一種時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法，該方法包括：步驟S1：在歷史圖像上選取各種時(shí)敏目標(biāo)訓(xùn)練區(qū)域，每幅訓(xùn)練圖像的每個(gè)像素處提取高維的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征，離線學(xué)習(xí)各類時(shí)敏目標(biāo)的結(jié)構(gòu)字典；步驟S2：在當(dāng)前在軌每一時(shí)相的圖像上的每個(gè)像素處提取高維的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征，利用結(jié)構(gòu)字典求解敏目標(biāo)類型指示向量，根據(jù)時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量結(jié)構(gòu)稀疏特性識(shí)別可疑目標(biāo)的位置和可疑目標(biāo)的類型，提取可疑目標(biāo)區(qū)域；步驟S3：對(duì)在不同時(shí)相的在軌圖像上檢測(cè)的可疑目標(biāo)區(qū)域的軌跡進(jìn)行分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的奇異性在軌識(shí)別出時(shí)敏目標(biāo)；步驟S4：將在軌時(shí)敏目標(biāo)的圖像作為結(jié)構(gòu)字典在軌增量更新的訓(xùn)練圖像，返回步驟S1。
【專利說(shuō)明】一種時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在軌圖像處理、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)監(jiān)控等【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一 種時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 與普通的目標(biāo)相比，時(shí)敏目標(biāo)具有很強(qiáng)的時(shí)效性，時(shí)敏目標(biāo)必須在有限的時(shí)間窗 口內(nèi)識(shí)別，稍縱即逝。同時(shí)，時(shí)敏目標(biāo)往往都是非常重要的目標(biāo)，一旦失去識(shí)別的機(jī)會(huì)，將造 成重大損失。因此，時(shí)敏目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別具有重要的研究意義，但同時(shí)更具挑戰(zhàn)性。
[0003] 隨著高空間分辨率、高時(shí)間分辨率遙感衛(wèi)星的發(fā)展，利用衛(wèi)星圖像在軌檢測(cè)和識(shí) 別時(shí)敏目標(biāo)成為可能。與其他的數(shù)據(jù)獲取手段相比，衛(wèi)星圖像范圍大，有利于對(duì)時(shí)敏目標(biāo)進(jìn) 行準(zhǔn)確、長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤。
[0004] 時(shí)敏目標(biāo)檢測(cè)的難點(diǎn)主要在于時(shí)敏目標(biāo)的復(fù)雜性，時(shí)敏目標(biāo)只有在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā) 生狀態(tài)改變或軌跡突變時(shí)才呈現(xiàn)時(shí)敏目標(biāo)的特征，而這個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)很難被捕捉到。對(duì) 于時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)，可以利用的先驗(yàn)知識(shí)和數(shù)據(jù)很少，如何利用最新數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整離 線狀態(tài)訓(xùn)練的目標(biāo)模型是時(shí)敏目標(biāo)檢測(cè)的關(guān)鍵。但上述關(guān)鍵技術(shù)目前很不成熟，限制了時(shí) 敏目標(biāo)在線檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)在軌處理的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用的需求，提供一種有效的時(shí)敏目 標(biāo)的在軌檢測(cè)方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法，該方法包括步驟如下：
[0007] 步驟Sl :在歷史圖像上選取各種時(shí)敏目標(biāo)訓(xùn)練區(qū)域，在每種類型的時(shí)敏目標(biāo)的每 幅訓(xùn)練圖像的每個(gè)像素處提取高維的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征，離線學(xué)習(xí)各類時(shí)敏 目標(biāo)的結(jié)構(gòu)字典；
[0008] 步驟S2 :在當(dāng)前在軌每一時(shí)相的圖像上的每個(gè)像素處提取高維的多尺度同心圓 環(huán)簇方向梯度特征，利用結(jié)構(gòu)字典求解多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征的投影系數(shù)即時(shí)敏 目標(biāo)類型指示向量，根據(jù)時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量的結(jié)構(gòu)稀疏特性識(shí)別可疑目標(biāo)的位置和可 疑目標(biāo)的類型，根據(jù)時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量的相似性提取可疑目標(biāo)區(qū)域；
