一種獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法
【專利摘要】公開了一種獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法，包括：S1、獲取第一天氣條件下的航拍紅外圖像，并確定所述航拍紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的紅外輻射亮度值L1；S2、根據(jù)MODTRAN仿真模型計(jì)算單一地物背景在所述航拍高度的輻射亮度，包括：第一天氣條件下的輻射亮度M1、第二天氣條件下的輻射亮度M2；S3、根據(jù)M1、M2生成不同天氣條件下的紅外圖像的轉(zhuǎn)換系數(shù)R；S4、根據(jù)L1、R計(jì)算第二天氣條件下的紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的紅外亮度值L2。本發(fā)明規(guī)避了對不同地物類型的分類識別，也避免了因地表反射率和溫度不確定造成的計(jì)算誤差，提高了計(jì)算速度。
【專利說明】
一種獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及目標(biāo)、環(huán)境仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種獲取不同天氣條件下的紅外圖像 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了逼真展現(xiàn)從空中獲得的地物背景紅外圖像，常常使用飛機(jī)裝載紅外相機(jī)從空 中進(jìn)行拍攝。在地物背景紅外圖像中，圖像的亮度信號包含了地物和大氣輻射的綜合效果， 可表示為L = Latm+Lsc；at+tLearth+tLp。其中，t為大氣透過率，L ate代表大氣的自身輻射，Lsc；at代 表大氣氣體分子和氣溶膠粒子散射福射，Uarth代表地面熱福射，Lp代表地面反射福射。按照 福射的產(chǎn)生源，我們可以將Utm和L sc；at合并成和大氣有關(guān)的福射項(xiàng)Ll，將Uarth和Lp合并成和 地物類型有關(guān)的地物輻射項(xiàng)L2。因此，圖像的亮度信號又可表示為LiU+Ls，即圖像信號反 映的信息來自大氣輻射和地物輻射兩部分。
[0003] 通常情況下，可見光圖像受天氣條件的影響很小，而紅外圖像對天氣條件的變化 很敏感。比如，面對同樣的地物背景，當(dāng)空氣溫度或濕度變化后，其紅外圖像會有明顯的不 同。由于天氣條件在時(shí)刻改變，因此要想取得不同天氣條件下的紅外圖像就要進(jìn)行多次航 拍。但是，進(jìn)行多次航拍所需的費(fèi)用和時(shí)間成本非常高，因此往往難以實(shí)現(xiàn)。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中，主要是通過仿真手段獲得不同天氣條件下的地物背景紅外圖像。 一種較為常規(guī)的方法是利用仿真軟件計(jì)算每種天氣條件下的在該方法中，需要預(yù)先 確定空氣溫度、濕度、壓力等氣象參數(shù)，以及地物類型及其反射率、地表溫度等參數(shù)。而這些 參數(shù)往往是由計(jì)算者根據(jù)自身掌握的知識主觀設(shè)定的。由于該方法過多的依賴人為設(shè)想， 因此不適于構(gòu)建復(fù)雜地物背景的紅外圖像。還有一種方法是預(yù)先獲取感興趣地區(qū)的地物背 景紅外圖像，再通過用儀器測量或者反演計(jì)算的方式得到真實(shí)地表的反射率和溫度等參 數(shù)，然后按照紅外圖像上的地物背景的位置進(jìn)行一一對應(yīng)，從而計(jì)算得到不同天氣條件下 的紅外圖像。該方法以真實(shí)地物背景紅外圖像作參照，符合復(fù)雜地物背景的特點(diǎn)。但是，在 某些情況下該方法的實(shí)現(xiàn)較為困難。比如，對于人員設(shè)備無法到達(dá)的地區(qū)，通過儀器測量地 表參數(shù)將難以實(shí)現(xiàn)。而反演算法不統(tǒng)一、反演精度不確定。另外，由于反演前需要對真實(shí)地 物背景紅外圖像上的各種地物背景進(jìn)行識別、分割，因此，增加了該方法的計(jì)算量和計(jì)算難 度，增大了計(jì)算誤差。
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，亟需一種能快速獲取不同天氣條件下的地物背景紅外圖像 的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種能獲取不同天氣條件下的地物背景紅外圖像構(gòu)建的 方法，以減小計(jì)算量、提高計(jì)算速度。
[0007] 本發(fā)明提供了一種航拍紅外圖像在不同天氣條件下的轉(zhuǎn)換方法，包括:S1、獲取第 一天氣條件下的航拍紅外圖像，并確定所述航拍紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的紅外輻射亮 度值LI;
[0008] S2、根據(jù)大氣輻射傳輸模型計(jì)算單一地物背景在航拍高度處的輻射亮度，包括:第 一天氣條件下的輻射亮度Ml、第二天氣條件下的輻射亮度M2;
[0009] S3、根據(jù)Ml、M2生成不同天氣條件下的紅外圖像之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)R，
[0011] S4、根據(jù)L1、R計(jì)算第二天氣條件下的紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的紅外輻射亮度 值 L2，L2 = L1XR0
[0012]優(yōu)選的，所述單一地物背景為絕對黑體。
[0013]優(yōu)選的，所述航拍紅外圖像的波段為8~12mi。
[0014]優(yōu)選的，所述大氣傳輸模型為M0DTRAN模型。
[0015]優(yōu)選的，第一天氣條件為M0DTRAN軟件中的標(biāo)準(zhǔn)大氣模式。
