【正文】 ? ? ??? ? ? ??紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 ? 此方法的關(guān)鍵是值的確定，提出了一種自適應(yīng)確定方法，即 =|均值一標(biāo)準(zhǔn)方差 | /標(biāo)準(zhǔn)方差。0 ??? ? ??紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 ? 式中， Th(k)是隨序列圖像的變化而自適應(yīng)改變的。設(shè)輸入圖像為 ，門限處理后的圖像為 ，令門限為 Th(k)，則有： Hf (i,j,k)(i,j,k)gHHHf ( i, j, k ) f ( i, j, k ) T h ( k )。閾值的選取有固定閾值和自適應(yīng)閾值兩種方法，閾值法又可以分為全局閾值法和局部閾值法。 紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 ? 閾值法 ? 依據(jù)分割閾值將目標(biāo)從背景中分割出來，通常是成像跟蹤算法中必須首先解決的一個重要環(huán)節(jié)，它包括閾值計(jì)算和目標(biāo)分割兩個過程。 紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 ? 紅外目標(biāo)檢測算法可分為 “ 先跟蹤后檢測（ TBD） ” 類檢測算法和 “ 先檢測后跟蹤（ DBT） ” 類檢測算法兩大類。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 紅外圖像信號處理硬件系統(tǒng)的性能和容量是與受探測器和電路技術(shù)發(fā)展水平相對應(yīng)的；而紅外目標(biāo)檢測技術(shù)可以最大程度上發(fā)揮系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)整體性能達(dá)到最優(yōu)。尤其在軍事領(lǐng)域，目前在歐美國家的一些先進(jìn)的武器系統(tǒng)，包括航空母艦的預(yù)警系統(tǒng)、各種飛機(jī)的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈和一些地面軍事設(shè)施的告警系統(tǒng)中，紅外弱小目標(biāo)的檢測技術(shù)的地位舉足輕重。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 紅外目標(biāo)的檢測技術(shù)是紅外成像系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，它利用圖像處理算法對處于雜亂背景和強(qiáng)噪聲環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行自動檢測，算法的性能對紅外成像系統(tǒng)的作用距離和智能化程度十分關(guān)鍵。近年來針對復(fù)雜背景和各種干擾條件下的檢測和識別的新算法不斷涌現(xiàn)，更加智能化的狀態(tài)判決和跟蹤處理算法也得以應(yīng)用。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 三、各種檢測、識別和跟蹤算法和軟件的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大型集成電路的發(fā)展，DSP（數(shù)字信號處理器）和 FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）已廣泛使用在圖像信號處理器中。探測器材料從傳統(tǒng)的銻化銦（ InSb）、硅化鉑（ PtSi）和銻鎘汞（ HgCdTe）向 III— V族化合物發(fā)展；探測器陣列的大小從最初的 64 64元向 512 512元、 1024 1024元甚至更高元數(shù)發(fā)展，隨著探測器元數(shù)的增多和單元尺寸的減小，對讀出電路的要求也越來越高。 ? 紅外成像系統(tǒng)與雷達(dá)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；與可見光相比，有透過煙塵能力強(qiáng)、可晝夜工作等特點(diǎn)，因而在中近距離成像跟蹤系統(tǒng)中，紅外成像傳感器受到特別重視。紅外測溫、紅外理療、紅外檢測、紅外報(bào)警、紅外遙感、紅外防偽更是各行業(yè)爭相選用的先進(jìn)技術(shù)。多國部隊(duì)利用飛機(jī)發(fā)射的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈在海灣戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極大的威力，他們僅在 10天內(nèi)就摧毀伊軍坦克 650輛、裝甲車 500輛。