基于自适应阈值算法的盲元标定

卢晓春+娄宇+黄嘉

【摘要】 受材料及制造工艺的影响，红外焦平面探测器均存在一定数量的盲元。并且随着时间的推移，盲元数量会增加。盲元过多会影响红外图像质量，进而影响探测性能。本文研究了一套专用盲元标定系统，采用双参考辐射源的基于滑动窗口的自适应阈值盲元检测算法，自动实现盲元位置检测和盲元位置数据烧写。经验证，该盲元标定系统能够高效、准确的检测出盲元，并进行盲元位置数据烧写，使用方便。

【关键词】 盲元检测 自动标定 检测算法

一、概述

随着技术的进步和成本的降低，红外焦平面探测器在国防和民用领域发挥着越来越重要的作用，然而受器件材料和制造工艺水平等因素的限制，红外焦平面阵列器件在使用和存储过程中不可避免地存在盲元，盲元是指响应过高或过低的探测单元，在图像中表现为过亮点、过暗点或闪烁点[1]。

某型探测器随着使用时间增加及多次应力筛选试验后，有盲元数量增加现象，盲元的数量和分布对红外图像的信噪比、图像质量产生很大的影响，如果盲元过多或者分布过于集中，将严重影响红外图像的视觉效果和探测性能，因此必须进行盲元检测。而现有的探测器盲元标定方法为手工标定法，设置好作为均匀背景的黑体温度，经探测器成像后人工观察图像上的白点或者黑点，并记下坐标位置。把坐标位置数据按要求烧写到探测器Flash芯片中。存储在Flash芯片中的盲元位置数据信息在探测器工作状态下由处理软件调用，进而实现探测器盲元响应信号的平滑替代。该方法虽然能够进行盲元标定，但需要人工参与仪器的设置、盲元位置的辨认，标定效率低，增加了成本和人为出错的可能。

为此本文设计了一套全自动的盲元标定系统，通过RS422通讯控制，实现面源黑体温度设置、探测器图像信息自动采集。利用双参考辐射源的基于滑动窗口的自适应阈值盲元检测算法，自动完成盲元位置计算和盲元位置的数据烧写，实现探测器盲元检测的自动化，提高了工作效率，降低人为出错的可能。

二、系统设计

2.1实现原理

盲元標定系统主要由两部分组成，分别是面源目标模拟器和主控单元。目标模拟器为温度可调的面源黑体，给探测器提供均匀的成像背景。主控单元用于目标模拟器温度控制、探测器图像数据采集、盲元位置计算、盲元数据烧录等盲元标定工作[2]，其测试原理见图1。

目标模拟器使用时固定在探测器前端，通过控制电缆与主控单元相连。主控单元通过RS422完成与供电供气单元的通讯和探测器的通讯，图像数据以LVDS格式进行传输。供电供气单元完成待标定的探测器的供电、供气。

2.2 主控单元

主控单元采用嵌入式计算机结构，主要由电源模块、嵌入式控制器、LVDS采集模块组成，组成示意图见图2。

电源模块分为+27V和+24V电源模块。其中+27V电源模块为嵌入式控制器、LVDS采集模块提供工作电源。+24V电源模块为盲元检测目标模拟器提供工作电源。

LVDS采集模块完成探测器图像数据采集工作。

嵌入式控制器通过USB2.0控制LVDS采集模块全程采集，并根据采集到的探测器图像数据，生成新增盲元的坐标数据。通过I/0接口设置探测器工作状态。通过RS422和探测器进行通讯，回读探测器Flash芯片中已有的盲元信息并存储，把回读的盲元信息和新增的盲元信息合并后，加载到探测器Flash芯片中。同时嵌入式控制器还实现对目标模拟器的温度控制。

2.3目标模拟器

目标模拟器为面源辐射源，辐射系数高，全波段辐射。通过控制电缆与主控单元相连，通过主控单元实现目标模拟器的供电、温度设置控制。温度控制器采用PID数字调节仪控温，控温精度高。工作温度范围为室温～150℃，温度稳定性好，升温速度快。

2.4软件设计

盲元标定软件由两部分组成，控制软件和标定软件。控制软件运行在供电供气单元中，标定软件运行在盲元标定系统中。盲元标定软件采用NI公司LabWindows/CVI工具进行开发，运行在Windows操作系统下，盲元标定软件的流程见图3。

