基于張量擴(kuò)展的半脊方向?yàn)V波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外小目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于半脊方向?yàn)V波器的選取、圖像模 板的建立、張量的擴(kuò)展變形及濾波模板的建立和濾波方向的選取，適用于空天及海天背景 下單個(gè)或多個(gè)小目標(biāo)的紅外預(yù)警、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈智能尋的。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著軍事高科技的飛速發(fā)展，以精確制導(dǎo)導(dǎo)彈為代表的各種精確制導(dǎo)武器在現(xiàn) 代戰(zhàn)場(chǎng)中發(fā)揮了越來越強(qiáng)大的威力，精確制導(dǎo)武器也對(duì)軍事要地和飛機(jī)、軍艦等高價(jià)值作 戰(zhàn)平臺(tái)的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。隨著工業(yè)制造水平和隱身材料的高速發(fā)展及逐步的成熟， 隱身材料在軍事上的廣泛應(yīng)用，使得雷達(dá)越來越不容易檢測(cè)到目標(biāo)。并且由于雷達(dá)本身 固有的對(duì)外輻射特性，使雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)存在容易暴露己方作戰(zhàn)平臺(tái)從而容易受到反輻射 導(dǎo)彈攻擊的缺點(diǎn)。紅外探測(cè)器自身不輻射能量，僅以被動(dòng)的方式接收目標(biāo)輻射的熱能探 測(cè)目標(biāo)，且標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下，地對(duì)空的探測(cè)距離能達(dá)到100公里，外太空環(huán)境下探測(cè)距離 達(dá)到數(shù)百公里。因此較雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)而言，紅外探測(cè)系統(tǒng)具有隱蔽性好、抗電磁干擾能力 強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因而紅外小目標(biāo)識(shí)別成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)防御系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的技術(shù)。當(dāng)前，在紅 外小目標(biāo)檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種方法，其中文獻(xiàn)"WangGD，ChenChY， ShenXB.Facet-basedinfraredsmalltargetdetectionmethod[J]，Electronics Letters.Oct. 2005,41 (22) :218-219. "采用的面模型的匹配濾波法是基于不同時(shí)間采集 的多幀圖像，圖像序列必須配準(zhǔn)，不適用于單幀圖像目標(biāo)檢測(cè)；文獻(xiàn)"LtiYan，SHILin，SU Xin-zhu.Methodfordimsmalltargetdetectionbasedonwaveletandhigher-order cumulant[J] ?InfraredTechnology，2006, 28 (12) : 713-716. " 提出的基于小波和高階累 積量的檢測(cè)方法雖能大大提高圖像信噪比并且保留了目標(biāo)信息，但小波算法本身比較復(fù) 雜；文獻(xiàn)"SUXiu-qin，LIANGJin-feng，LUTao，etal.IRtargetdetection&tracking algorithmbasedonsea-skybackground[J].ActaPhotonicaSinica,2009, 38(5) :1309-1312. "采用一種結(jié)合形態(tài)學(xué)和區(qū)域自適應(yīng)濾波的檢測(cè)算法，該方法實(shí)時(shí)性好， 但當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)弱小時(shí)，容易在目標(biāo)周圍產(chǎn)生虛警點(diǎn)；專利"基于線性PCA的紅外點(diǎn)目標(biāo)檢 測(cè)方法"將目標(biāo)檢測(cè)問題轉(zhuǎn)化為模式分類問題，但在對(duì)目標(biāo)模型的學(xué)習(xí)過程中沒有考慮噪 聲的干擾，使得該方法對(duì)復(fù)雜背景的適應(yīng)能力很弱，且檢測(cè)過程十分復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。