[0009] 步驟S3 :對(duì)在不同時(shí)相的在軌圖像上檢測(cè)的可疑目標(biāo)區(qū)域的軌跡進(jìn)行分析，根據(jù) 運(yùn)動(dòng)軌跡的奇異性在軌識(shí)別出時(shí)敏目標(biāo)；
[0010] 步驟S4:將在軌時(shí)敏目標(biāo)的圖像作為結(jié)構(gòu)字典在軌增量更新的訓(xùn)練圖像，返回步 驟S1。
[0011] 本發(fā)明所述方法對(duì)于提高時(shí)敏目標(biāo)在軌檢測(cè)的普適性、自動(dòng)化程度具有重要的意 義，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：
[0012] 本發(fā)明將歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)和當(dāng)前最新數(shù)據(jù)相結(jié)合，將時(shí)敏目標(biāo)的先驗(yàn)約束通過(guò)歷史 訓(xùn)練數(shù)據(jù)體現(xiàn)出來(lái)，保障了在無(wú)人干預(yù)的在軌處理環(huán)境中能夠?qū)⑿枨蠛蛿?shù)據(jù)特點(diǎn)很好的結(jié) 合起來(lái)；將歷史數(shù)據(jù)包含的時(shí)敏目標(biāo)的特征以及當(dāng)前圖像的新特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)字典在 軌增量更新提高了字典的表征能力并大大節(jié)約了計(jì)算量。
[0013] 本發(fā)明在目標(biāo)檢測(cè)階段利用時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量表示像素所屬的目標(biāo)類型，克 服了標(biāo)量表示方法的不確定性；根據(jù)像素間時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量的相似性提取目標(biāo)區(qū) 域，提高了對(duì)噪聲及遮擋的魯棒性。
[0014] 本發(fā)明在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)異常檢測(cè)階段利用目標(biāo)區(qū)域的基于協(xié)方差矩陣的廣義特征值 的距離度量對(duì)視角變化具有很好的魯棒性，減少了時(shí)敏目標(biāo)識(shí)別的虛警率；在時(shí)空軌跡異 常檢測(cè)階段將時(shí)空軌跡變化曲線轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)空間，有效地刻畫(huà)了時(shí)敏目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)奇異 性，提高了時(shí)敏目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確率。
[0015] 得益于上述優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明使時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)成為可能，極大地提高了時(shí)敏目 標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別的時(shí)效性、魯棒性和自動(dòng)化程度，可廣泛應(yīng)用于時(shí)敏目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)、目標(biāo)監(jiān) 控等系統(tǒng)中。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明一種時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法流程圖。
[0017] 圖2是時(shí)空軌跡異常檢測(cè)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的技術(shù)問(wèn)題。應(yīng)指出的是，所描述的 實(shí)施方式僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0019] 如圖1示出本發(fā)明提出一種時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0020] 步驟Sl :在歷史圖像上選取各種時(shí)敏目標(biāo)訓(xùn)練區(qū)域，在每種類型的時(shí)敏目標(biāo)的每 幅訓(xùn)練圖像的每個(gè)像素處提取高維的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征，離線學(xué)習(xí)各類時(shí)敏 目標(biāo)的結(jié)構(gòu)字典。
[0021] 所述多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征以采樣點(diǎn)為中心、以采樣尺度為半徑的圖像 塊上取樣并構(gòu)造3個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的取樣點(diǎn)位于上述不同半徑的同心 圓環(huán)上，每個(gè)同心圓環(huán)上按45°等角度間隔提取8個(gè)取樣點(diǎn)，同一半徑上的取樣點(diǎn)具有相 同的高斯尺度值，不同半徑上的取樣點(diǎn)高斯尺度值不同。所述多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度 特征提取的具體過(guò)程如下：