[0016]優(yōu)選的，第二天氣條件為M0DTRAN軟件中的中煒度夏季大氣模式。
[0017]優(yōu)選的，第二天氣條件為M0DTRAN軟件中的中煒度冬季大氣模式。
[0018]優(yōu)選的，所述航拍高度滿足:h = 1600m。
[0019] 在本發(fā)明的技術(shù)方案中，基于實(shí)測的航拍紅外圖像進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換和仿真，符合復(fù) 雜地物背景紅外圖像的構(gòu)建要求;通過建立不同天氣條件下的紅外圖像之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)， 對實(shí)測的航拍紅外圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到了不同天氣條件下的紅外圖像。本發(fā)明規(guī)避了不同 地物類型的分類識別環(huán)節(jié)，避免了因地表反射率和溫度不確定帶來的計(jì)算誤差，而且提高 了計(jì)算速度。
【附圖說明】
[0020] 通過以下參照附圖而提供的【具體實(shí)施方式】部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加 容易理解，在附圖中：
[0021] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法流程圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中獲取的不同天氣條件下的紅外圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對示例性實(shí)施方式的描 述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。
[0024] 在現(xiàn)有技術(shù)中，主要存在兩種獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法。在第一種 方法中，其輸入?yún)?shù)的確定過多依賴人為設(shè)想，不適合復(fù)雜地物背景紅外圖像的構(gòu)建。在第 二種方法中，雖然以實(shí)測紅外圖像作參照，符合復(fù)雜地物背景的特點(diǎn)，但是在某些情況下很 難實(shí)現(xiàn)。
[0025] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種快速獲取不同天氣條件下的紅外圖像的 方法。本申請的發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)：（1)雖然不同類型的地物背景反映在對紅外圖像上的 信號強(qiáng)度的絕對值不同，但是其隨天氣條件的變化規(guī)律近似相同；（2)天氣對紅外圖像的影 響較大；（3)雖然不同類型的地物背景的輻射值不同，但是其隨高度的變化規(guī)律相同。根據(jù) 上述研究結(jié)果，本發(fā)明的
【申請人】提出了一種獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法。本發(fā) 明的主要思路是，通過計(jì)算不同天氣條件下的地物背景輻射亮度值，構(gòu)建不同天氣條件下 的紅外圖像之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，再對實(shí)測的航拍紅外圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以得到其他條件下的紅 外圖像。
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。從圖1可見，本發(fā)明實(shí)施 例的獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法包括：
[0027] 步驟S1、獲取第一天氣條件下的航拍紅外圖像，并確定所述航拍紅外圖像上每個(gè) 像素點(diǎn)對應(yīng)的紅外輻射亮度值L1;其中，所述航拍紅外圖像的航拍高度為h。
[0028] 具體的，在步驟S1中，我們可在第一天氣條件下通過機(jī)載相機(jī)對某一區(qū)域進(jìn)行拍 攝以獲取航拍紅外圖像。而且，我們還要對航拍條件進(jìn)行記錄，比如飛機(jī)飛行高度、天氣陰/ 晴情況、大氣能見度、空氣溫度、空氣濕度等。較佳的，航拍紅外圖像的波段為8~12wii。在本 發(fā)明實(shí)施例中，我們選取了九月份的一個(gè)晴天進(jìn)行拍攝，航拍高度h為1600米。一般的，航拍 紅外圖像在經(jīng)過數(shù)字化處理后得到的是每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，也稱DN值。因此，我們需要根 據(jù)定標(biāo)數(shù)據(jù)將每個(gè)像素點(diǎn)的DN值轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的紅外輻射亮度值L1。
[0029] 步驟S2、根據(jù)大氣輻射傳輸模型計(jì)算單一地物背景在所述航拍高度的輻射亮度， 包括:第一天氣條件下的輻射亮度M1、第二天氣條件下的輻射亮度M2。
[0030] 在本發(fā)明實(shí)施例中，我們選用M0DTRAN軟件中的大氣輻射傳輸模型，即M0DTRAN模 型來計(jì)算地物背景的輻射亮度。M0DTRAN軟件是一種國內(nèi)外普遍使用的大氣輻射傳輸計(jì)算 軟件，能夠用于模擬計(jì)算各種天氣條件下對地觀測的地物背景輻射亮度。M0DTRAN軟件有四 種運(yùn)行模式，包括:透過率、熱輻射亮度、有散射輻亮度、太陽直射照度。在本發(fā)明實(shí)施例中， 我們可選取熱輻射亮度運(yùn)行模式。然后，我們可通過在M0DTRAN軟件中設(shè)置輸入?yún)?shù)，比如 溫度、能見度、濕度、高度、反射率等，來計(jì)算地物背景輻射亮度。關(guān)于M0DTRAN軟件的具體使 用方法屬于本領(lǐng)域的公知常識，因此在此不再贅述。
