基于均值模型的紅外弱小目標(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(jìn)一步涉及紅外圖像處理技術(shù)領(lǐng)域中的基于均 值模型的紅外弱小目標(biāo)圖像序列仿真方法。本發(fā)明可為針對(duì)高空遠(yuǎn)距離紅外弱小目標(biāo)檢測(cè) 與跟蹤算法的性能評(píng)估提供大量測(cè)試紅外弱小目標(biāo)圖像序列，用來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)與跟蹤算法的 有效性。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外成像傳感器已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代武器裝備中，紅外成像傳感器真實(shí)拍攝的紅 外弱小目標(biāo)圖像序列無(wú)法提前已知紅外弱小目標(biāo)的具體位置，并且獲得大量不同類型紅外 背景下的紅外弱小目標(biāo)圖像序列具有較大難度。但是驗(yàn)證紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法的 性能時(shí)需要大量已知目標(biāo)位置的紅外弱小目標(biāo)圖像序列。解決該問(wèn)題須使用紅外弱小目標(biāo) 圖像序列仿真技術(shù)。
[0003] 目前，通過(guò)計(jì)算機(jī)建模仿真軟件生成相應(yīng)的紅外弱小目標(biāo)圖像序列是一種有效的 技術(shù)方法。該方法生成的紅外弱小目標(biāo)圖像序列缺失紋理細(xì)節(jié)信息，與真實(shí)的紅外弱小目 標(biāo)圖像序列存在較大誤差。無(wú)法為后續(xù)紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法性能評(píng)估提供有效紅 外弱小目標(biāo)圖像序列。
[0004] 通常進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(guò)計(jì)算機(jī)搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，可以仿真紅外弱小目標(biāo)在不同紅外背景下的紅外弱 小目標(biāo)圖像序列，可以在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)，方便快捷，節(jié)省人力和物力。
[0005] 華中科技大學(xué)所申請(qǐng)的專利"一種基于景物分類的紅外場(chǎng)景圖像生成方法"（專利 申請(qǐng)?zhí)?01110110316. 2,申請(qǐng)公布號(hào)CN 102270355 A)公開了一種基于景物分類的紅外場(chǎng) 景圖像生成方法，屬于通過(guò)可見光遙感圖像、地形數(shù)字高程模型及目標(biāo)三維模型進(jìn)行紅外 場(chǎng)景圖像的生成和仿真方法，該方法首先對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行分類并指定紋理類型；接著對(duì)分類后 的場(chǎng)景圖像和數(shù)字高程模型建立場(chǎng)景三維模型；然后對(duì)場(chǎng)景三維模型的序列紋理文件進(jìn)行 批量紋理材質(zhì)自動(dòng)映射并生成對(duì)應(yīng)的序列紋理材質(zhì)映射文件；最后載入大氣參數(shù)模型、成 像模型和大氣參數(shù)條件，完成紅外場(chǎng)景圖像的仿真輸出，其中大氣參數(shù)模型是通過(guò)成熟的 商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算得到。本發(fā)明可為各型使用紅外成像技術(shù)的飛行器提供模擬訓(xùn)練所需的 紅外場(chǎng)景數(shù)據(jù)，降低飛行訓(xùn)練成本，同時(shí)也為紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)的研制提供算法實(shí)驗(yàn)、 驗(yàn)證圖像，提高研制效率，該方法存在的不足是：當(dāng)仿真生成紅外場(chǎng)景圖像時(shí)，需要場(chǎng)景進(jìn) 行分類并指定紋理類型，建立場(chǎng)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(chǎng)景圖像的仿真輸出，步驟復(fù)雜，計(jì)算量大，并且生成的紅外弱 小目標(biāo)圖像序列缺失紋理細(xì)節(jié)特征，與真實(shí)的紅外弱小目標(biāo)圖像相比存在較大失真。
[0006] 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所申請(qǐng)的專利"一種海天背景下多類目標(biāo)的紅外動(dòng)態(tài) 場(chǎng)景實(shí)時(shí)仿真方法"（專利申請(qǐng)?zhí)?01110447686. 5,申請(qǐng)公布號(hào)CN 103186906 A)公開了一 種海天背景下多類目標(biāo)的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景實(shí)時(shí)仿真方法。該發(fā)明包括紅外建模、場(chǎng)景構(gòu)建、紅 外計(jì)算、紅外大氣傳輸計(jì)算、紅外場(chǎng)景實(shí)時(shí)生成、最后渲染生成紅外場(chǎng)景實(shí)時(shí)仿真圖像。該 方法仿真場(chǎng)景內(nèi)容豐富，能在同一場(chǎng)景中包含海面、天空、艦船及多種型號(hào)的飛機(jī)。在復(fù)雜 場(chǎng)景情況下依然能滿足實(shí)時(shí)要求，不僅根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)構(gòu)建動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，而且實(shí)時(shí)模擬聲 場(chǎng)紅外場(chǎng)景圖像。該方法存在的不足是：無(wú)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(yùn)動(dòng)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，提出了一種基于均值模型的紅 外弱小目標(biāo)圖像序列仿真方法，本發(fā)明可以顯著豐富紅外弱小目標(biāo)圖像的紋理細(xì)節(jié)特征， 控制紅外弱小目標(biāo)具體參數(shù)，仿真方法簡(jiǎn)單實(shí)用。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體步驟如下：
