红外测量图像自适应彩虹码伪彩色编码方法

第３４卷第４期　２０１１年１２月　长春理工大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．３４　ＮＯ．４　Ｄｅｌ２．２０１　１　红外测量图像自适应彩虹码伪彩色编码方法　李桂芝，贾峰，闫海鲲　（９２９４１部队９１分队，葫芦岛摘１２５０００）　要：由于空中目标测量图像灰度往往不均衡，采用传统彩虹码进行伪彩色变换时往往造成色彩分布极不均匀，整幅图　像仅仅显示一、二种颜色。基于此问题，本文根据测量图像灰度分布特性，利用自适应阈值理论，对传统彩虹编码进行改　造，提出了一种基于测量图像的自适应伪彩色编码方法。实验结果表明：变换后得到的伪彩色色彩丰富，完整地覆盖了全　部有效灰度范围，且算法具有较好的自适应性。　关键词：测量图像；彩虹码；伪彩色；自适应；最大类间法　中图分类号：ＴＰ３９１．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－９８７０（２０１１）０４－００３６－０４　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｐｓｅｕｄｏ。＿・。ｃｏｌｏｒ　Ｃｏｄｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｂａｓｅ　ｏｎ　Ｒａｉｎｂｏｗ－ｃｏｄｅ　ｆｏｒ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｉｍａｇｅ　ＬＩ　Ｇｕｉｚｈｉ，ＪＩＡ　Ｆｅｎｇ，ＹＡＮ　Ｈａｉｋｕｎ　（Ｕｎｉｔ　９２９４１　Ｅｌｅｍｅｎｔ　９１，Ｈｕｌｕｄａｏ　１２５０００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｇｒａｙ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ａｌｗａｙｓ　ｂａｌａｎｃｅｄ，ａｎｄ　ｉｔ　ｏｆｔｅｎ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ｕｎｅｖｅｎ　ｃｏｌｏｒ　ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ　ｂｙ　ｐｓｅｕｄｏ—ｃｏｌｏｒ　ｃｏｄｉｎｇ　ｂａｓｅ　ｏｎ　ｒａｉｎｂｏｗ—ｃｏｄｅ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｉｍａｇｅ　ｓｈｏｗｓ　ｏｎｌｙ　ｏｎｅ　ｏｒ　ｔｗｏ　ｃｏｌｏｒ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｅ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｄｅ　ｔｏ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｒａｉｎｂｏｗ，３１１　ａｄａｐａｔｉｖｅ　ｐｓｅｕｄｏ—ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ　ｐｓｅｕｄｏ—ｃｏｌｏｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｌｏｒｆｕｌ　ａｎｄ　ｉｔ　Ｃａｎ　ｃｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃ—　ｔｉｖｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｒａｎｇｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｍａｇｅ；　ｒａｉｎｂｏｗ－ｃｏｄｅ；ｐｓｅｕｄｏ－ｃｏｌｏｒ；　ａｄａｐｔｉｖｅ；ｏｔｓｕ　ｍｅｔｈｏｄ　人眼的视觉分辨率是指人眼在一定距离上能够　灰度分布往往很不均匀，常常集中到某几个区域，而　区分相近两点的能力，它与环境照度、物体运动速度、　传统彩虹编码的灰度区域是取固定的灰度值。因　对象相对对比度以及颜色类别等诸多因素有关ｎ　。　此，往往造成伪彩色图像分布极不均匀，整幅图像仅　对于一幅静态图像，颜色类别和对比度是影响视觉　仅显示一、二种颜色。