多國部隊(duì)除了地面部隊(duì)，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)廣泛裝備了夜視裝置外，美國的 F117隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、阿帕奇直升機(jī)、 F15E戰(zhàn)斗機(jī)、英國的旋風(fēng) GRI對地攻擊機(jī)等都裝有先進(jìn)的熱成像夜視裝備。在戰(zhàn)斗中投入的夜視裝備之多，性能之好，是歷次戰(zhàn)爭所不能比擬的。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 海灣戰(zhàn)爭充分顯示了紅外技術(shù)特別是熱成像技術(shù)在軍事上的作用和威力。 ? 機(jī)載前視紅外裝置能在 1500m上空探測到人、小型車輛和隱蔽目標(biāo)，在 20220m高空能分辨出汽車乃至能探測水下 40m深處的潛艇。紅外成像系統(tǒng)簡介 1 紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用 隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用在光學(xué)遙感、夜間導(dǎo)航、目標(biāo)探測以及火控、制導(dǎo)等民用和軍事領(lǐng)域。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 從二十世紀(jì)五十年代開始，紅外成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，尤其是在紅外成像制導(dǎo)、紅外告警和偵察方面。軍事需求始終是推動紅外成像技術(shù)發(fā)展的最強(qiáng)動力，軍事領(lǐng)域也是紅外成像新技術(shù)首先得到應(yīng)用的領(lǐng)域。 ? 海灣戰(zhàn)爭從開始、作戰(zhàn)到獲勝都是在夜間，夜視裝備應(yīng)用的普遍性乃是這次戰(zhàn)爭的最大特點(diǎn)之一。美軍每輛坦克，每個重要武器直到反坦克導(dǎo)彈都配有夜視瞄準(zhǔn)具，僅美軍第二十四機(jī)械化步兵師就裝備了上千套夜視儀。正因?yàn)槎鄧筷?duì)在夜視和光電裝備方面的優(yōu)勢，所以在整個戰(zhàn)爭期間他們掌握了絕對的主動權(quán)。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 同時(shí)，紅外成像技術(shù)也廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通等各個行業(yè)和部門。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 紅外成像系統(tǒng)與雷達(dá)成像系統(tǒng)、電視成像系統(tǒng)一起構(gòu)成當(dāng)代三大成像系統(tǒng)。 ? 下表比較了幾種常用成像系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 紅外成像系統(tǒng)簡介 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 紅外成像系統(tǒng)研究發(fā)展 ? 目前紅外成像系統(tǒng)的研究主要集中在三個方面： ? 一、焦平面探測器陣列的研究。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 二、圖像信號處理器硬件系統(tǒng)的研究。大容量存儲器和多處理器并行結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使信號處理的能力和容量成數(shù)量級的增長。隨著探測器水平和圖像信號處理器處理能力的提高，各種復(fù)雜的算法得以在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)運(yùn)行。尤其是有關(guān)紅外目標(biāo)檢測的技術(shù)也得到迅速發(fā)展。 紅外成像系統(tǒng)簡介 ? 從二十世紀(jì)八十年代末 人們已經(jīng)開始利用紅外傳感器來檢測遠(yuǎn)距離的熱源 ? 隨著熱成像技術(shù)的成熟 紅外圖像中的目標(biāo)檢測技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)獨(dú)立的、具有明顯特色的研究方向?？梢哉f遠(yuǎn)距離的飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行物的自動檢測已成為成像制導(dǎo)、告警系統(tǒng)和光電對抗的核心技術(shù)。 ? 