文章编号ｔ １６７２－８７８５（２００９）０７－００４５－０４ 一种改进的红外图像增强算法 李颖杰１，２ 杨 华 王宝荣 杨 明 （１．电子工程学院安徽省红外与低温等离子体重点实验室，安徽合肥２３００３７； ２．空军第五飞行学院，甘肃武威７３３００３） 摘 要：根据红外图像的特性，对通常的红外图像增强算法进行了比较分析，提出了一 种基于Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器的高频强调滤波并结合直方图均衡化的红外图像增强算 法．首先，利用Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器将图像分为高频分量和低频分量，然后使用高频 强调滤波对高频部分进行强调处理，最后，对图像直方图进行均衡化处理，得到增强 后的图像。实验结果表明，图像经过处理后突出了细节信息，改善了整体视觉效果，得 到的结果令人满意。 关键词：红外图像增强；Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器；高频强调滤波；直方图均衡化 中图分类号：ＴＮ９１１．７３ 文献标识码： Ａ Ａｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ＬＩ Ｙｉｎｇ－ｊｉｅ １，２ ＹＡＮＧ Ｈｕａ 。ＷＡＮＧ Ｂａｏ－ｒｏｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｍｉｎｇ ｆ１．Ｋｅｙ＂Ｌａｂ ｏｆＩｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐ／ａｓｍａ ｏｆＡｎｈｕｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｈｅ Ｆｉｆｔｈ Ｆ￣ｇｈｔ Ｃｏｆｌｅｇｅ ｏｆＡ／ｒ Ｆｏｒｃｅ，Ｗｕｗｅｉ ７３３００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｉｍａｇｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅｓ．Ａｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ａ Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ａｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｈｉ【ｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐａｒｔ ａｎｄ ａ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐａｒｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐａｒｔ ｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｆｉｌｔｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｉｎ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａｎ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｉｍａｇｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｉｍａｇｅ，ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ａｐｐａｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ；Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ；ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｆｉｌｔｅｒ； ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ １引言 图像增强不是以图像保真度为原则，而是通过 有选择地突出便于人或机器分析某些感兴趣的 红外图像呈现出分辨率低、对比度低、视觉 信息，抑制一些无用信息，以提高图像的使用价 效果模糊和信噪比低等缺陷【 。通过提高红外 值．本文提出了一种基于Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器 图像对比度来增强视觉效果，以利于后续工作， 的高频强调滤波并结合直方图均衡化的方法． 这已成为红外图像处理的一个重要内容．红外 该方法可增强红外图像的结构及细节，处理后 收稿日期ｔ ２００９－０１—１６ 作者简介ｔ李颖杰．（１９８３－），男，内蒙古呼和浩特市人，硕士研究生，研究方向为红外对抗及图像处理技术．Ｅ－ｍａｉｌ： ｌｉｙｉｎｇｊｉｅｅｅｉｐ￣ｓｉｎａ．ＣＯＩｌ２．ｃｎ ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３０，Ｎｏ．７，ＪＵＬＹ ２００９ 效果明显，更好地提高了红外图像的细节清晰 度。 式中，ａ为偏移量，ｂ为乘数，日（乱， ）是高通 滤波器的传递函数。 ２ Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器 由于图像中的边缘及急剧变化的部分与图 像的高频分量有关 因此利用高通滤波器衰减 ４直方图均衡化 ４．１功能与效果 直方图均衡化是将原始图像不均衡的直方 图变换成均匀分布的形式，即将输入图像转换为 在每一灰度级上都有相同的像素点数（即输出的 直方图是平坦的，其分布是均匀的）【引。直方图 图像信号的低频部分能相对增强图像的高频部 分，从而实现图像锐化的目的。常用的高通滤 波器有理想高通滤波器、Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波 器、高斯高通滤波器和梯形高通滤波器。