專利名稱：一種基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外成像檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
近年來，人們研制了各種各樣的目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，如脈沖多普勒雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、 紅外成像等。在這些目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)中，紅外成像檢測(cè)系統(tǒng)由于其處理的是多維信號(hào)(二維空間信號(hào)和一維時(shí)間信號(hào))，而且是一種被動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，因此，與其它類型的檢測(cè)系統(tǒng)相比較而言具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且，紅外目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)以其全天候工作的特點(diǎn)成為最具發(fā)展前途的成像檢測(cè)系統(tǒng)之一。從20世紀(jì)70年代末，國(guó)外學(xué)者就開始研究紅外圖像點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)問題，提出了許多有實(shí)際意義的實(shí)時(shí)檢測(cè)算法和實(shí)時(shí)處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)。近十幾年我國(guó)一些大學(xué)也開展了這方面的研究，至今，紅外點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)仍是研究的熱點(diǎn)。紅外點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)有多幀檢測(cè)和單幀檢測(cè)。經(jīng)典的單幀圖像點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)分為背景抑制和閾值選取二值化兩大步，背景抑制是指通過抑制背景來增強(qiáng)目標(biāo)與背景的對(duì)比度，從而為后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)提供較好的基礎(chǔ)，單幀圖像背景抑制利用紅外圖像背景相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過鄰域像素估計(jì)出當(dāng)前像素的背景灰度值，然后與原圖像做差值，達(dá)到背景抑制的效果。首先，對(duì)單幀圖像背景抑制得到不含背景的殘差圖像。背景抑制是點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)中的重要步驟，背景抑制的結(jié)果直接影響后續(xù)步驟的可行性和復(fù)雜性。紅外點(diǎn)目標(biāo)當(dāng)其距離觀察點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，無形態(tài)及紋理信息可以利用，而且目標(biāo)成像強(qiáng)度較弱，目標(biāo)亮度有時(shí)會(huì)低于一些背景中高亮度的干擾物。但是一般來說，目標(biāo)與其周圍的背景相比有較明顯的亮度差，檢測(cè)點(diǎn)目標(biāo)時(shí)除了利用目標(biāo)本身的灰度信息外，必須利用目標(biāo)周圍的灰度分布和灰度起伏特征。然后，選擇閾值使殘差圖像二值化，得到可疑目標(biāo)點(diǎn)。這時(shí)，理想情況下圖像中只包含目標(biāo)點(diǎn)和高斯噪聲。閾值通常采用恒虛警準(zhǔn)則來選取，閾值由統(tǒng)計(jì)量和恒虛警率計(jì)算得到，具體計(jì)算公式如公式1所示Th = μ-σ O^1(Pf) (1)上式中，μ為區(qū)域內(nèi)像元灰度均值，ο為區(qū)域內(nèi)像元灰度標(biāo)準(zhǔn)差，Pf為目標(biāo)檢測(cè)虛警率。上述閾值計(jì)算公式是基于殘差數(shù)據(jù)符合高斯分布假設(shè)的，而實(shí)際上殘差數(shù)據(jù)并不完全符合高斯分布，因此，可以通過調(diào)整Φ—1 (Pf)來得到預(yù)期的閾值。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用自適應(yīng)閾值選取方法，也就是把圖像分成相同大小的圖像塊，每個(gè)圖像塊選取一個(gè)閾值把塊內(nèi)圖像進(jìn)行二值化。傳統(tǒng)單幀紅外圖像點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)方法流程圖，如