而彩色图像中单色的分辨率　分辨率的两个主要因素。因此，将灰度测量图像变　远小于灰白色的分辨率，所以，导致形成的伪彩色还　换成伪彩色图像是一种非常有效的图像增强技术。　不如灰度图像的分辨率高。　针对这个问题，本文根据测量图像的灰度分布　目前，空域中的伪彩色变换方法主要有４种，即密度　分层法、灰度与彩色变换法、像素自身变换法、互补　特性，对传统彩虹码进行改造，并采用对灰度图像进　色编码法和连续颜色编码法。其中，灰度与彩色变　行多次求取阈值的方法，提出了自适应的彩虹码伪　　换法是比较常用的算法，它需要分别建立三个不同　彩色编码方法。（红、绿、蓝）的变换函数，然后将三个变换输出组合　成一幅伪彩色图像。对于测量图像来说，最为常用　的是彩虹码　。但是，在应用中发现：测量图像的　１传统彩虹编码在红外测量图像伪彩　色变换中的局限　收稿日期：２Ｏｌ１一Ｏ９—０ｇ　作者简介：李桂芝（１９６７一），女，硕士，高级工程师，主要从事光电测量技术研究与应用。　第四期　李桂芝，等：红外测量图像自适应彩虹码伪彩色编码方法　３７　颜色模式是指图像颜色的配色方式，其理论依　函数变换曲线如图ｌ所示，其中图１（ａ），（ｂ），　据是色度学中三基色原理　，即自然界中的大多数　（Ｃ）分别为红、绿、蓝三种基色的变换函数，而图ｌ　色光可以由红、绿、蓝三种色光按照不同的比例相配　（ｄ）是把三种变换画在同一张图上。　而成。同样绝大多数色光也可以分成红、绿、蓝三种　由图１（ａ）可见，低于９６的灰度级将映射为最　色光，即常用的是ＲＧＢ色彩空间。伪彩色编码是用　暗的红色，高于１２８的灰度级将映射为最亮的红　彩色来代替像素的灰度值，通过将每个灰度级匹配　色，而在９６和１２８之间的灰度级映射为由暗变亮成　到彩色空间的一点，把单色图像映射为一幅彩色图　线性变化的红色。同样，图１（ｂ）和图ｌ（Ｃ）分别表示　像上，其映射关系为：　绿色和蓝色的变化。从曲线中可以看出：传统彩虹　ｃ　，　＝（　［＿厂（　，　）］，　［厂（ｚ，　）］，　［　（　，　）］）　编码的第一个区域内色彩偏少，尤其２０级灰度以　（１）　下，没有色彩分布，而红外测量图像大部分背景像素　其中ｆ（ｘ，Ｙ）表示图像在（　，Ｙ）处像素的灰度　基本上都处于这个区域，无法得到变换。其次，由于　值；　，　，　分别为红、绿、蓝三色与灰度间的映　红外图像的低对比度，导致背景占绝大多数像素，按　射函数，反映像素从灰度到彩色映射关系。　人眼特性，应当变换为冷色，即蓝色。但蓝基色明显　Ｃ［ｆ（ｘ，　）ｌ表示像素点的颜色值，包括Ｒ，Ｇ，Ｂ三部　存在一个半区域的无色彩区域，因此，传统彩虹编码　分。　，Ｙ）点的色彩由Ｃ厂　，　）的值决定，传统彩虹　不适合红外测量图像伪彩色编码，必须进行改造。　码编码方法畸　如下：　另外，由于变换区域设为固定灰度值，这样，当灰度　Ｒ（　，　）＝｛ｆ【　２　５５［厂（　，０　０＜ｆ＜９６］　分布比较均匀时，其彩虹编码后的伪彩色分布比较　均衡。但是，当灰度分布不均时，其色彩分布将极为　２２）５５－９　６］／３２　９１２６＜ｆ＜１８匀　２２５５８｝Ｊ　　不均衡，大多数像素将局限于一、两种颜色。因此，　必须根据测量图像灰度的具体分布，在伪彩色变换　（２）　中自适应地设定灰度与彩色的映射范围。　０　０　｛＜３２　２改进的彩虹编码　２５５［ｆ（ｘ，　）一３２］／３２　３２　｛＜６４　Ｇ（ｘ，Ｙ）＝　２５５　６４　｛＜１２８　为使伪彩色图像能够准确反映红外图像中温度　２５５１１９２－ｆ（ｘ，ｙ）］／６４　１２８　ｆ＜１９２　的范围，且变换后的伪彩色图像更符合人的视觉习　２５５［ｆ（ｘ，　）一１９２］／６３　１９２　｛　２５５　惯，必须对传统彩虹编码进行以下改造，将灰度级低　的区设置在蓝色附近，灰度级高的区设置在红色附　（３）　近。具体的方法为：将灰度图像的灰度区域分为四个　２５５厂（ｚ，ｙ）／３２　０＜厂＜３２　Ｉ　部分，分别对应：低温物体ｋ。～ｋ　（蓝色），中低温　２５５　３２　＜６４　ｌ　物体ｋ】～ｋ２（绿色），中温物体ｋ２～ｋ３（黄色）和高　Ｂ（ｘ，Ｙ）＝　２５５［９６－ｆ　，ｙ）］／３２　６５　厂＜９６｝　温物体ｋ。～ｋ　（红色）。其红基色变换函数如下：　０　９６＜－厂＜１９２　ｌ　２５５［ｆ（ｘ，　）一１９２］／６３　１９２　２５５　Ｊ　Ｒ（ｘ，ｙ）：　）【　－ｋｏ）／（ｋ２－ｋｏ）　ｋ２＜‘＜，Ｊ，　ｚ｝（　５）　（４）　原变换函数在６３级灰度以前，红基色都为０。　