本發(fā)明屬于紅外仿真，具體一種自適應(yīng)閾值輻亮度量化方法、裝置及移動終端，可用于紅外成像實時仿真。
背景技術(shù)：
1、紅外成像仿真是紅外仿真技術(shù)的重要組成部分，主要用于工業(yè)檢測、科學(xué)研究、軍事等領(lǐng)域的紅外場景模擬與成像器件仿真。其核心目的是通過對紅外輻射特性的模擬，提供接近實際物理現(xiàn)象的紅外成像數(shù)據(jù)，滿足不同場景下的應(yīng)用需求。仿真過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)通常包括：場景建模、物理特性渲染、成像器件模擬，即探測、采樣、量化等及圖像輸出等步驟。
2、根據(jù)實際應(yīng)用場景，紅外成像仿真可分為非實時仿真和實時仿真兩種類型。
3、非實時仿真：主要應(yīng)用于研究、測試和驗證階段，通常對仿真精度要求較高。此類仿真允許使用較為復(fù)雜的算法和處理流程，但其執(zhí)行時間較長，不適用于需要動態(tài)響應(yīng)的場景。
4、實時仿真：強(qiáng)調(diào)仿真處理的實時性，廣泛應(yīng)用于設(shè)備在線測試、算法驗證等場景。這類仿真需要在較短時間內(nèi)完成復(fù)雜的計算，為待測設(shè)備提供貼近實際環(huán)境的響應(yīng)速度，其對算法的效率和硬件性的要求更高。
5、在實時仿真中，灰度量化是關(guān)鍵步驟之一。該過程通過特定的映射方法將紅外輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的灰度值，以便后續(xù)顯示或進(jìn)一步處理。然而，實時性與量化效果之間存在矛盾，會直接影響到仿真的質(zhì)量和應(yīng)用效果。
6、申請?zhí)枮閏n202410337209.0的專利文獻(xiàn)公開了“一種紅外遙感背景圖像仿真及數(shù)據(jù)庫建立方法”，其首先分析計算地表與外界環(huán)境的熱量交換和物體紅外輻射對地表溫度場建模；其次使用脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割可見光遙感圖像中不同材質(zhì)區(qū)域并制作標(biāo)簽數(shù)據(jù)；然后根據(jù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)計算各部分輻射效應(yīng)量化輻射亮度以替換標(biāo)簽并輸出仿真紅外圖像；最后通過歸一化和細(xì)節(jié)調(diào)制處理對仿真紅外圖像進(jìn)行真實度增強(qiáng)，構(gòu)建紅外遙感背景樣本庫。該方法基于可見光圖像生成各種紅外遙感場景，得到的紅外仿真數(shù)據(jù)具有較高的細(xì)節(jié)和真實度，同時能夠不斷增加樣本數(shù)量，能夠有效降低獲取此類紅外數(shù)據(jù)的成本。但該方式由于需要在已知可見光圖像的基礎(chǔ)上，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理，其仿真所需條件較高、處理延時較大，所以應(yīng)用場景具有較大的局限性，難以用于紅外實時仿真。
7、申請?zhí)枮閏n201610613691.1的專利文獻(xiàn)公開了“基于數(shù)字域tdi的紅外成像方法”，其為了解決常規(guī)紅外成像方法無法實現(xiàn)靈活連續(xù)的積分級數(shù)選擇與大目標(biāo)范圍的圖像采集的問題，將目標(biāo)輻射信號經(jīng)過光學(xué)鏡頭匯聚到面陣紅外探測器上，面陣紅外探測器將目標(biāo)的輻射信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，該信號經(jīng)過運算放大器完成阻抗匹配與比例放大，并輸出與a/d轉(zhuǎn)換器輸入端相匹配的模擬信號，該信號經(jīng)由a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字量化，再輸出至fpga電路，量化后的圖像數(shù)據(jù)以幀為單位存儲在fpga電路中，完成多幀圖像數(shù)據(jù)的緩存與tdi迭加算法，最后輸出處理后的圖像數(shù)據(jù)，該方法雖說可有效的增加曝光時間，提高系統(tǒng)的靈敏度，能對弱輻射目標(biāo)進(jìn)行探測與偵察。但由于其主要針對實際紅外成像器件設(shè)計與優(yōu)化，因而無法直接用于紅外成像實時仿真。