[0031]在步驟S2中，我們無需對地物類型進(jìn)行劃分，只需計(jì)算單一地物背景在所述航拍 高度h的輻射亮度，從而規(guī)避了不同地物類型的分類識別環(huán)節(jié)，避免了因地表反射率和溫度 不確定帶來的計(jì)算誤差，而且提高了計(jì)算速度。簡便起見，我們將該單一地物背景設(shè)定為絕 對黑體，其表面反射率為1。然后，我們通過設(shè)置輸入?yún)?shù)分別計(jì)算該絕對黑體在第一天氣 條件的輻射亮度值Ml、第二天氣條件下的輻射亮度值M2。其中，第二天氣條件可選取 M0DTRAN軟件自帶的中煒度夏季大氣模式，或者，中煒度冬季大氣模式。由于九月份的空氣 溫度、濕度與M0DTRAN軟件中的標(biāo)準(zhǔn)大氣模式接近，因此我們可直接利用M0DTRAN軟件自帶 的標(biāo)準(zhǔn)大氣模式計(jì)算第一天氣條件下的輻射亮度值Ml，而無需用戶逐一輸入空氣溫度、濕 度等與天氣有關(guān)的參數(shù)。需要說明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)需要確定第一天氣條件、第 二天氣條件。只要不影響本發(fā)明的實(shí)施，無論第一天氣條件、第二天氣條件如何選取，都在 本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0032]步驟S3、根據(jù)Ml、M2生成不同天氣條件下的紅外圖像之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)R，
[0034]具體的，在步驟S2中得到的第一天氣條件下的地物背景輻射亮度Ml為25.6W/ m2sr。當(dāng)?shù)诙鞖鈼l件為中煒度夏季大氣模式時(shí)，M2為29.3W/m2sr，所述轉(zhuǎn)換系數(shù)R為1.14; 當(dāng)?shù)诙鞖鈼l件為中煒度冬季大氣模式時(shí)，M2為18.9W/m 2sr，所述轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.74。由于 Ml、M2與航拍高度有關(guān)，因此R也與航拍高度有關(guān)。當(dāng)航拍高度改變時(shí)，需要重新計(jì)算R值。 [0035]步驟S4、根據(jù)L1、R計(jì)算第二天氣條件下的紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的紅外亮度 值 L2，L2 = L1XR0
[0036] 具體的，我們可基于轉(zhuǎn)換系數(shù)R對航拍紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的亮度值L1進(jìn) 行變換，以得到第二天氣條件下、從同一航拍高度得到的地物背景的紅外輻射亮度值L2。然 后，將L2值轉(zhuǎn)換為灰度值，即可得到第二天氣條件下的紅外圖像。其中，本發(fā)明實(shí)施例獲取 的不同天氣條件下的紅外圖像參見圖2。
[0037] 雖然參照示例性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限 于文中詳細(xì)描述和示出的【具體實(shí)施方式】，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述示例性實(shí)施方式做出各種改變。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種獲取不同天氣條件下的紅外圖像的方法，其特征在于，所述方法包括： 51、 獲取第一天氣條件下的航拍紅外圖像，并確定所述航拍紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對 應(yīng)的紅外輻射亮度值Ll; 52、 根據(jù)大氣輻射傳輸模型計(jì)算單一地物背景在航拍高度處的輻射亮度，包括:第一天 氣條件下的輻射亮度Ml、第二天氣條件下的輻射亮度M2; 53、 根據(jù)M1、M2生成不同天氣條件下的紅外圖像之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)R，54、 根據(jù)LI、R計(jì)算第二天氣條件下的紅外圖像上每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的紅外輻射亮度值 L2， L2 = L1 XR02. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述單一地物背景為絕對黑體。3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述航拍紅外圖像的波段為8~12μπι。4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述大氣傳輸模型為MODTRAN模型。5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，第一天氣條件為M0DTRAN軟件中的標(biāo)準(zhǔn)大氣 模式。6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，第二天氣條件為MODTRAN軟件中的中煒度夏 季大氣模式。7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，第二天氣條件為MODTRAN軟件中的中煒度冬 季大氣模式。8. 如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述航拍高度滿足： h= 1600m〇
【文檔編號】G06T3/20GK105894447SQ201610192856
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】劉浩, 劉興潤, 李霞
【申請人】北京環(huán)境特性研究所