高斯模型面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，更進一步涉及紅外圖像處理技術(shù)領(lǐng)域中的一種高 斯模型面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列仿真方法。本發(fā)明可為高斯模型面陣相機抖 動的紅外弱小目標(biāo)圖像的性能評估提供大量測試高撕模型面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo) 圖像序列，用來驗證紅外弱小目標(biāo)檢測算法的有效性。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外面陣相機已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代武器裝備中，紅外面陣相機真實拍攝的紅外弱 小目標(biāo)圖像序列無法提前已知紅外弱小目標(biāo)圖像抖動程度，并且獲得大量不同紅外背景下 的紅外面陣相機抖動紅外弱小目標(biāo)圖像序列具有較大難度。但是驗證紅外面陣相機抖動對 紅外弱小目標(biāo)檢測性能影響時需要大量已知紅外弱小目標(biāo)圖像抖動程度的紅外面陣相機 抖動紅外弱小目標(biāo)圖像序列。解決該問題須使用紅外面陣相機抖動紅外弱小目標(biāo)圖像序列 仿真技術(shù)。
[0003]目前，通過計算機建模仿真軟件生成相應(yīng)的抖動紅外弱小目標(biāo)圖像序列是一種有 效的技術(shù)方法。該方法生成的高斯模型面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列缺失紋理細 節(jié)信息，抖動參數(shù)不可控制，與真實的高斯模型面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列存 在較大誤差。無法為紅外面陣相機抖動對紅外弱小目標(biāo)檢測性能評估提供抖動參數(shù)可控的 紅外面陣相機抖動紅外弱小目標(biāo)圖像序列。
[0004]通常進行外場實驗要消耗大量的人力物力，穩(wěn)定性和可重復(fù)性差，受天氣影響較 大，通過計算機搭建半實物仿真平臺，可以仿真紅外弱小目標(biāo)在不同紅外背景下和不同抖 動參數(shù)下的紅外面陣相機抖動紅外弱小目標(biāo)圖像序列，可以在實驗室條件下實現(xiàn)，方便快 捷，節(jié)省人力和物力。
[0005] 展訊通信（上海）有限公司所申請的專利"圖像抖動方法和系統(tǒng)"（專利申請?zhí)?201380001045. 4,申請公布號CN104303226A)公開了一種圖像抖動方法，所述方法包括分 析所述圖像的多個像素的各個像素，所述各個像素具有整數(shù)值N位的顏色深度；確定所述 圖像的各個像素的索引值、與所述圖像各個像素的特定顏色分量相關(guān)的數(shù)值、和與所述圖 像各個像素的特定顏色分量相關(guān)的閾值。其中，間隔著預(yù)定數(shù)量像素的所述圖像的像素具 有相同的閾值。所述方法還包括，基于所述確定，修訂所述圖像的各個像素以使其具有整數(shù) 值M位的顏色深度，所述整數(shù)值M小于所述整數(shù)值N，該方法存在的不足是：當(dāng)仿真生成紅 外面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列時，遍歷紅外面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像 的所有像素的計算量大，并且該方法無法控制紅外面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像抖動 程度。
[0006]中國科學(xué)院沈陽自動化研究所申請的專利"一種海天背景下多類目標(biāo)的紅外動態(tài) 場景實時仿真方法"（專利申請?zhí)?01110447686. 5,申請公布號CN103186906A)公開了一 種海天背景下多類目標(biāo)的紅外動態(tài)場景實時仿真方法。該發(fā)明包括紅外建模、場景構(gòu)建、紅 外計算、紅外大氣傳輸計算、紅外場景實時生成、最后渲染生成紅外場景實時仿真圖像。該 方法仿真場景內(nèi)容豐富，能在同一場景中包含海面、天空、艦船及多種型號的飛機。在復(fù)雜 場景情況下依然能滿足實時要求，不僅根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)實時構(gòu)建動態(tài)場景，而且實時模擬聲 場紅外場景圖像。該方法存在的不足是：當(dāng)仿真生成紅外面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖 像時，需要場景進行分類并指定紋理類型，建立場景三維模型，生成映射文件，載入大氣參 數(shù)模型、成像模型和大氣參數(shù)條件，完成紅外場景圖像的仿真輸出，并且生成的高斯模型面 陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列缺失紋理細節(jié)特征，仿真的高斯模型紅外弱小目標(biāo)與 真實紅外弱小目標(biāo)吻合度較低。仿真的高斯模型面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列與 真實的紅外面陣相機抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像序列相比存在較大失真，并且該方法無法控 制紅外弱小目標(biāo)大小，紅外弱小目標(biāo)信噪比，紅外弱小目標(biāo)運動速度，紅外弱小目標(biāo)航跡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出了一種高斯模型面陣相機 抖動的紅外弱小目標(biāo)圖像仿真方法，本發(fā)明可以顯著豐富紅外面陣相機抖動的紅外弱小目 標(biāo)圖像的紋理細節(jié)特征，使高斯模型紅外弱小目標(biāo)紋理特征與真實紅外弱小目標(biāo)紋理特征 吻合度高，控制紅外弱小目標(biāo)具體參數(shù)，控制紅外面陣相機抖動程度，仿真方法簡單實用。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體步驟如下：
[0009] (1)采集紅外圖像背景：
[0010] (la)使用紅外熱像儀采集真實紅外圖像背景序列，得到原始紅外圖像背景序列；
[0011] (lb)將原始紅外圖像背景序列的幀數(shù)i賦值為1 ;
[0012] (2)仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景：
[0013] (2a)讀入原始紅外圖像背景序列中第i幀原始紅外圖像背景，0 <i彡R，R表示 原始紅外圖像背景序列總幀數(shù)；
[0014] (2b)設(shè)置第i幀原始紅外圖像背景裁剪的起始行和起始列；
[0015] (2c)裁剪第i幀原始紅外圖像背景，得到大小為MXN的仿真高斯模型紅外弱小目 標(biāo)圖像背景，M表示仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行數(shù)，N表示仿真高斯模型紅外 弱小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)，要求〇<M<A，0<N<B，A表示原始紅外圖像背景序列中每 一幀圖像的行數(shù)，B表示原始紅外圖像背景序列中每一幀圖像的列數(shù)；
[0016] (3)對仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景邊緣進行鏡像擴展；
