專利名稱：一種固體物質(zhì)的穩(wěn)定譜特征提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域，具體涉及基一種譜特征提取方法，特別適用于固體物 質(zhì)。
背景技術(shù)：
常規(guī)探測(cè)手段一般使用單譜段成像探測(cè)方法，在較寬的譜段上采集目標(biāo)/背景能 量，此時(shí)目標(biāo)往往淹沒于復(fù)雜的背景雜波之中或被干擾、偽裝等隱蔽，表現(xiàn)為目標(biāo)信號(hào)非常 微弱，信噪比、信雜比很低。然而目標(biāo)固有的物理、化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)等與背景、干擾、偽裝等 有較大差別，因此在某些譜線或較窄的譜段上，其特征會(huì)比較明顯，即在這些譜線或較窄譜 段上，目標(biāo)相對(duì)背景的信噪比、信雜比較高。通過(guò)譜指紋的提取，利用目標(biāo)在這些譜線上的 獨(dú)特的譜特征，可以大大提高目標(biāo)的可探測(cè)性。對(duì)目標(biāo)、背景的多光譜信息進(jìn)行有效的選擇、提取、分析，并將譜信息、圖像信息與 時(shí)間變化信息融合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化系統(tǒng)、優(yōu)化配置、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大大提高復(fù)雜條件下目標(biāo) 探測(cè)、識(shí)別的可靠性。隨著波段數(shù)量的增多，目標(biāo)探測(cè)時(shí)可以根據(jù)需要選擇或提取特定的波段突出目標(biāo) 特征，光譜特征的選擇變得更加靈活和多樣。同時(shí)，光譜數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含豐富的目標(biāo)光譜知識(shí)， 這些光譜知識(shí)通過(guò)不同的表現(xiàn)和組合方式可以轉(zhuǎn)化為不同的特征，可以為目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別 提供更廣泛的特征分析空間。另外，各類地物都有自己的光譜反射和輻射特性，利用不同地 物的光譜特征，可以實(shí)現(xiàn)地物的分類和識(shí)別。因此，譜指紋特征提取成為目標(biāo)識(shí)別研究中的 重要內(nèi)容。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)開始利用高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè) 方面的研究。美國(guó)陸軍工程地形學(xué)實(shí)驗(yàn)室(USAETL)提取了 1000余種包括土壤、植被和多 種偽裝材料在內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)，并配合AVIRIS高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了軍事目標(biāo)探測(cè)的研究。 同時(shí)，美國(guó)航空航天管理局(NASA)和加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)進(jìn)行了一些礦 物探測(cè)方面的研究。自上世紀(jì)九十年代，國(guó)外出現(xiàn)了進(jìn)行高光譜圖像目標(biāo)檢測(cè)算法理論研究的研究 組，如美國(guó)馬里蘭大學(xué)巴爾的摩分校遙感信號(hào)和圖像處理實(shí)驗(yàn)室的Chang組，美國(guó)麻省理 工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室Manolakis組等等。至今，使用譜進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別依然存在一些難題(一) 譜會(huì)隨目標(biāo)本體溫度的改變發(fā)生變化；(二)自然地物的譜會(huì)隨時(shí)間、地理環(huán)境的改變發(fā)生 變化。因此，提取譜獨(dú)特的不變特征成為基于譜指紋多譜圖(像)目標(biāo)識(shí)別與檢測(cè)的重要 研究?jī)?nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種固體物質(zhì)的穩(wěn)定譜特征提取方法，為復(fù)雜條件下的目 標(biāo)識(shí)別與檢測(cè)提供良好支撐。如圖11所示，一種固體物質(zhì)的穩(wěn)定譜特征提取方法，按照以下步驟完成
