基于紅外多目標(biāo)圖像序列的自動(dòng)判讀技術(shù)

摘 要：提出了一種紅外多目標(biāo)圖像序列的自動(dòng)判讀方法，先著重闡述一種目標(biāo)序列段自動(dòng)變步長(zhǎng)搜索方法精確定位有用目標(biāo)序列段，然后對(duì)圖像二值化分割批處理方法以及判讀脫靶量計(jì)算等關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明，最后輸出準(zhǔn)實(shí)時(shí)脫靶量；探討目標(biāo)搜索中步長(zhǎng)和信號(hào)量閾值對(duì)搜索時(shí)長(zhǎng)以及精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于低SNR的紅外弱小多目標(biāo)圖像序列，該判讀方法能縮短判讀時(shí)間，提高判讀的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)判讀；自動(dòng)變步長(zhǎng)搜索；脫靶量；圖像處理

0 引 言
    視頻記錄與判讀系統(tǒng)是靶場(chǎng)紅外測(cè)量設(shè)備的重要組成部分，用來(lái)實(shí)時(shí)記錄目標(biāo)視頻圖像并完成對(duì)測(cè)量目標(biāo)的定位和判讀。在靶場(chǎng)測(cè)量中，準(zhǔn)確地提取圖像中弱小多目標(biāo)的脫靶量對(duì)于交匯計(jì)算目標(biāo)的彈道和落點(diǎn)等信息起決定作用。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，對(duì)靶場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的效率提出了更高要求，數(shù)據(jù)量更大，處理速度更快，測(cè)量更精確。對(duì)于大數(shù)據(jù)量的紅外多目標(biāo)圖像序列，運(yùn)用合適的方法在圖像序列中自動(dòng)快速找到含有目標(biāo)的圖像序列段并對(duì)其進(jìn)行判讀是重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，研究紅外圖像多目標(biāo)段序列的自動(dòng)判讀技術(shù)具有重大意義。在此，研究的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)序列段的準(zhǔn)確定位以及測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)判讀，對(duì)于紅外弱小多目標(biāo)的檢測(cè)，單幀檢測(cè)很難實(shí)現(xiàn)，必須基于目標(biāo)灰度與鄰域的差異為出發(fā)點(diǎn)，充分利用多幀圖像序列的相關(guān)信息，比如運(yùn)動(dòng)軌跡的連續(xù)性、一致性等。根據(jù)實(shí)際要求，先提出目標(biāo)序列段自動(dòng)變步長(zhǎng)搜索方法，在大量圖像數(shù)據(jù)中自動(dòng)搜索有用目標(biāo)段，然后對(duì)目標(biāo)序列段進(jìn)行判讀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)在很大程度上了提高判讀的精度和實(shí)時(shí)性。

1 基本原理
1．1 目標(biāo)序列段自動(dòng)變步長(zhǎng)搜索
    由于圖像采集時(shí)探測(cè)器為凝視狀態(tài)，在天空背景下云層的移動(dòng)是緩變的，而目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度比較快，相對(duì)于高速記錄的圖像可以視為靜止，因此在目標(biāo)出現(xiàn)前后可以認(rèn)為背景是靜止不動(dòng)的。將含有目標(biāo)圖像與背景圖像相減即可將背景去除，累加目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)前的相連M幀圖像f(x，y)，再求算術(shù)平均值。設(shè)包含目標(biāo)的紅外場(chǎng)景圖像f’(x，y)為：

   
其中B(x，y)為背景圖像；f(x，y)為目標(biāo)圖像；N(x，y)為噪聲圖像。
    對(duì)目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)前有f(x，y)=0，即：

    
    累加目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)前的相連M幀圖像f’(x，y)，再求算術(shù)平均值，即得到平均背景g(x，y)。

   
    這樣可使噪聲方差由原來(lái)的σ2降為1／Mσ2，均方差降為原來(lái)的剩下的圖像只含有目標(biāo)和能量減少后的噪聲，其信息量為目標(biāo)和噪聲所占的像元數(shù)目。統(tǒng)計(jì)圖像序列的信息量，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)開(kāi)始進(jìn)入視場(chǎng)時(shí)，信號(hào)量明顯增加，離開(kāi)視場(chǎng)時(shí)明顯減少，目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)時(shí)信號(hào)量起伏不大。由此現(xiàn)象，可以通過(guò)計(jì)算相鄰步長(zhǎng)幀之間信息量增量來(lái)判斷并確定目標(biāo)進(jìn)入和離開(kāi)視場(chǎng)的時(shí)刻，從而搜索到有用目標(biāo)序列段。