8、目前，直接應(yīng)用于紅外成像實時仿真中常用的量化方法主要有兩種，手動調(diào)節(jié)閾值的灰度量化方法、完全線性映射的灰度量化方法，其中：
9、手動調(diào)節(jié)閾值的灰度量化方法，是指在進(jìn)行紅外成像仿真之前通過仿真經(jīng)驗判斷等方式，提前設(shè)置灰度量化的上下閾值，對閾值之內(nèi)的輻亮度值進(jìn)行到灰度域的線性映射，從而獲得能反映輻亮度圖像大部分信息的較高質(zhì)量量化結(jié)果。該種方法的量化效果主要依賴于仿真人員的經(jīng)驗判斷，其可靠性與合理性較差。
10、完全線性映射的灰度量化方法，是指對輸入的輻亮度值，直接映射到最接近的灰度值，若輸入幅值超過或遠(yuǎn)超灰度值最大值，都將映射為灰度值最大值，該操作只有在輸入輻強(qiáng)度區(qū)間，且與灰度值區(qū)間十分接近時才能獲得較好的量化效果，否則將會不可避免的丟失大量信息。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種紅外成像仿真的自適應(yīng)閾值輻亮度量化方法、裝置及移動終端，以避免對仿真人員經(jīng)驗的依賴，通過仿真過程中的自動閾值比較和動態(tài)更新，提高紅外成像實時仿真量化效果。
2、為實現(xiàn)上述目的紅外成像仿真的自適應(yīng)閾值輻亮度量化方法、裝置、移動終端及可讀存儲介質(zhì)，其技術(shù)方案的實現(xiàn)分別如下：
3、1.一種紅外成像仿真的自適應(yīng)閾值輻亮度量化方法，其特征在于，包括：
4、1)初始化量化精度γ、防過曝系數(shù)α、量化閾值ρ；
5、2)獲取第n幀單精度浮點數(shù)表征的輻亮度值圖像,并搜索該幀圖像的最大輻亮度值n∈[1,m]，m為本次仿真需要處理的圖像總幀數(shù)；
6、3)基于量化閾值ρ對第n幀輻亮度值圖像的輻亮度值進(jìn)行歸一化，得到歸一化結(jié)果并利用該結(jié)果和量化精度γ，計算其映射到灰度值范圍的結(jié)果
7、4)對進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，得到無符號整型形式的灰度量化結(jié)果作為該幀輻亮度值圖像的量化結(jié)果；
8、5)根據(jù)該幀圖像搜索到的最大輻亮度值和防過曝系數(shù)α更新量化閾值ρ，令n＝n+1，重復(fù)步驟2)-步驟4)，得到本次獲取圖像的量化結(jié)果；
9、6)重復(fù)步驟2)-步驟5)，直到處理完所有圖像幀，得到全部輻亮度值圖像的量化結(jié)果。
10、進(jìn)一步，所述步驟2)中搜索第n幀圖像的最大輻亮度值其實現(xiàn)包括：定義搜索所需變量及其表征方式，設(shè)第n幀輻亮度圖像暫存值為比較輻亮度值和暫存值的大小關(guān)系，并根據(jù)比較結(jié)果，判斷是否更新暫存值；然后遍歷圖像中所有輻亮度值，執(zhí)行上述操作，并令從而得到第n幀圖像的最大輻亮度值
11、進(jìn)一步，所述步驟3)中基于量化閾值ρ對第n輻亮度值圖像的輻亮度值進(jìn)行歸一化，公式如下：
12、
13、其中，為輻亮度值的歸一化結(jié)果，取值范圍為[0，1]；為輻亮度值圖像的中輻亮度值，mi為的尾數(shù)部分，ei為的指數(shù)部分；ρ為量化閾值，mρ是ρ的尾數(shù)部分，范圍為[0,1)，eρ是ρ的指數(shù)部分。
14、進(jìn)一步，所述步驟3)中計算歸一化結(jié)果映射到灰度值范圍的結(jié)果公式如下：
15、
16、其中γ為量化精度，其在參數(shù)初始化時設(shè)置。
