在线实时监测。这些使
得红外热像仪的应用范围更加广泛。
1.2.2图像融合技术陶豳
图像融合技术是在兴起于70年代末的信息融合技术的基础上发展起来的图像处理
新技术16】【7】。图像融合在图像处理领域中属于图像增强的研究范畴【8J。图像增强是对图
像质量的一般意义上的改善,其目的是通过一系列技术去改善图像的视觉效果或将图像
转换成一种更适合于人眼观察或机器自动分析的形式。所以图像增强技术是用于改善图
像质量所采用的一种较为通用的方法。但图像增强方法还缺乏统一的理论,一些增强方
法往往带有针对性,以至于对某类图像效果较好的增强方法未必一定适用于另~类图
像。在实际应用中,要找出~种有效的方法常常必须经过广泛的实验和分析。图像增强
技术也经常用于改善图像中某种特征的可探测性,从而使人或计算机更容易识别和分
析。
图像融合是多传感器信息融合的可视信息部分的融合,是将多源信道所采集的关于
同一目标图像经过一定的图像处理,提取各自信道的信息,最后综合成统一图像或综合
图像特性以供观察或进一步处理。它是一门综合了传感器、图像处理、信号处理、显示、
计算机和人工智能等技术的现代高新技术。由于融合技术可以有效地利用不同输入信道
图像信息的互补性和冗余性【9】,因此融合图像比任何单一信道图像具更丰富的信息量,
更高的可靠性及更易于理解和判读。国际上,由于图像融合系统具有突出的探测优越性
(时空覆盖宽、目标分辨率与测量维数高、重构能力好、冗余性、互补性、时问优越性
及相对较低的成本等),在技术先进国家受到高度重视并已取得相当的进展。
这诸多方面的优点使得图像融合在医学、遥感、计算机视觉、气象预报、军事目标
探测与识别等方面应用潜力也得到了充分认识,尤其在计算机视觉方面,图像融合被认
为是克服目前某些难点的技术方向:在航天、航空多种运载平台上,多种遥感器所获得
的大量不同光谱、不同波段或不同时相、不同角度的遥感图像的融合,为信息的高效提
取提供良好的处理手段,取得明显效益f10J。
近二十年来,国际上在图像信息融合的不同层次上开展大量的模型与算法研究,提
出了各种系统形式。理论上对于图像融合方法的研究是取得了很大的进步,发展很快。
图像融合的方法较多,从最初最为简单的加权平均法,即将原图像对应像素的灰度值进
行加权平均,生成新的图像;然后出现了由Blln提出的Lapladall金字塔法【11】,比率低
通金字塔法,对比度金字塔法,梯度金字塔等融合方法【12】【”】。随着90年代小波变换在
图像处理中的广泛应用,小波变换技术也被成功地应用于图像融合,现在小波包技术在
图像融合上也有成功应用。目前,在探讨图像融合算法时,往往把几种技术并用来完成
对目标图像的融合,如基于统计特性的小波融合算法f12】,基予模糊数学的小波融合算法,
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