為第n+k幀統(tǒng)計(jì)的信號(hào)量。搜索步長(zhǎng)為k(k≤設(shè)定的目標(biāo)個(gè)數(shù))，則：△In=In+k一In為前后兩幅圖像信號(hào)增量。取閾值Vth=O．4α+Lβ，式中L為權(quán)值，與圖像的噪聲情況相關(guān)，一般取值0．3～0．5。α，β分別為噪聲的信號(hào)量和目標(biāo)的信號(hào)量，α為設(shè)定的目標(biāo)個(gè)數(shù)乘以理論計(jì)算的目標(biāo)所占像元，β為連續(xù)10幀噪聲圖像的信號(hào)量的均值。則當(dāng)|△In|≥Vth令第n幀為有用的信息圖像序列的起始幀；當(dāng)|△In|<Vth則令第n+k幀為有用的信息圖像序列的結(jié)束幀。第一步搜索結(jié)束后，減小搜索步長(zhǎng)，通常取值為(1／6)k～(1／8)k，選擇某一中間幀，分別向前向后進(jìn)行搜索，最終精確定位目標(biāo)起始幀和結(jié)束幀。

1．2 圖像二值化分割批處理
    在進(jìn)行減背景運(yùn)算后，噪聲方差由σ2降為1／Mσ2，均方差降為原來(lái)的差值圖像就只含有目標(biāo)和能量減少后的噪聲，更利于圖像分割。
1．2．1 基于直方圖的OTSU最大類問(wèn)方差法
    OTSU最大類間方差法是在最小二乘法原理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出的。它通過(guò)利用直方圖零階、一階累積矩來(lái)最大化判別函數(shù)，選擇最佳閾值。設(shè)輸入圖像為f(x，y)，二值化后的圖像為g(x，y)，閾值為T，那么圖像二值化過(guò)程如下：
    計(jì)算輸入圖像灰度級(jí)的歸一化直方圖，用h(i)表示。
    計(jì)算灰度均值μT：

    求σB(k)(k=0，1，2，…，255)的最大值，并將其所對(duì)應(yīng)的k值作為最佳閾值T，對(duì)輸入圖像進(jìn)行二值化批處理：

   
    這樣可以簡(jiǎn)單快速的分割出只含目標(biāo)和能量減少的噪聲的差值圖像。
1．2．2 自適應(yīng)閾值分割方法
    對(duì)于復(fù)雜圖像，背景的灰度值并不是常數(shù)，物體和背景的對(duì)比度在圖像中也有變化。這時(shí)，一個(gè)在圖像中某一區(qū)域效果良好的閾值在其他區(qū)域可能效果很差。當(dāng)圖像中有陰影、背景灰度變化時(shí)，只用一個(gè)固定閾值對(duì)整幅圖像進(jìn)行閾值化處理，則會(huì)由于不能兼顧圖像各處的情況而使分割效果受到影響。因此對(duì)于分割復(fù)雜圖像，要充分考慮圖像局部區(qū)域特性，將閾值選取成一個(gè)隨圖像中位置變化的函數(shù)值是比較合適的，這就是自適應(yīng)閾值。
    自適應(yīng)閾值的原理是將原始圖像分為幾個(gè)子圖像，對(duì)每一個(gè)圖像分別求出最優(yōu)分割閾值。常用的方法有：
    Chow和Kandeko將圖像均勻劃分成若干不相重疊的7×7子圖像，對(duì)每個(gè)具有雙峰直方圖的子圖像用最小誤差法確定閾值，而對(duì)于具有單峰直方圖的子圖像，由內(nèi)差得到分割閾值。
    Bernsen給出一種比較簡(jiǎn)單的局部閾值算法。它是對(duì)每個(gè)像素確定以它為中心的一個(gè)窗口，計(jì)算窗口內(nèi)灰度級(jí)的最大值和最小值，并取其平均值作為閾值。
    具體實(shí)現(xiàn)步驟是：
    (1)取圖像的四角為圖像的背景，取其平均值作為背景值，大于此值的作為目標(biāo)，目標(biāo)灰度的平均值作為目標(biāo)值。
    (2)在第t步，分別計(jì)算背景和目標(biāo)的灰度均值EB’和Eo’，其中在第t步將圖像分割為背景和目標(biāo)的閾值是T’，它是在前一步確定的。

   
    由于經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的圖像中目標(biāo)面積小，亮度變化小，因此可以采用單門限分割方法。即：

   
    可見(jiàn)，閾值分割實(shí)際上就是根據(jù)某個(gè)判決準(zhǔn)則來(lái)確定最佳閾值T的過(guò)程。為達(dá)到快速分割目標(biāo)的目的，在這里根據(jù)圖像的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)確定門限，并根據(jù)所要求的虛警概率對(duì)初始選擇閾值進(jìn)行不斷修正。具體算法如下：

    對(duì)待檢測(cè)圖像求其統(tǒng)計(jì)特征，即計(jì)算均值m和方差σ，從而計(jì)算初始閾值T1。即：

   
    式中，M，N分別為待檢測(cè)圖像的行數(shù)和列數(shù)；m為矩形鄰域窗口內(nèi)原圖像的均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；k為系數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到。為了保證對(duì)圖像中小目標(biāo)盡可能高的檢測(cè)概率，同時(shí)又為了盡量虛警概率，將圖像的SNR作為一個(gè)考慮因素，取k為圖像的信噪比值。
1．3 判讀脫靶量計(jì)算
    在視頻判讀中，脫靶量的測(cè)量結(jié)果對(duì)于檢驗(yàn)和評(píng)估導(dǎo)彈性能起著關(guān)鍵作用。下面簡(jiǎn)要介紹脫靶量計(jì)算原理。如圖2所示。