近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)迅速發(fā)展，有關(guān)紅外圖像中目標(biāo)檢測的理論、方法和技術(shù)方面的研究也在廣泛地開展。 ? 典型的 DBT目標(biāo)檢測算法 ? 經(jīng)典的 DBT目標(biāo)檢測算法較為清晰分解了單幀目標(biāo)初檢測和多幀目標(biāo)確定這兩項(xiàng)任務(wù)，所以從宏觀上說，將不同的圖像預(yù)處理及單幀目標(biāo)分割算法與不同的多幀目標(biāo)運(yùn)動軌跡確定算法組合起來，就可以構(gòu)成適合于不同具體研究對象的 DBT目標(biāo)檢測算法。能否有效地提取出目標(biāo)，問題的關(guān)鍵是尋找一個合理的閾值。 紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 ? ① 全局閾值法：經(jīng)濾波后的背景噪聲近似看作是高斯白噪聲，可使用全局門限分割算法。g ( i, j, k ) ( 2 .1 )f ( i, j, k ) T h ( k )。即： () ? 其中， λ為加權(quán)值， λ的選擇范圍為 3— 5，mean (k)、 var(k)分別表示第 k幀經(jīng)抑制背景起伏后的圖像灰度均值和方差，設(shè)輸入圖像的大小為 N1 N2，則圖像均值和方差可表示為： T h (k ) m e a n (k ) λ v a r(k )? ? ?紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 12N 1 N 1Hi 0 j 0121m e a n ( k ) [f ( i , j, k ) ] ( 2 .3 )NN????? ? ??12N 1 N 1 2Hi 0 j 0121v a r ( k ) [f ( i , j, k ) m e a n ( k ) ] ( 2 .4 )NN ??????? ??經(jīng)過上述的閾值處理以后，得到一個去除背景干擾和弱噪聲的目標(biāo)圖像， 這時(shí)，可能除了目標(biāo)，還有強(qiáng)噪聲點(diǎn)。通過將高通濾波后的目標(biāo)與它周圍的背景作自適應(yīng)門限比較可以很好地分割出點(diǎn)目標(biāo)，這樣既可以解決由單純的自適應(yīng)門限造成的預(yù)選點(diǎn)過多，又可解決單純的高通濾波，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在強(qiáng)噪聲下分割不出來的弊病。它的基本思想是：在直方圖取值范圍內(nèi)，任一灰度級可將直方圖分為左右兩部分，如果這兩部分的灰度均值與總體的灰度均值相距最大，則該灰度級就取為分割門限。在任一灰度級處將直方圖分割成左、右兩部分，于是我們有：左邊部分： ；右邊部分： ，它們發(fā)生的概率和分別為： L ll1Nn???llp n /N?0C {1,2 l }?? ??????，1C {l 1, l 2 L }??? ? ? ??????，紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 l0l l1P ( l ) P ( 2 .6 )??? ? ?L1ll l 1P(l) P???? ??L l Llll 0 1l 1 l 1 l l 101PPμ lP P ( l ) l P ( l ) l ( 2 .8 )p ( l ) p ( l )??? ? ? ???? ? ???? ? ?因?yàn)榭傮w灰度均值： 所以若令 : l i0 l1 0Pμ (l ) l P (l )??? ? ??L i1 l l 1 1Pμ (l ) l P (l )???? ? ??() () () 紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 ? 則它們分別是集合和集合的灰度均值，于是有： 0 0 1 1μ P (l )μ (l ) P (l )μ (l )? ? ? ???進(jìn)一步，令： lll1λ(l) lP??? ??則 ()式可化為： 00μ (l ) λ(l ) P (l )? ? ?? () () () 紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 L l Ll l ll 1 l 1 l l 1μ λ (l ) lP lP lP??? ? ? ??? ? ? ?? ? ?1 11μ (l ) [μ λ(l )]P (l )?????0μ考慮到 ,所以式 ()可表示為： 由 ()、 (、 ()和 ()式可以看出，對于 0— L灰度級之間的任一灰度級 l? ， 1μ μ可以計(jì)算出 、 和 D(l)?。圖像中凡是灰度值小于分割門限的像點(diǎn)， 均認(rèn)為是背景中的點(diǎn)，并加以濾除。 紅外圖像的目標(biāo)檢測及跟蹤 ? 典型的 TBD目標(biāo)檢測算法 ? TBD 算法流程概括起來包含三個步驟 ：一是背景抑制，通過各種單幀圖像背景抑制算法，或通過濾波將紅外圖像低