红外图像目标检测及增强28615.doc
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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.南 京 理 工 大 学作 者:学 号:学院(系):专 业:题 目:指导者: (姓姓 名) (专专业技术术职务)评阅者: (姓姓 名) (专专业技术术职务) 年 月一 引言11.1 红红外成像像系统应应用11.2 红红外成像像系统研研究发展展2二 红外图图像的目目标检测测及跟踪踪32.1 典典型的DDBT目目标检测测算法32.1.11 阈值值法32.1.22 最大大距离法法42.2 典典型的TTBD目目标检测测算法62.2.11 基于于多级假假设检验验的TBB
2、D目标标检测算算法62.2.22 基于于光流的的方法72.2.33 基于于求差法法的方法法72.3 混混合高斯斯模型原原理及实实现:82.4 红红外目标标跟踪102.4.11 边缘缘跟踪算算法112.4.22优化的的双边缘缘跟踪算算法:112.4.33 形心心跟踪算算法11三 图像增增强技术术123.1 点点运算143.1.11 灰度度级校正正143.1.22 灰度度变换143.1.33直方图图修正183.2 空空域图像像平滑203.1.11 噪声声消除法法203.2.22 邻域域平均法法213.2.33 中值值滤波223.2.44 梯度度倒数加加权233.3 空空间域图图像锐化化253.3.
3、11 梯度度法253.3.22 LLapllaciian算算子263.3.33 高高通滤波波273.3.44 统计计差值法法283.4 彩彩色技术术293.4.11 什么么是伪彩彩色增强强技术293.4.22 为什什么引入入彩色增增强技术术293.4.33 彩色色增强技技术原理理293.4.44 假彩彩色增强强303.4.44 伪彩彩色增强强313.5 频率域域增强处处理353.5.11 低通通滤波363.5.22 同态态图像增增强373.5.33高通滤滤波383.5.44 高频频强调滤滤波393.5.55 小波波变换增增强40一 引言1.1 红红外成像像系统应应用随着红外成成像技术术的发展展
4、,红外外成像系系统已广广泛地应应用在光光学遥感感、夜间间导航、目目标探测测以及火火控、制制导等民民用和军军事领域域。从二十世纪纪五十年年代开始始,红外外成像技技术被广广泛应用用于军事事领域,尤尤其是在在红外成成像制导导、红外外告警和和侦察方方面。机机载前视视红外装装置能在在15000m上上空探测测到人、小小型车辆辆和隐蔽蔽目标,在在200000mm高空能能分辨出出汽车乃乃至能探探测水下下40mm深处的的潜艇。军军事需求求始终是是推动红红外成像像技术发发展的最最强动力力,军事事领域也也是红外外成像新新技术首首先得到到应用的的领域。海湾战争充充分显示示了红外外技术特特别是热热成像技技术在军军事上的
5、的作用和和威力。海海湾战争争从开始始、作战战到获胜胜都是在在夜间,夜夜视装备备应用的的普遍性性乃是这这次战争争的最大大特点之之一。在在战斗中中投入的的夜视装装备之多多,性能能之好,是是历次战战争所不不能比拟拟的。美美军每辆辆坦克,每每个重要要武器直直到反坦坦克导弹弹都配有有夜视瞄瞄准具,仅仅美军第第二十四四机械化化步兵师师就装备备了上千千套夜视视仪。多多国部队队除了地地面部队队,海军军陆战队队广泛装装备了夜夜视装置置外,美美国的FF1177隐形战战斗轰炸炸机、阿阿帕奇直直升机、F15E战斗机、英国的旋风GRI对地攻击机等都装有先进的热成像夜视装备。正因为多国部队在夜视和光电装备方面的优势,所以