圖1所示，具體檢測(cè)方法的步驟如下(1)對(duì)圖像中的每個(gè)像元f(i，j)做如下處理在如圖2所示的鄰域像元范圍內(nèi)取
4平均值作為均值濾波背景估計(jì)，得到一幅背景估計(jì)圖像；(2)用原輸入圖像減去步驟⑴中得到的背景估計(jì)圖像，得到殘差圖像；(3)將圖像分塊，計(jì)算每塊圖像的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ ；(4)根據(jù)恒虛警準(zhǔn)則，由公式⑴計(jì)算出每塊圖像的二值化閾值，將殘差圖像中大于所在塊的閾值的點(diǎn)設(shè)為1，其他點(diǎn)設(shè)為0，得到二值化圖像，二值化圖像中為1的點(diǎn)就是檢測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)。通過對(duì)六組(每組圖像30幅)衛(wèi)星紅外圖像做實(shí)驗(yàn)，根據(jù)單幀檢測(cè)率達(dá)到95%以上來調(diào)整閾值，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1傳統(tǒng)單幀紅外圖像點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖像組1圖像組2圖像組3圖像組4圖像組5圖像組6檢測(cè)率(％)95. 495. 197. 296. 999. 295. 2虛警率(10_3)5. 4011. 38. 336. 177. 025. 48由表1可以看出，在滿足檢測(cè)率的條件下，點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)虛警率很高，而虛警率高還能夠?qū)е乱韵聠栴}(1)單幀檢測(cè)結(jié)果作為后續(xù)目標(biāo)捕獲處理的輸入，虛警率高將導(dǎo)致后續(xù)目標(biāo)捕獲處理出現(xiàn)爆炸性組合，大大增加了后續(xù)處理難度；(2)某些情況下單幀檢測(cè)結(jié)果要通過無線通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，虛警率高會(huì)增加傳輸帶寬，提高傳輸難度。因此，降低單幀圖像點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)虛警率是至關(guān)重要的。但是，由于復(fù)雜天空背景紅外圖像本身存在以下問題(1)由于紅外光波波長(zhǎng)比較長(zhǎng)、傳輸距離遠(yuǎn)、大氣衰減等原因，紅外圖像空間相關(guān)性強(qiáng)、對(duì)比度低、視覺效果模糊；(2)復(fù)雜天空背景紅外圖像大面積平緩，局部強(qiáng)烈起伏，背景區(qū)域邊緣起伏點(diǎn)和個(gè)別高斯噪聲點(diǎn)在單幀圖像中表現(xiàn)出與目標(biāo)相同的高頻特性；(3)外界環(huán)境的隨機(jī)干擾和熱成像系統(tǒng)的不完善，給紅外圖像帶來多種多樣的噪聲，比如熱噪聲、散粒噪聲、Ι/f噪聲、光子電子漲落噪聲等等。噪聲來源多樣，噪聲類型繁多，這些都造成紅外圖像上噪聲的不可預(yù)測(cè)的分布復(fù)雜性。進(jìn)一步地，尤其對(duì)于遠(yuǎn)距離紅外點(diǎn)目標(biāo)而言，背景中細(xì)節(jié)成分較少，在大部分情況下，背景是大面積平緩變化場(chǎng)景，背景各像素之間有強(qiáng)相關(guān)性，占據(jù)圖像空間頻域的低頻分量。