[0003] 綜上所述，許多計(jì)算量小的紅外小目標(biāo)識(shí)別方法，雖實(shí)時(shí)性比較好，但都是在特定 背景條件下做了一些理想假定，如差分法等，不能有效識(shí)別出背景復(fù)雜度高的小目標(biāo)圖像， 具有一定的使用局限性。而復(fù)雜度較高的方法，如小波變換法等，雖具有較好的識(shí)別效果， 但往往實(shí)時(shí)性比較差，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于張量擴(kuò)展的半脊方向 濾波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法，在以不增加檢測(cè)成本的前提下，適用于更多背景下的紅外小 目標(biāo)圖像，并提高了紅外小目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性。
[0005] 本發(fā)明是一種基于張量擴(kuò)展的半脊方向?yàn)V波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法，其特征在 于，包括如下步驟：
[0006] (1)讀取小目標(biāo)原圖，大小修正為256X256 ;
[0007] (2)由于小目標(biāo)圖像點(diǎn)旋轉(zhuǎn)方向不變的特性，根據(jù)半脊濾波器構(gòu)成的圖像所具有 的方向?yàn)V波特性，利用余弦函數(shù)來構(gòu)成一個(gè)左下角灰度值達(dá)到最大，右上角灰度值最小的 半脊方向?yàn)V波器的圖像模板，其圖像模板大小為nXn，取n= 2 ;
[0008] (3)利用張量的定義從圖像模板上獲得與之相關(guān)的4個(gè)張量矩陣，并將每個(gè)張量 矩陣擴(kuò)展成大小為9X9的矩陣，選取每個(gè)矩陣中間的5X5個(gè)值為濾波矩陣，把得到的4個(gè) 5X5大小的濾波矩陣按照從圖像模板中提取張量的相應(yīng)位置排列構(gòu)成濾波模板；
[0009] (4)在濾波模板每個(gè)5X5大小的濾波矩陣上，分別確定4個(gè)濾波方向的角度為 atan(l/2)，n/2-atan(l/2)，Ji/2+atan(l/2)，Ji-atan(l/2);
[0010] (5)在步驟（3)中得到濾波模板的每個(gè)5X5大小的濾波矩陣上，分別以
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于張量擴(kuò)展的半脊方向?yàn)V波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法，其特征在于，包括如下 步驟： (1) 讀取小目標(biāo)原圖，大小修正為256X256 ; (2) 由于小目標(biāo)圖像點(diǎn)旋轉(zhuǎn)方向不變的特性，根據(jù)半脊濾波器構(gòu)成的圖像所具有的方 向?yàn)V波特性，利用余弦函數(shù)構(gòu)成一個(gè)左下角灰度值達(dá)到最大，右上角灰度值最小的半脊方 向?yàn)V波器的圖像模板，其圖像模板大小為nXn，取n= 2 ; (3) 利用張量的定義從圖像模板上獲得與圖像相關(guān)的4個(gè)張量矩陣，并將每個(gè)張量矩 陣擴(kuò)展成大小為9X9的矩陣，選取每個(gè)矩陣中間的5X5個(gè)值為濾波矩陣，把得到的4個(gè) 5X5大小的濾波矩陣按照從圖像模板中提取張量的相應(yīng)位置排列構(gòu)成濾波模板； (4) 在濾波模板每個(gè)5X5大小的濾波矩陣上，分別確定4個(gè)濾波方向的角度為 atan(l/2)，Ji/2-atan(l/2)，Ji/2+atan(l/2)，Ji-atan(l/2); (5) 在步驟（3)中得到濾波模板的每個(gè)5X5大小的濾波矩陣上，分別以個(gè)像素距 離為單位在該濾波模板上按照步驟（4)中所述4個(gè)方向分別取值，每個(gè)方向上取5個(gè)點(diǎn)，當(dāng) 單位距離上的點(diǎn)沒有值時(shí)，用該點(diǎn)相鄰最近兩點(diǎn)和的均值代替該點(diǎn)的取值； (6) 設(shè)計(jì)所述4個(gè)方向上的加權(quán)濾波公式，在每個(gè)方向上分別處理小目標(biāo)原圖并保存， 得到四副不同方向上的小目標(biāo)子圖，具體步驟有： 6. 1)選取每個(gè)方向上5個(gè)點(diǎn)的值，分別設(shè)計(jì)4個(gè)方向上的加權(quán)濾波公式； 6. 2)然后在4個(gè)濾波矩陣上只選用一個(gè)方向上的加權(quán)濾波公式同時(shí)處理小目標(biāo)原圖 并保存，處理后的小目標(biāo)原圖稱為該方向上的小目標(biāo)子圖； 6. 3)按照6. 2)所述方法，在其他三個(gè)方向上對(duì)小目標(biāo)圖像做同樣處理，并分別保存， 共得到四副小目標(biāo)子圖； (7) 按照矩陣對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘的方法對(duì)步驟（6)中得到的四副小目標(biāo)子圖進(jìn)行遍歷相乘， 融合成一幅新的圖像，并對(duì)該副圖像進(jìn)行歸一化處理，最終得到背景抑制后的小目標(biāo)圖像， 識(shí)別結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于張量擴(kuò)展的半脊方向?yàn)V波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法，其特 征在于：步驟（2)中，由余弦函數(shù)生成的圖像模板Z(n，n)各點(diǎn)灰度值的表達(dá)式為：