标定软件运行在主控单元的计算机上，收到控制软件的任务开始指令后，按设定好的条件完成探测器图像数据的采集和存储，根据采集到的探测器图像数据，采用双参考辐射源的基于滑动窗口的自适应阈值盲元检测算法，生成新增盲元的坐标数据[3] [4]。此时标定软件向控制软件发送图像采集完成指令，供电供气单元停止向探测器供电。盲元检测完成以后，盲元标定系统自动通过I/O设置使探测器处于串行加载模式，供电供气单元给探测器重新上电。嵌入式控制器通过RS422通讯，获取探测器已有盲元的位置信息。将探测器已有的盲元信息和新增盲元信息重新排序组合，生成完整的盲元位置信息，并通过RS422发送到探测器Flash芯片中。标定软件按照既定的流程自动完成盲元位置检测、盲元位置写入，结束后向控制软件返回任务完成指令，供电供气单元停止对探测器供电、供气。

三、关键技术

3.1盲元检测流程

盲元标定流程分成两部分：盲元检测和盲元位置烧写。盲元检测用来获取新增盲元在探测器中的位置，盲元位置烧写是把盲元位置信息烧写到探测器Flash芯片。探测器工作时能够自动从Flash芯片中获取盲元位置信息，进行自适应处理。

盲元检测的流程如下，盲元标定系统通过RS422串口自动控制黑体设置黑体温度为T0，待探测器致冷好正常和黑体温度稳定以后，自动采集探测器图像数据并进行存储。然后设置黑体温度为T1，待黑体温度稳定后，采集探测器图像数据并进行存储。根据两个温度点采集的图像数据，采用双参考辐射源的基于滑动窗口的自适应阈值盲元检测算法，生成新增盲元的坐标数据。

3.2双参考辐射源的基于滑动窗口的自适应阈值盲元检测算法

目前盲元检测算法有很多，包括双参考辐射源现场自动检测和插值补偿，基于环境温度差异的盲元检测算法，基于“3σ”原则的盲元检测等[5] [6]。本文采用的双参考辐射源的基于滑动窗口的自适应阈值盲元检测算法基于“3σ”原则，针对实际使用的探测器的特点，对其进行改进，采用了“3.5σ”自适应阈值。由于“3.5σ”对原始图像直接进行检测容易造成全局漏判，局部过判。然而把“3.5σ”应用到图像的子区域中，就能够解决上述问题。选用滑动窗口机制，以某一个像元为中心，取一个（2n+1）×（2n+1）的窗口，通过求窗内像元的均值与标准差来判断该中心像元是否为盲元。

使用面源黑体作为双参考辐射源，提供两种具有灰度差的均匀背景。对于图像中心5×5区域内，采用像元变化响应率进行判断。对于图像中心5×5区域外，利用基于滑动窗口的“3.5σ”自适应阈值进行盲元检测。

经过理论分析和试验，当n为4时盲元检测精度最高。经过大量试验验证，该算法能够有效的检测出盲元，使探测器处于更加稳定的工作状态，有利于工程应用。算法具体实现步骤如下。

以（i，j）为中心进行加窗，并计算以（i，j）为中心像元时窗内像元均值ц（i，j）与标准差σ（i，j）；

计算中心像元灰度值與均值的偏差e（i，j）=|f（i，j）-ц（i，j）|；

判断e（i，j）是否大于3.5σ（i，j），如果是则判定为盲元，并记录当前的坐标（i，j），进入下一步，否则直接进入下一步；

计算图像中心5×5区域内的每个像元响应与图像中心9×9区域内响应均值的差与均值比，超出±15%，判断为盲元；

将窗口中心移动到下一个像元，返回a）步，直到中心像元扫描完所有像元。

其中阈值的计算公式如下所示。

式中：σ（i，j）是 中心坐标为（i，j）的窗口像元灰度标准差；

f（k，l）为窗内像元灰度值，其中k≠ i，l≠ j；

μ（i，j）为中心坐标（i，j）的窗口像元的灰度平均值。

四、结束语

该盲元标定系统采用双参考辐射源的基于滑动窗口的自适应阈值盲元算法，能够有效的检测盲元，实现了盲元的自动标定，提高了工作效率，具有良好的可靠性和安全性。已在某型探测器的盲元标定中进行了应用，系统工作稳定，可靠，能够高效、准确的实现红外焦平面阵列探测器的盲元检测和标定。

参 考 文 献

[1] 白俊奇，蒋怡亮 .红外焦平面阵列探测器盲元检测算法研究 红外技术. 2011年4月.

[2] 伍乾永，陈彬，基于FPGA的实时图像采集模块设计[J].微电子学，2008，38（3）：453-456.

[2] Boltar K O，Bovina L A Saginov L D， et al.IR imager based on a 128×128 HgCdTe staring focal arrays[C]// Proc.SPIE，1999，3819：92-95.

[4] Dieickx B， Meynants G.Missing pixels correction algorithm for imager sensors[C]//Proc. SPIE，1998，3410：200-203。

[5] 张熙宁. 一种改进的红外焦平面阵列盲元检测算法 激光与红外. 2010年10月.

[6] 顾国华. 基于滑动窗口与多帧补偿的自适应盲元检测与补偿算法. 红外技术 2010年7月.