ICCD微光图像处理及在图像融合中的应用研究

发布时间：2020-05-06 17:03

【摘要】：像增强技术作为改善人类视见能力的重要手段,具有增大视距、拓展视见灵敏度、延伸光谱响应范围等作用,近年来得到了迅猛的发展。像增强CCD(intensified charge-coupled device,ICCD)作为重要的数字化微光成像器件,具有纳秒级门控时间、高增益及非制冷等优点,广泛应用于高速摄影、夜视成像、安全监控、生物工程和医疗等领域,在微光成像领域具有无法取代的地位。ICCD由光阴极、微通道板(microchannel plate,MCP)和荧光屏构成的双近贴聚焦像增强器与CCD传感器耦合而成,输入光学图像由光阴极转换为电子图像并经过MCP进行电子倍增,倍增后电子图像聚焦到荧光屏上产生可见光图像,再通过光学纤维面板或中继透镜投射到CCD传感器上形成增强后的数字图像。与常规成像器件相比,ICCD结构复杂,信号传递链条中各个环节均对图像质量产生影响。其中,近贴空间中匀强电场的投射作用导致的弥散、MCP对电子倍增产生的统计起伏、CCD暗电流的时域累积及输入光学图像到输出数字化图像在空间量化过程的采样率等因素对图像质量的影响尤为关键。上述因素综合导致了ICCD微光图像中存在大量闪烁斑点,图像动态范围窄、对比度及空间分辨率低、难以获得清晰的结构特征和纹理信息,经过增强处理后才能有效完成特征提取、区域分割、目标检测和识别及图像融合等任务。为抑制弥散、消除MCP增益起伏和CCD暗电流影响、解决量化过程中的采样率不足等问题,提高ICCD微光图像的对比度及空间分辨率,增加图像融合过程中配准的准确率、丰富融合后图像的信息量,本文通过对ICCD成像信号传递链条中各个环节的工作机理和影响图像质量的关键因素进行深入分析与研究,提出了切实有效的解决方案,并有针对性地开展了以下研究工作:(1)对成像过程中环境照度、光学系统、光阴极、MCP、弥散、荧光屏、耦合方式、CCD传感器等环节对微光图像质量的影响及各环节对应的量化模型进行了深入分析,指出了成像积分时间内弥散的空域重叠效应和时域累积效应是导致微光图像对比度及空间分辨率低的关键因素,并且弥散无法通过经典的基于图像自身空域结构特征或时域相关性的增强方法进行消除,确定了对微光图像进行质量评价的典型客观方法。(2)针对弥散具有空域重叠和时域累积效应,通过对其产生机理、形成过程及分布特征进行深入研究,提出了对微光图像成像积分时间进行时域细分的思想。将微光图像的成像积分时间细分为微秒级间隔,在此间隔内拍摄的光子图像中,通道间弥散不存在时域和空域上的相互影响,为本文提出的微光图像增强算法和超分辨率重建算法奠定了基础。(3)通过分析光子图像中热像素、离子反馈等因素形成的伪光子斑点的空间及幅度分布特征,设计了基于分层切片光子筛选及弥散抑制的微光图像增强算法。根据投影面积比、圆形度及被切片次数等条件剔除了伪光子斑点;通过空间线性限制滤波对经过光子筛选后的光子图像进行弥散抑制;对积分时间内所有经过弥散抑制的光子图像进行时域累积获得增强后微光图像。与同类算法的32线对/毫米相比,增强后微光图像的限制空间分辨率达到36线对/毫米,显著提高了微光图像的对比度及实际空间分辨率。(4)针对ICCD微光图像实际空间分辨率远未达到理论限制分辨率这一状况,提出了成像积分时间自适应时域细分方法和基于约束光子筛选及可调加权定位的微光图像超分辨率重建算法,消除了弥散等因素的影响,解决了成像积分时间时域细分需要用户干预和质心定位算法在欠采样条件下难以实现精确定位等问题,进一步提高了微光图像的对比度及实际空间分辨率。积分时间自适应时域细分方法利用反馈控制系统实现了根据环境照度条件自动调整积分时间的细分间隔,满足弥散空域重叠和时域累积效应临界条件的同时,最大化该间隔,进一步提高了整个系统的性能。在空间量化采样率不足条件下,可调加权质心定位方法通过可调权重系数强调了输入光子图像对于获取入射光子在超分辨率重建后微光图像中的精确位置信息的主导地位,充分利用由入射光子产生的所有有效信号实现微光图像的超分辨率重建。重建后微光图像的极限分辨率由36线对/毫米提高到50线对/毫米,远超过经典超分辨率算法的42线对/毫米。(5)为解决微光与红外图像融合过程中配准特征少、准确率低,融合后图像信息不丰富、可供观察细节不足等缺陷,将本文提出算法重建后的超分辨率微光图像应用于图像融合过程。通过使用超分辨率微光图像参与融合,图像配准过程中准确率达到90%,远超过双三次插值算法的40%和SC算法的70%;融合后图像包含更多可供观察的细节信息,具有更丰富信息量并且与源图像具有更高的相似度。
【图文】：

结构示意图,神经信号,成像系统,转换工

第一章绪论景及研究意义像相关背景感知生产和生活中发挥着极其重要的作用，是人类认识和理解视觉系统接收环境目标反射的可见光谱来感知和理解世界责场景反射光的接收并完成从光刺激到神经信号的转换工神经信号进行处理和解释，因此可将人类视觉系统（作为成像系统来看待。 HVS 的光接收器，在结构和功能上与其他人造光学成像系统信号的接收和处理比人造成像系统更为复杂和精密。图 1意图。

密度分布,锥状细胞,杆状细胞,密度分布

图 1.2 锥状细胞与杆状细胞密度分布度条件达到 100 勒克斯（lux，lx）以上时，人眼才能焦像增强器的发展，由月光、星光、银河光和大气辉光等构成的夜天光为灵敏度、分辨率及光谱响应范围限制，需要利用光电技术和电真空技术将入射光学图像进行光电转换、增S 的视见能力。像增强是夜视技术的基础，其核心部件光电阴极、微通道板（micro-channel plate，MCP）P 进行电子倍增是双近贴聚焦像增强器的典型特征。通过转换并以一定概率激发出光生电子，通过 MCP 对电子屏引起荧光激发，最后通过目镜将荧光屏图像缩放到强器开始采用双近贴聚焦结构，通过 MCP 进行电子倍S-25 光阴极具有更高光谱响应范围，灵敏度达到 225 ~结构如图 1.3 所示。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN223;TP391.41

【参考文献】