當(dāng)i〈n時(shí)：Z(n-i+m，m) =y(i)，m= 1，2, 3,...，i 當(dāng)i=n時(shí)：Z(1，k) =y(i)，1 =k= 1，2, 3,…，n 當(dāng)i>n時(shí)：Z(2n-i_m，n_m) =y(i)，m= 0, 1，2, ???，2n-i_l 其中n為圖像模板的大小，y(i)為灰度值函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于張量擴(kuò)展的半脊方向?yàn)V波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法，其特 征在于：步驟（3)中，依據(jù)張量的定義，對(duì)步驟（2)中形成的大小為2X2的圖像模板提取張 量矩陣，得到4個(gè)張量矩陣，并將每個(gè)張量矩陣按照二維卷積規(guī)則擴(kuò)展至3X3大小，并繼續(xù) 擴(kuò)展該3X3的矩陣直至該矩陣大小為9X9結(jié)束，得到4個(gè)大小為9X9的擴(kuò)展矩陣，選定 每個(gè)擴(kuò)展矩陣的中間5X5個(gè)值為濾波矩陣，把得到的4個(gè)5X5大小的濾波矩陣按照從圖 像模板中提取張量的相應(yīng)位置排列構(gòu)成濾波模板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于張量擴(kuò)展的半脊方向?yàn)V波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法，其特 征在于：步驟（6)中，設(shè)計(jì)4個(gè)方向的加權(quán)濾波公式，其中設(shè)計(jì)的atan(l/2)方向上的加權(quán) 濾波公式為： Pnew(i,j) =[T(-2, 1)xp(i-2,j+1) + ((T(-1, 0)+T(-1, 1)) /2)X(p(i-1,j) + P(i-1,j+1)) /2+T(0, 0)Xp(i,j) + ((T(1, 0)+T(1, -1)) /2) (p(i+1,j)+p(i+1,j-1)) /2+T(2, -1)Xp(i+2,j-1) ]/K K=T(-2, 1) +(T(-1, 0)+T(-1, 1)) /2+T(0, 0) +(T(1, 0)+T(1, -1)) /2+T(2, -1) 其中，P(i，j)為小目標(biāo)圖像中的像素點(diǎn)，則i，j為整數(shù)且i，je[1，256] ;pnew(i，j) 為小目標(biāo)圖像該點(diǎn)處的新灰度值；T(i，j)為步驟（3)中所提到的5X5濾波矩陣， 且-2 <i，j< 2 ;其他三個(gè)方向的加權(quán)濾波公式僅需將按照相應(yīng)方向變化的p(i，j)和 T(i，j)點(diǎn)坐標(biāo)分別帶入atan(l/2)方向上的加權(quán)濾波公式即可獲得。
【專利摘要】基于張量擴(kuò)展的半脊方向?yàn)V波器紅外小目標(biāo)識(shí)別方法。本發(fā)明首先讀取小目標(biāo)圖像；利用余弦函數(shù)來構(gòu)造圖像模板；按二維卷積規(guī)則將從圖像模板上得到的張量矩陣大小擴(kuò)展為9×9，選取中間5×5個(gè)值為濾波矩陣，得到的濾波矩陣構(gòu)成濾波模板；確定4個(gè)濾波方向；設(shè)計(jì)每個(gè)方向上的加權(quán)濾波公式；待每個(gè)方向上的加權(quán)濾波公式遍歷完圖像后，保存子圖；將保存的子圖按照矩陣對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘的方法融合成一幅圖像，歸一化處理后得到背景抑制后的小目標(biāo)圖像。本發(fā)明解決了天空、海天背景下的紅外小目標(biāo)識(shí)別問題。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、便于硬件并行處理，且漏檢率低、信噪比高。適用于空天及海天背景下單個(gè)或多個(gè)小目標(biāo)的紅外預(yù)警、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈智能尋的。
【IPC分類】G06K9-00, G06K9-46
【公開號(hào)】CN104809444
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510226878
【發(fā)明人】付小寧, 任國(guó)鵬
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月6日