(1)對(duì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分解，獲得不同尺度下的概貌；(2)分別對(duì)各尺度下的概貌劃分區(qū)域，對(duì)各區(qū)域進(jìn)行基于形狀走勢(shì)的局部二進(jìn)制 編碼；(3)分別依據(jù)各區(qū)域的二進(jìn)制編碼生成區(qū)域特征直方圖，同一尺度下的所有區(qū)域 特征直方圖順序連接構(gòu)成空間增強(qiáng)直方圖；(4)對(duì)步驟(3)得到的不同尺度的空間增強(qiáng)直方圖加權(quán)計(jì)算獲得譜特征矢量。所述步驟(2)按照如下方式進(jìn)行局部二進(jìn)制編碼利用滑動(dòng)窗口逐元素遍歷區(qū)域 內(nèi)譜數(shù)據(jù)矢量中的所有元素，將滑動(dòng)窗口內(nèi)的當(dāng)前中心元素依次和其鄰域元素相減，獲得 的差值與容忍參數(shù)比較，根據(jù)比較結(jié)果作二進(jìn)制賦值。所述容忍參數(shù)為某一尺度的概貌中譜數(shù)據(jù)的最大和最小元素值之差與容忍系數(shù) 的乘積，容忍系數(shù)取值為1 5%。所述步驟(3)生成區(qū)域特征直方圖的方式為統(tǒng)計(jì)各區(qū)域的均衡模式出現(xiàn)頻率得 到各區(qū)域的特征直方圖，均衡模式定義為跳變次數(shù)小于或等于跳變次數(shù)閾值的局部二進(jìn)制 編碼。所述跳變次數(shù)閾值為2。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在(一 )在條件發(fā)生變化所引起的譜表觀上的改變后能有效地獲取譜內(nèi)蘊(yùn)的不變特 征，不受建立譜數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)對(duì)樣本采集的條件影響，為適應(yīng)復(fù)雜條件下目標(biāo)識(shí)別與檢測(cè)奠定 良好基礎(chǔ)。(二)對(duì)譜具有良好的鑒別能力，體現(xiàn)在本方法的設(shè)計(jì)中引入“立足局部，兼顧全 局”的思想，由對(duì)譜數(shù)據(jù)按區(qū)域進(jìn)行局部二進(jìn)制編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。(三)抗噪聲能力強(qiáng)，由于從多尺度分析的角度出發(fā)，自動(dòng)完成去噪過(guò)程，無(wú)需進(jìn) 行額外的預(yù)處理。(四)對(duì)譜數(shù)據(jù)中的部分細(xì)節(jié)信息可以通過(guò)容忍參數(shù)進(jìn)行過(guò)濾，有效提取穩(wěn)定特 征。本發(fā)明提出譜指紋特征提取的新策略，解決提取不變特征的問(wèn)題，為基于譜特征 的復(fù)雜條件下目標(biāo)識(shí)別提供支撐。


圖1為局部二進(jìn)制模式編碼原理示意圖，圖1 (a)原始譜數(shù)據(jù)矢量；圖1 (b)為進(jìn)行 局部二進(jìn)制模式(LBP)編碼后的譜數(shù)據(jù)矢量；圖1(c)為譜數(shù)據(jù)矢量中波峰的LBP編碼為 11111111 ；圖1(d)為譜數(shù)據(jù)矢量中波谷的LBP編碼為00000000;圖1(e)為譜數(shù)據(jù)矢量中 一個(gè)上降趨勢(shì)的局部區(qū)域的LBP編碼為11100000;圖1(f)為譜數(shù)據(jù)矢量中一個(gè)下降趨勢(shì) 的局部區(qū)域的LBP編碼為00011111 ；圖1(g)為譜數(shù)據(jù)矢量中一個(gè)含跳變“走勢(shì)”的局部區(qū) 域的LBP編碼為01110000。圖2為跳變次數(shù)計(jì)算方法，圖2 (a) LBP編碼具有2次跳變；圖2 (b) LBP編碼具有4 次跳變。圖3為技術(shù)途徑原理圖，圖3(a)為建庫(kù)流程圖；圖3(b)為識(shí)別流程圖。圖4為樣本庫(kù)中各物質(zhì)的輻射譜數(shù)據(jù)，圖4 (a)為樣本庫(kù)中烙鐵在某一溫度下的輻