在诸多 高通滤波器中，Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器没有“振 均衡化的结果是扩展了像元取值的动态范围， 从而达到增强图像整体对比度的效果。 ４．２原理与算法 图像的概率密度函数（ＰＤＦ，归一化到单位 面积的直方图）的定义为 ｐ（ ）：１Ｈ（ ） －０ 铃”现象，对低频部分的抑制效果更加明显，能 够提高图像的细节清晰度，所以，本文的算法采 用的是Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器 】。 设ｎ阶Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器的传递函数 如式（１）所示： 式中，Ｈ（ｘ）为直方图， 。为图像的面积。 １＋ｌ 打 Ｉ 式中 设转换前图像的概率密度函数为ｐｒ（ｒ），转 换后图像的概率密度函数为Ｐ （８），转换函数为 ８＝ｆ（ｒ）。由概率论可得 Ｄ（ｕ，ｕ）＝ｖ￣＋ｖ２ 。（２） ｐ。（ｓ） （ｒ） （５） 式中，Ｄ 为截止频率，ｎ为正整数。ｎ越大， 衰减速度就越大。当ｎ＝１时，没有振铃效应， 这样，如果想使转换后图像的概率密度函 数为１（直方图为平的），必须满足 ｐ （ｒ）＝ ｄ８ 等式两边对ｒ积分，可得 （６） 图像的细节和清晰度也得到了提升；ｎ越大， 振铃效应越明显。但是，当ｎ趋向无穷大时，它 就变成了理想高通滤波器。 ３高频强调滤波 高通滤波器削弱了傅里叶变换的低频，而 州∽＝ ㈤ 去 脚 （７） 该转换公式被视为图像的累计分布函数 （ＣＤＰ）。 上面的公式是归一化后推导出的，对于没 高频则保持相对不变，这样会突出图像的边缘 和细节，使得图像边缘更加清晰［ 。由于高通 滤波器偏离了直流项，从而把图像的平均值降 低到了零，但可以通过给高通滤波器加上一个 有归一化的情况，只要乘以最大灰度值（Ｄ…， 对于灰度图像就是２５５）即可。灰度均衡化的转 换式为 偏移量作为补偿，偏移量与滤波器乘以一个大 于１的常数相结合，这种方法就称为高频强调滤 波，该常数突出了高频部分。这个乘数同时增加 。。＝ ）＝百Ｄｍａｘ／ｏ ｄ （８） 对于离散图像，转换式为 了低频部分的幅度，但只要偏移量和乘数比较 小，低频增强的影响就弱于高频增强的影响。 设高频强调滤波器的传递函数为 Ｈｑ－，（ ＝百Ｄｍａ￣ ＤＡ 式中， 为第ｉ级灰度的像素个数【引。 （９） （ｕ， ）＝ｎ十ｂＨ（ｕ， ） （３） ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３０，Ｎｏ．７，ＪＵＬＹ ２００９ ５实验过程及结果分析 频部分引起的灰度级被保留了下来。最后再对高 ５．１红外图像的增强处理过程 频强调滤波后的图像进行直方图均衡化，得到 红外图像的增强处理过程如图１所示。 的结果如图５所示【 。 从图２可以看出实验中使用的原始图像的 ５．２改进前的处理方法及结果 灰度偏向于灰度级的暗端，图像略显模糊。我们 常用的一种方法是在使用Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通 使用二阶Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器对原始图像进 滤波器对原始图像进行滤波后，直接对高通滤 行滤波，让截止频率的值等于图像垂直尺寸的 波后的图像进行直方图均衡化，得到的结果如 １５％。只要Ｂｕｔｅｒｗｏｒｔｈ高通滤波器的半径不小到 图６所示。 使变换后原点附近的频率通过，滤波时就不会对 ５．３实验结果 Ｄ。的值敏感。 图３模糊地显示了图像的主要边 从实验结果可以看出，在使用高通滤波器 缘。再经过高频强调滤波处理，我们取ａ＝０．５， 进行滤波和对直方图进行均衡化后虽然增大了 ｂ：２．０，图４显示了处理后的效果，图像中由低 图像的对比度，但往往均衡化后的噪声比处理 输入 输出 Ｂｕｔｅｒ￣ｏｒｔｈ病通滤波器卜一—－．１惠频强调卜—－叫 直方髑均衡化 图１图像增强处理流程图 原始图像 经ｂｔｗ滤波后的图像 ■ 经图像ｂｔ灰ｗ度滤直波后方的图 图２原始图像 图３经ｂｔｗ滤波后图像 经商频强调滤波后的 直方图均衡化后的 图像豹灰度直方鬻 图像次度直方图 经商频强调滤 盥方图均衡 波后的图像 化后的圈像 ■ 图４高频强调后的图像 图５直方图均衡化后的图像 ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３０，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ ２００９ 商方圈均衡化后的 图像灰度直方嘲 强调滤波与直方图均衡化结合使用的方法使处 理后的图像更好地突出了细节信息，有效地增 直方圈均衡化 后的翻像 强了被保留下来的低频部分的灰度级，改善了 图像的整体视觉效果，得到的结果令人满意。 参考文献 【１］刘政清，邹继伟，张骏，等．红外图像的模糊域同 态增强［Ｊ］．激光与红外，２００７，３７（１）：８８－８９． 【２】张宏林． 精通Ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋数字图像处理典型算 法及实现（第２版）【Ｍ】．北京ｔ人民邮电出版社， ２００８． 图６用改进前的方法处理的图像 ［３王爱玲，叶明生，邓秋香．ＭＡＴＬＡＢ Ｒ２００７图 ３］像处理技术与应用［Ｍ］．北京，电子工业出版社， ２００８． 前更明显，这是因为均衡化没有区分有用信号和 噪声。当原图像中噪声较多时，噪声被增强，图 像中有用的低频细节信息不够突出。而把高频 ［４】汪志云，黄梦为，胡钋，等．基于直方图的图像增强 及其ＭＡＴＬＡＢ实现［Ｊ】．计算机工程与科学，２００６， ２８（２）：５４—５６． 本发明提供一种采用中波红外激光照明技术的远 红外激光照明成像系统 美国专利ＵＳ７５４１５８８ （２００９年６月２日授权） 距离红外成像系统，它可以用来对目标进行远距离识 别。该成像系统既可以制作成以主动照明单模式工作， 又可以制作成以主动／被动双模式工作． 本专利说明书共１５页，其中有８张插图． 厂 高编译 ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３０，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ ２００９