6、在整个战争期间他们掌握了绝对的主动权。多国部队利用飞机发射的红外制导导弹在海湾战争中发挥了极大的威力,他们仅在10天内就摧毁伊军坦克650辆、装甲车500辆。同时,红外外成像技技术也广广泛地应应用于工工业、农农业、医医学、交交通等各各个行业业和部门门。红外外测温、红红外理疗疗、红外外检测、红红外报警警、红外外遥感、红红外防伪伪更是各各行业争争相选用用的先进进技术。红外成像系系统与雷雷达成像像系统、电电视成像像系统一一起构成成当代三三大成像像系统。红外成像系系统与雷雷达相比比,具有有结构简简单、体体积小、重重量轻、分分辨率高高、隐蔽蔽性好、抗抗干扰能能力强等等优点;与可见见光相比比,有透透过烟尘
7、尘能力强强、可昼昼夜工作作等特点点,因而而在中近近距离成成像跟踪踪系统中中,红外外成像传传感器受受到特别别重视。下表比较了了几种常常用成像像系统的的优缺点点:表1.1 常见成成像系统统的优缺缺点传感器类型型优点缺点雷达(合成成孔径、相相控阵 、毫米米波)全天候可远距工作作有测距能力力结构复杂主动工作方方式成像清晰度度差可见光电视视被动系统分辨率很高高对气候敏感感夜间不能工工作近距离工作作无测距能力力红外成像靠目标自身身热辐射射工作分辨率高气候适应性性强被动系统易受浓雾影影响无测距能力力激光成像有测距能力力分辨率高气候适应性性强结构复杂搜索目标较较困难主动系统1.2 红红外成像像系统研研究发展展
8、目前红外成成像系统统的研究究主要集集中在三三个方面面:一、焦平面面探测器器阵列的的研究。探探测器材材料从传传统的锑锑化铟(InSb)、硅化铂(PtSi)和锑镉汞(HgCdTe)向IIIV族化合物发展;探测器阵列的大小从最初的6464元向512512元、10241024元甚至更高元数发展,随着探测器元数的增多和单元尺寸的减小,对读出电路的要求也越来越高。二、图像信信号处理理器硬件件系统的的研究。随随着计算算机技术术和大型型集成电电路的发发展,DDSP(数数字信号号处理器器)和FFPGAA(现场场可编程程逻辑器器件)已已广泛使使用在图图像信号号处理器器中。大大容量存存储器和和多处理理器并行行结构的
9、的应用,使使信号处处理的能能力和容容量成数数量级的的增长。三、各种检检测、识识别和跟跟踪算法法和软件件的研究究。随着着探测器器水平和和图像信信号处理理器处理理能力的的提高,各各种复杂杂的算法法得以在在系统中中实时运运行。近近年来针针对复杂杂背景和和各种干干扰条件件下的检检测和识识别的新新算法不不断涌现现,更加加智能化化的状态态判决和和跟踪处处理算法法也得以以应用。尤尤其是有有关红外外目标检检测的技技术也得得到迅速速发展。红外目标的的检测技技术是红红外成像像系统中中的核心心技术之之一,它它利用图图像处理理算法对对处于杂杂乱背景景和强噪噪声环境境中的目目标进行行自动检检测,算算法的性性能对红红外成
10、像像系统的的作用距距离和智智能化程程度十分分关键。从二十世纪纪八十年年代末 人们已已经开始始利用红红外传感感器来检检测远距距离的热热源随着热成像像技术的的成熟 红外图图像中的的目标检检测技术术已经成成为一项项独立的的、具有有明显特特色的研研究方向向。尤其其在军事事领域,目目前在欧欧美国家家的一些些先进的的武器系系统,包包括航空空母舰的的预警系系统、各各种飞机机的红外外搜索跟跟踪系统统、红外外成像制制导导弹弹和一些些地面军军事设施施的告警警系统中中,红外外弱小目目标的检检测技术术的地位位举足轻轻重。可可以说远远距离的的飞机、导导弹等飞飞行物的的自动检检测已成成为成像像制导、告告警系统统和光电电对
11、抗的的核心技技术。红外图像信信号处理理硬件系系统的性性能和容容量是与与受探测测器和电电路技术术发展水水平相对对应的;而红外外目标检检测技术术可以最最大程度度上发挥挥系统性性能,使使系统整整体性能能达到最最优。近年来计算算机技术术和数字字图像处处理技术术迅速发发展,有有关红外外图像中中目标检检测的理理论、方方法和技技术方面面的研究究也在广广泛地开开展。二 红外图图像的目目标检测测及跟踪踪红外目标检检测算法法可分为为“先跟踪踪后检测测(TBBD)”类检测测算法和和“先检测测后跟踪踪(DBBT)”类检测测算法两两大类。2.1 典典型的DBT目标检检测算法法经典的DBBT目标标检测算算法较为为清晰分分