[0009] (1)采集圖像背景：
[0010] (Ia)使用紅外熱像儀采集真實(shí)紅外圖像背景序列，得到原始紅外圖像背景序列；
[0011] (Ib)將原始紅外圖像背景序列的幀數(shù)i賦值為1 ;
[0012] (2)仿真紅外弱小目標(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為；
[0015] (2c)裁剪第i幀原始紅外圖像背景，得到大小為MXN的仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背 景，M表示仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行數(shù)，N表示仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)， 要求0彡M彡A，0彡N彡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(duì)仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景邊緣進(jìn)行鏡像擴(kuò)展；
[0017] (4)創(chuàng)建紅外弱小目標(biāo)模型：
[0018] (4a)設(shè)置紅外弱小目標(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(jì)算紅外弱小目標(biāo)像素灰度值：
[0020] s = D X σ + μ
[0021] 其中，s表示紅外弱小目標(biāo)像素灰度值，D表示所設(shè)定的紅外弱小目標(biāo)信噪比，σ 表示以紅外弱小目標(biāo)型心為中心局部鄰域內(nèi)所有像素的標(biāo)準(zhǔn)差，μ表示以紅外弱小目標(biāo)型 心為中心局部鄰域范圍內(nèi)所有像素的均值；
[0022] (4c)將紅外弱小目標(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] (5)設(shè)置紅外弱小目標(biāo)航跡：
[0024] (5a)將紅外弱小目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為Δ X像素/幀，其中，Δ X在〇〈 Δ χ〈1〇范圍 內(nèi)取值；
[0025] (5b)將第i幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景左上角頂點(diǎn)的像素點(diǎn)作為原點(diǎn)，水平向 右方向作為X軸，垂直向下方向作為y軸，建立第i幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo) 系；
[0026] (5c)判斷仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景幀數(shù)是否為1，如果是，執(zhí)行步驟（5d);否 貝1J，執(zhí)行步驟（5e);
[0027] (5d)將紅外弱小目標(biāo)在第1幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系中的橫坐 標(biāo)值設(shè)置為 Xl，〇 < X1S N，N表示仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)，按照下式，建立第1 幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡的直線模型：
[0028] Y1= ax !+b
[0029] 其中，71表示紅外弱小目標(biāo)在第1幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系中的 縱坐標(biāo)值，〇 < M，M表示仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行數(shù)，X 1表示紅外弱小目標(biāo)在第 1幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值，〇 < X1S N，N表示仿真紅外弱 小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)，a表示仿真紅外弱小目標(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表示仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行數(shù)；
[0030] (5e)按照下式，建立除第1幀以外的仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡的直線模 型：
[0031]
[0032] 其中，^表示紅外弱小目標(biāo)在第i幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系中的 橫坐標(biāo)值，〇 < X1S N，N表示仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)，X i i表示紅外弱小目標(biāo)在 第（i-1)幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值，〇 < X1 N，N表示仿真 紅外弱小目標(biāo)圖像背景的列數(shù)，ΔΧ表示紅外弱小目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，ΔΧ在〇〈Δχ〈1〇范圍內(nèi)取 值，71表示紅外弱小目標(biāo)在第i幀仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景航跡坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值，〇 < Y1彡M，M表示仿真紅外弱小目標(biāo)圖像背景的行數(shù)，a表示紅外弱小目標(biāo)航跡的直線模型 的斜