    以靶面中心為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，如圖3～6所示，設(shè)A點(diǎn)為目標(biāo)像點(diǎn)，它偏離坐標(biāo)原點(diǎn)的量稱為判讀脫靶量，記做△x，△y。計(jì)算出來(lái)的脫靶量△x，△y連同光測(cè)設(shè)備的測(cè)量信息作數(shù)據(jù)處理，可完成對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的事后分析。在判讀時(shí)，取其質(zhì)心作為判讀點(diǎn)，質(zhì)心即目標(biāo)可視部分圖像灰度分布重心。首先對(duì)存儲(chǔ)于硬盤中的圖像序列進(jìn)行二值分割，把目標(biāo)從背景中分割出來(lái)，然后根據(jù)重心計(jì)算公式求出目標(biāo)重心。物理學(xué)重心定義，設(shè)一幅M×N的圖像，目標(biāo)圖像在(x，y)點(diǎn)的灰度值f(x，y)，其重心為：

其中x0，y0為靶面中心坐標(biāo)；x0，y0為計(jì)算出的重心點(diǎn)坐標(biāo)。
    傳統(tǒng)的判讀為手動(dòng)判讀，其特點(diǎn)是：無(wú)論圖像中背景多復(fù)雜、對(duì)比度多低，只要人眼能夠識(shí)別目標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)判讀。而且由于充分結(jié)合了測(cè)量結(jié)果，只對(duì)測(cè)量不滿意的區(qū)段進(jìn)行判讀，與自動(dòng)判讀相比，判讀準(zhǔn)確性明顯提高。但是在處理多目標(biāo)圖像時(shí)，手動(dòng)判度很容易造成判度者的視覺(jué)疲勞，因此自動(dòng)判讀對(duì)減少判讀者的勞動(dòng)是有很大意義的。自動(dòng)判讀是計(jì)算重心過(guò)程，也是統(tǒng)計(jì)平均過(guò)程，它算出來(lái)的重心位置并不是個(gè)別最亮點(diǎn)位置或掃描隨機(jī)碰到的某一點(diǎn)位置，而是圖像中各個(gè)像元灰度加權(quán)平均位置，所以質(zhì)心判讀隨機(jī)誤差小、精度高、穩(wěn)定性好，簡(jiǎn)單而快速。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與判讀結(jié)果分析
    取外場(chǎng)采集的以天空為背景的紅外多目標(biāo)圖像序列進(jìn)行處理。圖4為原始圖像序列中的1幀，它含有紅外弱小多目標(biāo)，圖像信噪比約為1．5。目標(biāo)在成像面上占2～4個(gè)像元，目標(biāo)做近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，下落速度為1～3像素／幀。

    取圖像幀序?yàn)?001～2000，共計(jì)1 000幀圖像序列進(jìn)行判讀，得到如圖5，圖6所示結(jié)果。

    從含有全部目標(biāo)的圖像序列中連續(xù)取五幀分析統(tǒng)計(jì)出占不同像元大小的目標(biāo)個(gè)數(shù)如表l所示。

    表2討論不同步長(zhǎng)對(duì)判讀時(shí)間的影響。

    表3討論步長(zhǎng)確定時(shí)不同閾值對(duì)判讀時(shí)目標(biāo)搜索的影響。

    由實(shí)際處理結(jié)果可見(jiàn)，步長(zhǎng)太大，幀間跨度大，會(huì)影響搜索精度，太小則搜索時(shí)間長(zhǎng)；而信號(hào)量閾值的權(quán)值系數(shù)越大時(shí)，有用目標(biāo)段序列越短，越小則有用目標(biāo)段序列越長(zhǎng)。為保證有用目標(biāo)段序列檢測(cè)的速度和精度，一般情況下步長(zhǎng)設(shè)置在設(shè)定的目標(biāo)數(shù)中間段，信號(hào)量閾值設(shè)得稍微低一些，再利用多幀積累求平均噪聲，使每幅圖像的噪聲更接近統(tǒng)計(jì)噪聲，減少由于噪聲的突變導(dǎo)致起始幀或者結(jié)束幀的誤判。

3 結(jié) 語(yǔ)
    針對(duì)紅外多目標(biāo)圖像序列的自動(dòng)判讀問(wèn)題，在要求快速精確的前提下，先提出了目標(biāo)序列段自動(dòng)變步長(zhǎng)搜索方法，在大量圖像數(shù)據(jù)中快速搜索出有用目標(biāo)段，然后對(duì)目標(biāo)序列段進(jìn)行二值化批處理并最終計(jì)算出目標(biāo)脫靶量。試驗(yàn)結(jié)果表明該判讀方法快速準(zhǔn)確，判讀效果好。