12、解了单单帧目标标初检测测和多帧帧目标确确定这两两项任务务,所以以从宏观观上说,将将不同的的图像预预处理及及单帧目目标分割割算法与与不同的的多帧目目标运动动轨迹确确定算法法组合起起来,就就可以构构成适合合于不同同具体研研究对象象的DBBT目标标检测算算法。2.1.11 阈值法法依据分割阈阈值将目目标从背背景中分分割出来来,通常常是成像像跟踪算算法中必必须首先先解决的的一个重重要环节节,它包包括阈值值计算和和目标分分割两个个过程。能能否有效效地提取取出目标标,问题题的关键键是寻找找一个合合理的阈阈值。阈阈值的选选取有固固定阈值值和自适适应阈值值两种方方法,阈阈值法又又可以分分为全局局阈值法法和局部
13、部阈值法法。全局阈值值法:经经滤波后后的背景景噪声近近似看作作是高斯斯白噪声声,可使使用全局局门限分分割算法法。设输输入图像像为,门门限处理理后的图图像为,令令门限为为Th(k),则则有:式中,Thh(k)是随序序列图像像的变化化而自适适应改变变的。即即: (2.22)其中,为为加权值值,的选择择范围为为35,meaan(kk)、varr(k)分别表表示第kk帧经抑抑制背景景起伏后后的图像像灰度均均值和方方差,设设输入图图像的大大小为NN1N2,则图图像均值值和方差差可表示示为:经过上述的的阈值处处理以后后,得到到一个去去除背景景干扰和和弱噪声声的目标标图像,这这时,可可能除了了目标,还还有强
14、噪噪声点。局部阈值值法:设设f (i,jj)周围围的33方阵阵中灰度度值为EE= f (i,jj),经经过3xx3的高高通滤波波后,该该点灰度度值变为为,则:此方法的关关键是值值的确定定,提出出了一种种自适应应确定方方法,即即=|均值值一标准准方差| /标标准方差差。通过过将高通通滤波后后的目标标与它周周围的背背景作自自适应门门限比较较可以很很好地分分割出点点目标,这这样既可可以解决决由单纯纯的自适适应门限限造成的的预选点点过多,又又可解决决单纯的的高通滤滤波,当当目标出出现在强强噪声下下分割不不出来的的弊病。2.1.22 最大距距离法直方图分割割法中的的最大距距离法是是一种简简单有效效的图像
15、像分割方方法。它它的基本本思想是是:在直直方图取取值范围围内,任任一灰度度级可将将直方图图分为左左右两部部分,如如果这两两部分的的灰度均均值与总总体的灰灰度均值值相距最最大,则则该灰度度级就取取为分割割门限。假设红外图图像总的的灰度级级为L,在l灰度级级处有nnl个像点点,则总总的像点点数为,令令l灰度级级处的概概率Pl接近于于频率,则则。在任任一灰度度级处将将直方图图分割成成左、右右两部分分,于是是我们有有:左边边部分:;右边边部分:,它们们发生的的概率和和分别为为: (2.7) 因为总体灰灰度均值值:所以若令: (2.99) (2.10)则它们分别别是集合合和集合合的灰度度均值,于于是有:
16、 (2.111)进一步,令令: (2.112)则(2.99)式可可化为: (2.13)考虑到,所所以式(2.110)可可表示为为: (2.114)由(2.111)、(2.112、(2.113)和和(2.114)式式可以看看出,对对于0L灰度级级之间的的任一灰灰度级,可可以计算算出 、和。现在在,定义义一个均均值距离离测度为为至和至距离的的加权之之和,即即: (22.155)将(2.113)和和(2.114)式式代入(2.115)式式中,并并考虑到到,则(2.115)式式可简化化为:分割的准则则是使为为最大值值的灰度度级作为为图像分分割的门门限值。图图像中凡凡是灰度度值小于于分割门门限的像像点,
