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。