因此，紅外點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)存在以下困難(1)由于紅外輻射強(qiáng)度與距離的平方成反比，遠(yuǎn)距離情況下，探測(cè)器接收到的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度很弱，即圖像的信噪比很低；(2)由于探測(cè)距離遠(yuǎn)、空間搜索范圍大，而傳感器分辨率有限，目標(biāo)成像在圖像上呈點(diǎn)狀，沒有形狀信息可利用，區(qū)別目標(biāo)與噪聲的依據(jù)，只有目標(biāo)的灰度特征；(3)背景較復(fù)雜，存在較強(qiáng)干擾；(4)搜索空域大，要正確檢測(cè)目標(biāo)，需要處理大量數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為了在低信噪比的情況下依靠單幀圖像實(shí)時(shí)快速檢測(cè)點(diǎn)目標(biāo)，從而提供一種基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，該方法利用背景像素之間灰度的相關(guān)性以及目標(biāo)灰度與背景灰度的無關(guān)性來檢測(cè)目標(biāo)。傳統(tǒng)單幀紅外圖像點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)方法對(duì)圖像中每個(gè)像元進(jìn)行相同的均值濾波處理， 在增強(qiáng)目標(biāo)與背景對(duì)比度的同時(shí)，圖像中背景區(qū)域邊緣點(diǎn)(如圖3所示)與其鄰域中灰度較低的平坦區(qū)域的對(duì)比度也提高，這就造成了大量的背景區(qū)域邊緣點(diǎn)具有與目標(biāo)點(diǎn)相同的對(duì)比度特性，從而在后續(xù)點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)中無法區(qū)分目標(biāo)點(diǎn)與背景區(qū)域邊緣點(diǎn)，最終背景區(qū)域邊緣點(diǎn)被誤檢為目標(biāo)，從而導(dǎo)致虛警率過高。因此，當(dāng)對(duì)圖像中每個(gè)像元進(jìn)行相同的濾波處理時(shí)，就會(huì)最終造成目標(biāo)點(diǎn)與背景區(qū)域邊緣點(diǎn)無法區(qū)分。為了去除背景區(qū)域邊緣點(diǎn)造成的虛警，著重分析目標(biāo)點(diǎn)與背景區(qū)域邊緣點(diǎn)的不同。經(jīng)過分析可知，目標(biāo)點(diǎn)和背景區(qū)域邊緣點(diǎn)的區(qū)別在于目標(biāo)點(diǎn)在各個(gè)方向上都有較大突變，而背景區(qū)域邊緣點(diǎn)在其所屬區(qū)域的方向上基本沒有突變，在其他方向上有較大突變，即背景區(qū)域邊緣點(diǎn)只在部分方向上有較大突變。具體分析目標(biāo)點(diǎn)、平坦區(qū)域點(diǎn)和背景區(qū)域邊緣點(diǎn)如下對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)而言，各個(gè)方向上的鄰域相對(duì)于中心像元均有較大的灰度突變，并且這些突變量較為近似，即目標(biāo)點(diǎn)與各個(gè)方向上的鄰域像元的灰度差值都較大；對(duì)于平坦區(qū)域點(diǎn)，也就是對(duì)平坦區(qū)域內(nèi)的背景點(diǎn)而言，各個(gè)方向上的鄰域突變較小，甚至為0;而對(duì)于背景區(qū)域邊緣點(diǎn)而言，在同區(qū)域各個(gè)方向上鄰域突變量會(huì)較小，類似平坦區(qū)域點(diǎn)與鄰域點(diǎn)之間的突變量，而在不同區(qū)域的鄰域方向上突變量較大，類似目標(biāo)點(diǎn)與鄰域點(diǎn)之間的突變量。因此，目標(biāo)點(diǎn)與大部分的背景區(qū)域邊緣點(diǎn)的不同在于目標(biāo)點(diǎn)灰度值大于鄰域像元灰度值，是鄰域像元灰度極大值點(diǎn)。為了去除背景區(qū)域邊緣點(diǎn)造成的虛警，把鄰域像元灰度極大值作為目標(biāo)檢測(cè)的基本約束條件。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，該方法在低信噪比的情況下利用背景像素之間灰度的相關(guān)性以及目標(biāo)灰度與背景灰度的無關(guān)性來檢測(cè)目標(biāo)，該方法對(duì)圖像中每個(gè)像元進(jìn)行如下步驟(1)灰度開關(guān)判定的步驟；通過對(duì)每個(gè)像元與其3X3鄰域內(nèi)其他像元進(jìn)行灰度比較，判斷該中心像元是否是鄰域極大值點(diǎn)；如果是極大值點(diǎn)，則進(jìn)行步驟(2)和步驟(3)，否則，在最終得到的二值化圖像中將該點(diǎn)設(shè)為0，繼續(xù)對(duì)下一個(gè)像元進(jìn)行判定；后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)在這一約束條件下進(jìn)行，也就是后續(xù)檢測(cè)只對(duì)滿足鄰域極大值點(diǎn)條件的點(diǎn)進(jìn)行處理，這就是本發(fā)明提出的灰度開關(guān)處理方法，灰度開關(guān)判斷的依據(jù)就是該點(diǎn)灰度值是否是鄰域極大值點(diǎn)?