[0022] 步驟SOl :計(jì)算以采樣點(diǎn)為中心、以采樣尺度E為半徑的圖像塊的每個(gè)像素（u，v) 的8個(gè)方向梯度，然后，用高斯核卷積得到（u，v)處的方向梯度特征向量hj；(u，v)如下表 示：
[0023] K (//, V) [UV(?, V), vI'' ? ^^v'))]7 ( 1 )
[0024] u和V分別為像素的行號(hào)和列號(hào)，T表示向量的轉(zhuǎn)置，化;1')表示第m個(gè)方向梯度 用高斯核卷積得到的梯度向量，m為方向編號(hào)，m= 1，2，…，8。
[0025] 步驟S02 :多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征D(u，v)是描述取樣點(diǎn)（u，v)局部支撐 區(qū)域中每個(gè)位置的一系列相關(guān)向量的并集，D (u，V)的表示形式如下：
[0026] = I/Vv (Illl2(//,r,Rn2)) I /? = 1,2,3;/;/2 = 1,2,? ? ?,8;/72 = 1,2,3.； (2)
[0027] 其中，Im2(u，v，Rn2)表示像素點(diǎn)（u，v)的第n2個(gè)同心圓環(huán)上第m2個(gè)取樣點(diǎn)的坐 標(biāo)，W",:(〃，v'，/〈,:)）表示像素點(diǎn)（u，v)的第 n2個(gè)同心圓環(huán)上第m2個(gè)取樣點(diǎn)的局部方向梯 度直方圖，n為米樣尺度序號(hào)，n2為同心圓環(huán)序號(hào)，m2為取樣點(diǎn)序號(hào)。
[0028] 所述結(jié)構(gòu)字典學(xué)習(xí)是從高維的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征向量集合及對(duì)應(yīng) 的目標(biāo)類型編號(hào)中學(xué)習(xí)低維的、可分性好的字典。設(shè)圖像為目標(biāo)類型j的第i幅訓(xùn)練圖 像，/,(/)的像素個(gè)數(shù)為Ni,則從圖像可以提取到Ni個(gè)多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征向 量，這Ni個(gè)特征向量的并集作為目標(biāo)類型j的特征。為方便敘述，將第j類目標(biāo)的訓(xùn)練特征 集合記為Xj = {xk = {j，fk} 11彡k彡A」}，xk = {j，fk}表示其中的第k個(gè)訓(xùn)練樣本，j為 目標(biāo)類型編號(hào)，fk為第k個(gè)訓(xùn)練樣本對(duì)應(yīng)的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征向量，表示 第j類目標(biāo)訓(xùn)練特征集合中元素個(gè)數(shù)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)字典學(xué)習(xí)模型如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種時(shí)敏目標(biāo)的在軌檢測(cè)方法，該方法包括步驟如下： 步驟S1 :在歷史圖像上選取各種時(shí)敏目標(biāo)訓(xùn)練區(qū)域，在每種類型的時(shí)敏目標(biāo)的每幅訓(xùn) 練圖像的每個(gè)像素處提取高維的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征，離線學(xué)習(xí)各類時(shí)敏目標(biāo) 的結(jié)構(gòu)字典； 步驟S2 :在當(dāng)前在軌每一時(shí)相的圖像上的每個(gè)像素處提取高維的多尺度同心圓環(huán)簇 方向梯度特征，利用結(jié)構(gòu)字典求解多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征的投影系數(shù)即時(shí)敏目標(biāo) 類型指示向量，根據(jù)時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量的結(jié)構(gòu)稀疏特性識(shí)別可疑目標(biāo)的位置和可疑目 標(biāo)的類型，根據(jù)時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量的相似性提取可疑目標(biāo)區(qū)域； 步驟S3 :對(duì)在不同時(shí)相的在軌圖像上檢測(cè)的可疑目標(biāo)區(qū)域的軌跡進(jìn)行分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng) 軌跡的奇異性在軌識(shí)別出時(shí)敏目標(biāo)； 步驟S4:將在軌時(shí)敏目標(biāo)的圖像作為結(jié)構(gòu)字典在軌增量更新的訓(xùn)練圖像，返回步驟 S1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)字典是從高維的多尺度同心圓 環(huán)簇方向梯度特征向量集合以及對(duì)應(yīng)的時(shí)敏目標(biāo)類型編號(hào)中學(xué)習(xí)得到的低維的多尺度同 心圓環(huán)簇方向梯度特征。