[0017] (4)創(chuàng)建高斯模型紅外弱小目標(biāo)模型：
[0018] (4a)設(shè)置高斯模型紅外弱小目標(biāo)信噪比D，D在0 <D彡20范圍內(nèi)取整數(shù)值；
[0019] (4b)按照下式，計算高斯模型紅外弱小目標(biāo)像素灰度峰值：
[0020] s=DX〇+y
[0021] 其中，s表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)像素灰度峰值，D表示所設(shè)定的高斯模型紅外 弱小目標(biāo)信噪比，〇表示以高斯模型紅外弱小目標(biāo)型心為中心局部鄰域內(nèi)所有像素的標(biāo)準(zhǔn) 差，y表示以高斯模型紅外弱小目標(biāo)型心為中心局部鄰域內(nèi)所有像素的均值；
[0022] (4c)將高斯模型紅外弱小目標(biāo)的大小設(shè)置為mXm像素，其中，m在0<m彡10范 圍內(nèi)取整數(shù)值；
[0023] (4d)產(chǎn)生大小為mXm，均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為〇的二維高斯正態(tài)矩陣，m在0 <m< 10范圍內(nèi)取整數(shù)值，〇表示以高斯模型紅外弱小目標(biāo)型心為中心局部鄰域內(nèi)所有 像素的標(biāo)準(zhǔn)差；
[0024] (4e)對產(chǎn)生的二維高斯正態(tài)矩陣進行歸一化操作；
[0025] (4f)計算高斯模型紅外弱小目標(biāo)像素灰度峰值S與以高斯模型紅外弱小目標(biāo)型 心為中心局部鄰域內(nèi)所有像素的標(biāo)準(zhǔn)差y的差值；
[0026] (4g)按照下式，計算高斯模型紅外弱小目標(biāo)的灰度矩陣：
[0027] Hi=GXH+y
[0028] 其中，氏表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)的灰度矩陣，G表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)像 素灰度峰值S與以高斯模型紅外弱小目標(biāo)型心為中心局部鄰域內(nèi)所有像素的標(biāo)準(zhǔn)差y的 差值，H表示對產(chǎn)生的二維高斯正態(tài)矩陣進行歸一化操作后的到的歸一化矩陣，y表示以 高斯模型紅外弱小目標(biāo)型心為中心局部鄰域內(nèi)所有像素的均值；
[0029] (5)設(shè)置高斯模型紅外弱小目標(biāo)航跡：
[0030] (5a)將高斯模型紅外弱小目標(biāo)運動速度設(shè)置為AX像素/幀，其中，AX在 0〈AX〈10范圍內(nèi)取值；
[0031] (5b)將第i幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景左上角頂點的像素點作為原 點，水平向右方向作為x軸，垂直向下方向作為y軸，建立第i幀仿真高斯模型紅外弱小目 標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系；
[0032] (5c)判斷仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景幀數(shù)是否為1，如果是，執(zhí)行步驟 (5d);否則，執(zhí)行步驟（5e);
[0033] (5d)將高斯模型紅外弱小目標(biāo)在第1幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景航 跡坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值設(shè)置為 Xl，〇 < Xl<N，N表示仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景 的列數(shù)，按照下式，建立第1幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡的直線模型：
[0034] y!=ax!+b
[0035] 其中，yi表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)在第1幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背 景航跡坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值，〇 < yi<M，M表示仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行 數(shù)，Xl表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)在第1幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo) 系中的橫坐標(biāo)值，〇 < Xl<N，N表示仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)，a表示 仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡的直線模型的斜率，b表示仿真高斯模型紅外弱 小目標(biāo)圖像背景航跡的直線模型的截距，a和b的取值范圍為：0 <aXl+b<M，M表示仿真 高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行數(shù)；
[0036] (5e)按照下式，建立除第1幀以外的仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡的 直線模型：
[0037]
[0038] 其中，Xl表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)在第i幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背 景航跡坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值，〇 < Xl<N，N表示仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景的列 數(shù)，Xll表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)在第（i-1)幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景航 跡坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值，〇 <XlN，N表示仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)， Ax表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)運動速度，AX在〇〈Ax〈l〇范圍內(nèi)取值，yi表示高斯模型 紅外弱小目標(biāo)在第i幀仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值，0 <yi彡M，M表示仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行數(shù)，a表示高斯模型紅外弱小目 標(biāo)航跡的直線模型的斜率，b表示高斯模型紅外弱小目標(biāo)航跡的直線模型的截距，a和b的 取值范圍為：〇 <aXl+b彡M;
[0039] (6)合成仿真高斯模型紅外弱小目標(biāo)圖像：
[0040] (6a)按照下式