Ｒ　（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）　图１传统彩虹编码的变换函数曲线　Ｆｉｇ－１　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｒａｉｎｂｏｗ—ｃｏｄｉｎｇ　３８　长春理工大学学报（自然科学版）　、　Ｇ　／　／　Ｂ　、Ｊａ　　Ｆ　２　ｇ　（ｂ）　（Ｃ）　（ｄ）　图２改造后彩虹编码的变换函数曲线　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｒａｉｎｂｏｗ—ｃｏｄｉｎｇ　但是，对于红外测量图像，由于目标亮度较大，往往　导致图像背景较暗，一般在十几灰度级之下。因此，　背景的红基色不能起作用，达不到反映物体温度的　同样原理，对于绿基色，经典变换函数只是作用到　由于测量图像主要是对测量目标进行处理，对　图像的整体显示效果要求并不高。因此，采用灰度　分割原理对图像进行二值分割，基本上可达到将目　并不一定完全准确，但是，一般可以做到高、低温区　作用，所以，本文变换函数将红基色扩展到０灰度。　标和背景划分到两个区域的目的。当然，实际分割　３２级灰度之后，背景内部仅仅依靠红基色并不能胜　域的划分。然后，分别对高、低温区域进行二次划　任细节的显示作用，因此，也必须将绿基色也扩展到　分，在高温区域进行灰度划分，可实现目标高温中心　０灰度。其变换函数如下：　（ｆ（ｘ）－－屉ｏ）／（　１一志ｏ）　ｋｏ　ｆ＜ｋｌ　ｌ　ｋｌ（厂＜ｋ２　Ｃｒ（Ｘ，Ｙ）＝　（ｋ３－ｆ（ｗ））／（ｋ３一ｋ２）　ｋｚ（厂＜ｋ３　（－厂（　）一ｋｇ／（ｋ４一ｋ３）　ｋ３－＜ｆ－＜ｋ４　和目标周围区域的划分。在低温区域进行划分，可　实现背景内容和背景的划分，这样，就可以将不同灰　（６）　度级自适应地对应到不同的伪彩色变换区域中。　３．２算法实现　对于蓝基色，本方法对经典变换函数改造较大，　首先，为了增强图像的低温显示特性，将蓝基色变换　采用最大类间方差算法　计算图像的二值化阈　值，它是由Ｏｔｓｕ在１９７９年提出的一种阈值选取方　法。基本思路是：选取最佳阈值，使得不同类间的分　曲线的起点提高一半，一方面提高背景的蓝基色，同　时，也抑制红、绿基色。其次，由于测量图像目标一　般较小，且灰度一般分布在２００级以后。所以，经典　变换函数中第二区域的部分和第三区域为０，显然　离性最好。该判决准则是基于灰度直方图的一阶统　计特性，运算速度快。　设图像厂中，灰度值为ｉ的像素的数目是　，，　Ｌ　不能反映背景的信息。因此，本文方法将一、三区域　图像的灰度等级为Ｌ。总像素数为：Ｎ＝　卵　，各　的蓝基色曲线交点，设在第二区域中心。其变换函　灰度出现的概率为：Ｐ　＝　ｔｔｉ。　数如下：　２＊（－厂（　）一ｋｏ）　（ｋｌ—ｋ０）＋０．５　Ｂ（ｘ，Ｙ）　ｋｏ＜ｆ＜ｋｌ　设以灰度ｋ为门限将图像分成两个区域，灰度　为１～ｋ的像素属于前景区域，记为Ａ，灰度为ｋ＋　１～Ｉ　的像素属于背景区域，记为Ｂ，则区域Ａ和区　ｋ　Ｉ，　ｋ２＋（志３一ｋ￣）／２＿厂（１ｚ）　ｋ２＋（尼３一ｋ　２）／２一ｋｌ　＿厂（　）一（是一（ｋ３一＠／２）　域Ｂ的概率分别为：６０Ａ—　Ｐ　，６０Ｂ＝　ｋ３一　酉　Ｐ　，为　ｚ　＿＋　简便起见，定义区域Ａ和区域Ｂ的平均灰度为：　（７）　＝　，　ｋ　灰度函数变换曲线如图２所示，其中图２（ａ）、　（ｂ）、（ｃ）分别为红、绿、蓝三种变换函数，而图２（ｄ）是　把三种变换画在同一张图上．　ｅ　￣ＯＡ　几Ｐ　　∑（　×　）ｚ＝　（８）　１　ｆ，　（ｉｘＰ　）　『　ｉ＝ｌ　（９）　３自适应编码原理　３．１灰度区域自适应分割原理　其中，　为图像　的平均灰度，　＝∑（ｚ×ｐ　）一　Ａ　Ａ＋　Ｂ　Ｂ，则前景区域Ａ和背景区域Ｂ的类间　３２　长春理工大学学报（自然科学版）　２０１１芷　图６　Ｆ＝ＩＯ不考虑次镜遮拦影响的　图７　Ｆ＝１０考虑次镜遮拦影响的　光学传递函数　Ｆｉｇ．７　ＭＴＦ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　图８　Ｆ＝ＩＯ点列图　Ｆｉｇ．８　Ｓｐｏｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　Ｆ＝ＩＯ　光学传递函数　Ｆｉｇ．