4射譜；圖4(b)為樣本庫(kù)中甲醇在某一溫度下的輻射譜；圖4(c)為樣本庫(kù)中鎢絲在某一溫 度下的輻射譜。圖5為測(cè)試庫(kù)中各物質(zhì)的輻射譜數(shù)據(jù)，圖5(a)為烙鐵在不同溫度下的輻射譜；圖 5(b)為甲醇在不同溫度下的輻射譜；圖5(c)為鎢絲在不同溫度下的輻射譜。圖6為樣本庫(kù)中鎢絲的輻射譜和待識(shí)別目標(biāo)(鎢絲)的輻射譜。圖7為待識(shí)別目標(biāo)使用對(duì)稱小波進(jìn)行多尺度分解的結(jié)果，圖7 (a)為4級(jí)小波變換 的譜概貌；圖7 (b)為5級(jí)小波變換的譜概貌；圖7 (c)為6級(jí)小波變換的譜概貌；圖7 (d)為 7級(jí)小波變換的譜概貌；圖7(e)為8級(jí)小波變換的譜概貌。圖8為待識(shí)別目標(biāo)譜數(shù)據(jù)3級(jí)概貌的空間增強(qiáng)直方圖生成過(guò)程示意圖。圖9為待識(shí)別目標(biāo)譜特征矢量的形成過(guò)程示意圖。圖10為各種巖石在不同物理?xiàng)l件下的反射譜數(shù)據(jù)，實(shí)線和虛線分別代表不同風(fēng) 化程度的巖石的反射譜。圖10(1) 10(27)與具體物質(zhì)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示
權(quán)利要求
一種固體物質(zhì)的穩(wěn)定譜特征提取方法，按照以下步驟完成(1)對(duì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分解，獲得不同尺度下的概貌；(2)分別對(duì)各尺度下的概貌劃分區(qū)域，對(duì)各區(qū)域進(jìn)行基于形狀走勢(shì)的局部二進(jìn)制編碼；(3)分別依據(jù)各區(qū)域的二進(jìn)制編碼生成區(qū)域特征直方圖，同一尺度下的所有區(qū)域特征直方圖順序連接構(gòu)成空間增強(qiáng)直方圖；(4)對(duì)步驟(3)得到的不同尺度的空間增強(qiáng)直方圖加權(quán)計(jì)算獲得譜特征矢量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的譜特征提取方法，其特征在于，所述步驟(2)按照如下方式進(jìn) 行局部二進(jìn)制編碼利用滑動(dòng)窗口逐元素遍歷區(qū)域內(nèi)譜數(shù)據(jù)矢量中的所有元素，將滑動(dòng)窗 口內(nèi)的當(dāng)前中心元素依次和其鄰域元素相減，獲得的差值與容忍參數(shù)比較，根據(jù)比較結(jié)果 作二進(jìn)制賦值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的譜特征提取方法，其特征在于，所述容忍參數(shù)為某一尺度的 概貌中譜數(shù)據(jù)的最大和最小元素值之差與容忍系數(shù)的乘積，容忍系數(shù)取值為1 5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的譜指紋特征提取方法，其特征在于，所述步驟(3)生成區(qū)域特 征直方圖的方式為統(tǒng)計(jì)各區(qū)域的均衡模式出現(xiàn)頻率得到各區(qū)域的特征直方圖，均衡模式 定義為跳變次數(shù)小于或等于跳變次數(shù)閾值的局部二進(jìn)制編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的譜指紋特征提取方法，其特征在于，所述跳變次數(shù)閾值為2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種穩(wěn)定的固體物質(zhì)譜特征提取方法，首先對(duì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分解，再分別對(duì)各尺度下的概貌進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)各區(qū)域進(jìn)行局部二進(jìn)制編碼從而完成對(duì)譜數(shù)據(jù)獲得形狀走勢(shì)的表達(dá)，然后依據(jù)各區(qū)域的二進(jìn)制編碼生成區(qū)域特征直方圖，同一尺度下的所有區(qū)域特征直方圖順序連接構(gòu)成空間增強(qiáng)直方圖，最后對(duì)得到的不同尺度的空間增強(qiáng)直方圖加權(quán)計(jì)算獲得譜特征矢量。本發(fā)明用于提取不同條件下的固體材料譜內(nèi)蘊(yùn)的穩(wěn)定的特征，具有抗條件變化的魯棒性和優(yōu)良區(qū)分能力，為復(fù)雜條件下基于譜的目標(biāo)識(shí)別提供支撐。
文檔編號(hào)G06K9/46GK101976337SQ20101052074
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者付平, 劉翔燕, 孫協(xié)昌, 張偉, 張?zhí)煨? 徐利成, 方正, 楊衛(wèi)東, 王娟, 邊小勇, 鄭珍珠, 顏露新, 高慧杰 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)