；叶乳_關(guān)處理去除了非鄰域極大值的背景區(qū)域邊緣點(diǎn)造成的虛警。為進(jìn)一步去除虛警，再對(duì)目標(biāo)點(diǎn)和背景區(qū)域邊緣點(diǎn)進(jìn)行比較。點(diǎn)目標(biāo)在各個(gè)方向上都有較大的突變量，因此，在鄰域內(nèi)所有高于均值的點(diǎn)與均值的差值的和中，中心像素點(diǎn)與均值的差值占很高的比例。背景區(qū)域邊緣點(diǎn)在部分方向上有較大的正向突變而在另外的方向上只有較小的突變。由于背景區(qū)域邊緣點(diǎn)鄰域內(nèi)除了中心像素點(diǎn)還有別的像素點(diǎn)較均值有較大的正向突變，中心像素點(diǎn)與均值的差值占鄰域內(nèi)所有高于均值的點(diǎn)與均值的差值的和的比例不會(huì)很4/6頁(yè)
高。因此，可以設(shè)定比例閾值，所得比例值大于比例閾值的點(diǎn)才認(rèn)為是目標(biāo)點(diǎn)。(2)均值濾波及其比例閾值判定的步驟；首先，計(jì)算以該像元為中心像元的3X3鄰域灰度均值；然后，計(jì)算該中心像元灰度值與均值的差占鄰域內(nèi)所有灰度值大于均值的像元與均值的差值的和的均值濾波比例值，如果該均值濾波比例值大于設(shè)定的均值濾波比例閾值，則將該點(diǎn)判定結(jié)果設(shè)為1，否則為0;經(jīng)過上述灰度開關(guān)處理和均值濾波比例閾值二值化后，背景區(qū)域邊緣點(diǎn)造成的虛警已大大減少。進(jìn)一步分析目標(biāo)點(diǎn)和背景區(qū)域邊緣點(diǎn)的差別可以發(fā)現(xiàn)，按照?qǐng)D4所示四個(gè)方向檢測(cè)算子模板進(jìn)行計(jì)算，如果中心參考點(diǎn)是目標(biāo)點(diǎn)，則每個(gè)方向上所得結(jié)果都會(huì)比較大，如果中心參考點(diǎn)是背景區(qū)域邊緣點(diǎn)，則至少在一個(gè)方向上所得結(jié)果會(huì)很小。因此，邊緣點(diǎn)判定的依據(jù)就是各個(gè)方向上所得結(jié)果的最小值要小于某個(gè)閾值。對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)來說就是設(shè)定閾值，使各個(gè)方向上按照模板計(jì)算所得結(jié)果的最小值要大于設(shè)定閾值。(3)邊緣檢測(cè)及其比例閾值判定的步驟；分別計(jì)算該中心像元在四個(gè)方向上的比例值，如果每個(gè)方向上得到的比例值都大于設(shè)定的邊緣檢測(cè)比例閾值，則將該點(diǎn)判定結(jié)果設(shè)為1，否則設(shè)為0 ；所述的步驟⑵和步驟(3)的判斷可以并行進(jìn)行。(4)結(jié)果相與的步驟；將步驟⑵和步驟⑶中分別得到的判定結(jié)果相與，并將相與結(jié)果作為該點(diǎn)在最終二值化圖像中的值；返回步驟(1)對(duì)下一像元進(jìn)行判定，得到整幅圖像的二值化結(jié)果。作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的步驟O)的均值濾波比例值的計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，該方法在低信噪比的情況下利用背景像素之間灰度的相關(guān)性以及目標(biāo)灰度與背景灰度的無關(guān)性來檢測(cè)目標(biāo)，該方法對(duì)圖像中每個(gè)像元進(jìn)行如下步驟(1)灰度開關(guān)判定的步驟；通過對(duì)每個(gè)像元與其3X3鄰域內(nèi)其他像元進(jìn)行灰度比較，判斷該中心像元是否是鄰域極大值點(diǎn)；如果是極大值點(diǎn)，則進(jìn)行步驟(2)和步驟(3)，否則，在最終得到的二值化圖像中將該點(diǎn)設(shè)為0，繼續(xù)對(duì)下一個(gè)像元進(jìn)行判定；(2)均值濾波及其比例閾值判定的步驟；首先，計(jì)算以該像元為中心像元的3X3鄰域灰度均值；然后，計(jì)算該中心像元灰度值與均值的差占鄰域內(nèi)所有灰度值大于均值的像元與均值的差值的和的均值濾波比例值，如果該均值濾波比例值大于設(shè)定的均值濾波比例閾值，則將該點(diǎn)判定結(jié)果為設(shè)1，否則為0 ；(3)邊緣檢測(cè)及其比例閾值判定的步驟；分別計(jì)算該中心像元在四個(gè)方向上的比例值，如果每個(gè)方向上得到的比例值都大于設(shè)定的邊緣檢測(cè)比例閾值，則將該點(diǎn)判定結(jié)果設(shè)為1，否則設(shè)為0 ；(4)結(jié)果相與的步驟；將步驟(2)和步驟(3)中分別得到的判定結(jié)果相與，將相與結(jié)果作為該點(diǎn)在最終二值化圖像中的值；返回步驟(1)對(duì)下一像元進(jìn)行判定，直到得到整幅圖像的二值化結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟O)的均值濾波比例值的計(jì)算公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟(3)中，所述的該中心像元四個(gè)方向是指水平方向、上下方向、與水平正軸成 45°方向和與水平正軸成135°方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟(3)中的中心像元各個(gè)方向上的比例值的計(jì)算方法為兩倍的中心像元灰度值減去該方向上的中心像元兩側(cè)的像元灰度值后與中心像元灰度值的比值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟(2)和步驟(3)的判斷并行進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟(1)中灰度開關(guān)判斷采用比較運(yùn)算，以便于FPGA實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟( 和步驟(3)中的比例值的計(jì)算以及與設(shè)定的比例閾值的比較運(yùn)算，通過轉(zhuǎn)換計(jì)算方法使得上述運(yùn)算適于FPGA實(shí)現(xiàn)；所述的轉(zhuǎn)換計(jì)算方法是把除法運(yùn)算得商然后商與設(shè)定的比例閾值比較的運(yùn)算，轉(zhuǎn)換為設(shè)定的比例閾值與除數(shù)相乘得積然后積與被除數(shù)比較的運(yùn)算；所述的設(shè)定的比例閾值是固定已知的，提前轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)2的η次冪的和的形式，運(yùn)用乘法分配律，比例閾值與除數(shù)相乘得積的運(yùn)算實(shí)際上轉(zhuǎn)換為移位運(yùn)算和加法運(yùn)算；這樣，步驟 (2)和步驟(3)中的運(yùn)算轉(zhuǎn)換為移位運(yùn)算、加法運(yùn)算和比較運(yùn)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟⑷采用相與運(yùn)算，便于FPGA實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于單幀紅外圖像的點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，該方法對(duì)每個(gè)像元進(jìn)行如下處理(1)通過對(duì)像元與其3×3鄰域內(nèi)其他像元進(jìn)行灰度比較，判斷該像元是否是鄰域極大值點(diǎn)；(2)計(jì)算以該像元為中心像元的3×3鄰域灰度均值；計(jì)算該中心像元灰度值與均值的差占鄰域內(nèi)所有灰度值大于均值的像元與均值的差值的和的均值濾波比例值，如果該均值濾波比例值大于設(shè)定的均值濾波比例閾值，則將該點(diǎn)判定結(jié)果設(shè)為1，否則為0；(3)分別計(jì)算該像元在四個(gè)方向上的比例值，如果每個(gè)方向上得到的比例值都大于設(shè)定的邊緣檢測(cè)比例閾值，則將該點(diǎn)判定結(jié)果設(shè)為1，否則設(shè)為0；(4)將步驟(2)和步驟(3)的判定結(jié)果相與作為該點(diǎn)在最終二值化圖像中的值。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102346910SQ20101024245
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者馮氺春, 卞春江, 張倫, 張磊, 蓋芳?xì)J, 盛大鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心