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，根據(jù)時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量的稀疏性和 不同像素處時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量之間的相似性構(gòu)建結(jié)構(gòu)字典的學(xué)習(xí)模型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對(duì)各類型時(shí)敏目標(biāo)的多尺度同心圓環(huán)簇 方向梯度特征集合進(jìn)行主成分分析，得到并將與顯著特征值對(duì)應(yīng)的特征向量的并集作為初 始字典，再交替迭代更新初始字典和投影系數(shù)，獲得結(jié)構(gòu)字典。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取可疑目標(biāo)區(qū)域的步驟包括如下： 步驟S21 :根據(jù)結(jié)構(gòu)字典構(gòu)建新的投影矩陣，將當(dāng)前在軌每一時(shí)相的圖像的每個(gè)像素 的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征向量進(jìn)行投影，得到每個(gè)像素的時(shí)敏目標(biāo)類型指示向 量； 步驟S22:根據(jù)體現(xiàn)像素所屬的目標(biāo)的類型信息的時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量的結(jié)構(gòu)稀疏 性確定可疑目標(biāo)； 步驟S23 :根據(jù)位于同一區(qū)域的像素具有相似的目標(biāo)類型指示向量對(duì)在軌每一時(shí)相的 圖像進(jìn)行分割，提取可疑目標(biāo)區(qū)域。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述在軌識(shí)別出時(shí)敏目標(biāo)步驟包括如下： 步驟S31 :利用可疑目標(biāo)區(qū)域的時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量集合的協(xié)方差矩陣的距離差異 為每一可疑目標(biāo)尋找在臨近時(shí)刻的最近鄰，如果最近鄰區(qū)域之間的多尺度同心圓環(huán)簇方向 梯度特征向量集合之間的協(xié)方差矩陣仍為最近鄰，則表示該目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)未發(fā)生異常即 為非時(shí)敏目標(biāo)；如果最近鄰區(qū)域之間的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征向量集合之間的協(xié) 方差矩陣不為最近鄰，則該目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生異常即為時(shí)敏目標(biāo)； 步驟S32 :將不同時(shí)相非時(shí)敏目標(biāo)的時(shí)空軌跡變化曲線投影到極坐標(biāo)下，根據(jù)極坐標(biāo) 中相鄰時(shí)空軌跡的方向變化識(shí)別時(shí)敏目標(biāo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述可疑目標(biāo)區(qū)域之間具有的距離差異， 利用可疑目標(biāo)區(qū)域的時(shí)敏目標(biāo)類型指示向量集合的協(xié)方差矩陣之間的差異來(lái)度量距離差 異；利用協(xié)方差矩陣的廣義特征值的平方和來(lái)度量所述協(xié)方差矩陣之間的距離差異。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述可疑目標(biāo)區(qū)域之間具有的距離差異， 利用可疑目標(biāo)區(qū)域的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征向量集合的協(xié)方差矩陣之間的差異 來(lái)度量距離差異；利用協(xié)方差矩陣的廣義特征值的平方和來(lái)度量所述協(xié)方差矩陣之間的距 離差異。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述在軌識(shí)別時(shí)敏目標(biāo)是將時(shí)空軌跡變 化曲線投影到極坐標(biāo)下，將不同時(shí)相非時(shí)敏目標(biāo)的速度變化與方向變化相分離，得到時(shí)空 軌跡方向變化的曲線，用于更好的描述時(shí)空軌跡的異常性。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)字典在軌增量更新訓(xùn)練圖像的 步驟包括如下： 步驟S41 :當(dāng)訓(xùn)練樣本較多時(shí)，為滿足在軌處理的時(shí)效性要求，將已檢測(cè)到的在軌時(shí)敏 目標(biāo)及可疑目標(biāo)的多尺度同心圓環(huán)簇方向梯度特征作為新的訓(xùn)練樣本； 步驟S42:根據(jù)當(dāng)前圖像、當(dāng)前時(shí)敏目標(biāo)獲得的結(jié)構(gòu)字典在軌增量更新的訓(xùn)練圖像，利 用新的訓(xùn)練樣本，對(duì)前一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)字典在軌增量更新。
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK104408401SQ201410589172
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】霍春雷, 潘春洪, 周志鑫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所