17、均均认为是是背景中中的点,并并加以滤滤除。反反之,则则认为是是潜在目目标区域域中的点点,予以以保留。2.2 典典型的TBD目标检检测算法法TBD 算算法流程程概括起起来包含含三个步步骤 :一是是背景抑抑制,通通过各种种单帧图图像背景景抑制算算法,或或通过滤滤波将红红外图像像低频和和高频部部分进行行分离,提提高信噪噪比,尽尽可能抑抑制原始始图像中中的低频频背景杂杂波干扰扰;二是是可疑目目标跟踪踪,利用用相邻几几帧中目目标的运运动信息息来分割割可能目目标,从从背景抑抑制后的的图像中中分割出出少量候候选目标标进行跟跟踪;三三是目标标检测,利利用序列列图像中中目标运运动的连连续性和和轨迹的的一致性性,
18、进一一步排除除虚假目目标,从从候选目目标中检检测出真真正的目目标。 这里所谓的的“先跟踪踪”是指先先根据小小目标运运动速度度和运动动方向等等运动特特性,预预测和跟跟踪(求取)所有可可能的目目标运动动轨迹;而相应应的“后检测测”是指根根据目标标的短时时灰度特特性、目目标像素素大小和和目标能能量变化化特性来来求取各各条轨迹迹的后验验概率。如如果某条条轨迹的的后验概概率大于于某一个个门限值值,则就就可认为为该轨迹迹对应于于一个真真实的运运动小目目标。以以下是几几种具有有代表性性的TBBD目标标检测算算法。2.2.11 基于于多级假假设检验验的TBD目标检检测算法法若将背景像像素点看看作互不不相关的的
19、高斯白白噪声随随机变量量,则图图像序列列中的目目标运动动轨迹可可看做是是一个(或或数个)由由数目庞庞大的候候选轨迹迹组成的的树形结结构中筛筛选出来来。所谓谓多级假假设检验验算法,就就是在图图像序列列中这个个树形结结构的每每一层上上用假设设检验的的方法对对结构做做出删节节修正,以以随时去去掉没有有通过检检验的树树,达到到控制运运算量和和存储量量的目的的。此类算法具具有同时时检测出出多个做做不同方方向直线线运动目目标能力力。但在在低信噪噪比条件件下,由由于候选选轨迹的的起始点点数非常常多,所所以常导导致算法法计算量量迅速增增加。同同时,树树状结构构要求在在系统的的内存中中维持一一个复杂杂的数据据结
20、构,所所以说该该算法的的多目标标检测能能力的扩扩充是以以牺牲内内存为代代价的。2.2.22 基于于光流的的方法光流法一般般假设:1) 运动物物体表面面平坦,图图像的反反射模式式除了在在有限个个点上不不连续外外,图像像的灰度度函数处处处平滑滑;2) 物体体表面入入射光均均匀;33) 在在小的时时间间隔隔内,运运动物体体上某点点的亮度度不变;4) 物体没没有被遮遮挡。在在这种假假设条件件下,图图像中灰灰度模式式的运动动将直接接由物体体表面相相应点的的运动确确定,由由此可以以导出瞬瞬时速度度场(光流场场),然后后根据光光流场进进行运动动的检测测。Hoorn 等指出出光流计计算存在在病态解解问题,必必
21、须引入入附加条条件才能能确定光光流的唯唯一解;Bimmbo 等提出出了两种种计算光光流场的的新方法法,并和和其他光光流场计计算方法法进行了了比较。光光流法的的理论和和算法存存在以下下几方面面的问题题:约束束方程只只有在梯梯度很大大的点上上才严格格成立;计算的的不稳定定性;运运算量大大;难以以实时实实现等。上上述问题题限制了了光流法法的理论论和算法法的应用用。2.2.33 基于于求差法法的方法法求差法是利利用当前前图像帧帧的值和和参考图图像的值值按像素素点的方方式进行行相减来来完成对对运动目目标的检检测。图图像的值值可以采采用像素素点的灰灰度值或或梯度值值。相减减的结果果反映了了当前帧帧图像和和
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