６　ＭＴＦ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｆ＝ＩＯ　ｆ　ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｏｎ　ｆｏｒ　Ｆ＝Ｉ　Ｏ　讨［Ｊ］．红外与激光工程，２００５，３４（５）：５６０－－５６３．　数影响还是较大的，所以在设计过程中需要综合考　２］潘君骅．光学非球面的设计、／Ｊｕｒａ与检验［Ｍ］．苏州大学　虑其对像质产生的影响，从而对中心遮拦进行合理　［的选择。由图３一图８可以看出综合这些因素，改进　光学系统的传递函数和点列图均与衍射极限非常接　近，达到了很好的设计效果。　出版社，２００４：２２－２６．　［３］　王治乐，张伟，龙夫年．衍射受限光学合成孔径成像系　统像质评价［Ｊ］．光学学报，２００５，２５（１）：３５－３９．　１４ｊ　Ｓｔａｍｎｅｓ　Ｊ　Ｊ．Ｈｅｉｅｒ　Ｈ，Ｌｊｕｎｇｇｒｅｎ　Ｓ．Ｅｎｃｉｒｃｌｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｆｏｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　ｃｅｎｔｒａｌｌｙ　ｏｂｓｃｕｒｅｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒｐｕｌａｉｌｓ．　４结论　本文在经典的反射式卡塞格林光学系统的基础　上提出了三种改进型结构形式，分别适用于不同口　径场合。可以分别实现将非球面改为球面镜代替，　降低加工的难度与成本，增大所能承担的视场等优　点。通过对改进型的光学系统的分析，可以看出改　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９８２，２１（９）：１６２８－１６３３．　［５］刘铁安－△理地选取双反射光学系统的遮拦比［Ｊ］组外　与激光工程，１９９７，２６（１）：４５－５０．　［６］刘智颖．基于环形衍射理论的反射式光学系统研［Ｊ］．光　子学报，２００９，３８（９）：２２６５—２２６９．　［７］康玉思．Ｃｏｏｋ结构补偿镜的球面折反型望远系统［ｎ　光学精密工程，２００７，１５（３）：３０３－３０７．　进后光学系统的像质与衍射极限非常接近。　参考文献　［１］张玉侠，艾勇．基于空间光通信卡塞格林天线弊端的探　［８］　袁健男，付跃刚，郭俊，等．改进型卡塞格林望远光学系　统的优化设计［Ｊ］．长春理工大学学报：自然科学版，　２０１０，３３（３）：８—１Ｏ．　（上接第３９页）　５　结论　修改后的彩虹编码，能够较好地适应红外测量　土ＣＴ图像分析中的应用［Ｊ］．岩石力学与工程学报，　２００４，２３（４）：２２５７—２２６１．　［３］Ｃｏｘ　Ｉ　Ｊ，ＫｉＬｉａｎ　Ｊ，Ｌｅｉｇｈｔｏｎ，ｅｔ　ａ１．Ｓｅｃｕｒｅ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃ－　ｔｒｕｍ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ｔｒａｎｓａｃ－　ｔｉｏｎ　ｏｎ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９７，６（１２）：１６７３－１６８７．　图像的灰度分布特性。同时，提出了自适应选取变　化区间的方法，较好地解决了测量图像灰度分布不　均衡对伪彩色编码的限制。实验证明：本文方法对　图像中目标边缘有很好的增强效果，能够突出细节，　具有较高的分辨率和良好视觉特性。　参考文献　ｆ　［４］　张丽，志强．色彩调和理论在辐射成像的伪彩色处理中　的应用［Ｊ］．核电子学与探测技术，２０００，２０（５）：　２３３—２３５．　［５］刘缠牢，谭立勋，李春燕，等．红外图像伪彩色编码和处　理［Ｊ］．应用光学，２００６，２７（５）：４１９－－４２２．　［６］　Ｏｔｓｕ　Ｎ．Ａ　Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｒｏｍ　ｇｒａｙ－　ｌｅｖｅｌ　ｈｉｓｔｏｇｒａｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ＳＭＣ，１９７９，９（１）：　６２—６６．　［１］　赵荣椿．数字图像处理导论［Ｍ］．西安：西北工业大学出　版社，１９９５．　［２］　范留明，李宁，丁卫华．数字图像伪彩色增强方法在岩