17、進(jìn)一步，所述步驟4)中對灰度值范圍的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，得到無符號整型形式的其公式為：
18、
19、其中為數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換所需中間變量，其數(shù)據(jù)類型為整型，取值范圍為[0,γ]。
20、進(jìn)一步，所述步驟5)中根據(jù)該幀圖像搜索到的最大輻亮度值和防過曝系數(shù)α更新量化閾值ρ，其公式為：
21、
22、其中，防過曝系數(shù)α在參數(shù)初始化時設(shè)置。
23、2.一種紅外成像仿真的自適應(yīng)閾值輻亮度量化裝置，通過fpga實現(xiàn)，其特征在于，包括：
24、圖像數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收外輸入的輻亮度圖像流,并完成信號類型轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議解析、幀起始信號生成和數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換的功能，得到輻亮度值數(shù)據(jù)并輸出；
25、量化閾值計算模塊，用于接收來自圖像數(shù)據(jù)接收模塊的輻亮度值數(shù)據(jù)與圖像幀起始信號，并基于浮點數(shù)運算核進(jìn)行輻亮度值比較，直到圖像幀起始信號為高時，更新最輻亮度值，再由最大輻亮度值計算更新量化閾值，輸出至歸一化計算模塊；
26、歸一化計算模塊，用于接收圖像數(shù)據(jù)接收模塊的輻亮度值數(shù)據(jù)和來自量化閾值計算模塊的量化閾值，并基于浮點數(shù)除法器對兩者進(jìn)行處理，實現(xiàn)輸入輻亮度值的歸一化處理；
27、量化映射模塊，用于將歸一化計算模塊所得歸一化處理結(jié)果基于浮點數(shù)乘法器映射到灰度值范圍，得到量化映射結(jié)果，并傳輸給數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊；
28、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，用于對量化映射結(jié)果基于浮點數(shù)運算核將其數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為無符號整型，得到轉(zhuǎn)換后的量化映射結(jié)果；
29、量化結(jié)果輸出模塊，用于將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊輸出的轉(zhuǎn)換后量化映射結(jié)果依次進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存、udp數(shù)據(jù)包生成、以太網(wǎng)發(fā)送操作。
30、3.一種移動終端，包括處理芯片、存儲器、輸入輸出接口以及存儲在所述存儲器中且可載入處理芯片運行的程序文件，其特征在于：
31、所述處理芯片采用fpga芯片或zynq系列異構(gòu)芯片，用于運行所述程序文件，以執(zhí)行上述紅外成像仿真自適應(yīng)閾值輻亮度量化方法中的任一條步驟和裝置中的任一模塊功能；
32、所述存儲器，其為非易失性可讀存儲器，用于存儲所述程序文件；
33、所述輸入輸出接口，其包括光纖接口及千兆以太網(wǎng)接口，用于圖像或視頻的輸入輸出；
34、所述程序文件，其存儲在所述存儲器中且可載入處理芯片運行，用于實現(xiàn)上述紅外成像仿真自適應(yīng)閾值輻亮度量化方法中的任一條步驟和裝置中的任一模塊功能。
35、4.一種非易失性可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，存儲有程序指令，所述程序指令被運行執(zhí)行上述紅外成像仿真自適應(yīng)閾值輻亮度量化方法中的任一條步驟和裝置中的任一模塊功能。