一種基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全景海天線(xiàn)提取方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全景海天線(xiàn)提取方法。(1)設(shè)置初始輪廓線(xiàn)；(2)使用Sobel算子計(jì)算各像素點(diǎn)梯度值；(3)消除全景設(shè)備區(qū)干擾；(4)構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型；(5)通過(guò)快速貪婪算法迭代提取海天線(xiàn)。本發(fā)明分割出全景設(shè)備區(qū)干擾等處理手段有效消除了全景設(shè)備區(qū)成像對(duì)海天線(xiàn)檢的不良影響；在此基礎(chǔ)上利用全景海天線(xiàn)為橢圓形這一特征，構(gòu)造形狀能量約束項(xiàng)加入到主動(dòng)輪廓模型中作為新的能量函數(shù)，使活動(dòng)輪廓線(xiàn)在收斂的過(guò)程中限制了輪廓的形狀從而成功收斂到全景海天線(xiàn)上，能夠在不同海況和天氣條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜海天背景下全景可見(jiàn)光圖像中橢圓形海天線(xiàn)的精確提取。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全景海天線(xiàn)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全景 海天線(xiàn)提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)海域船舶數(shù)量急劇增加，船舶交通流量隨之增大， 海面船舶交通安全維護(hù)和海上搜尋救助工作的需求也日趨增多。為了更好的滿(mǎn)足日益繁重 的海洋監(jiān)管需求，大力開(kāi)發(fā)先進(jìn)的海域監(jiān)控設(shè)備，繼而研究相應(yīng)的海域目標(biāo)檢測(cè)算法具有 重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。常規(guī)視覺(jué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角有限，當(dāng)采集裝置或被觀(guān)測(cè)物體突然 移動(dòng)，就有可能使目標(biāo)移出采集系統(tǒng)的視覺(jué)范圍，難以滿(mǎn)足海洋環(huán)境下大視場(chǎng)監(jiān)控的要求。 而近幾年發(fā)展起來(lái)的全景視覺(jué)系統(tǒng)采用折反射逆投影光學(xué)原理成像，具有"成像一體化、 360大視場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)不變性"等優(yōu)點(diǎn)，能夠一次性獲取水平方向360°、垂直方向240°范圍內(nèi)場(chǎng)景 的圖像信息，更適合海洋環(huán)境下大視場(chǎng)、遠(yuǎn)距離的監(jiān)控要求，在海洋監(jiān)控領(lǐng)域具有重要的應(yīng) 用價(jià)值。
[0003] 在海洋監(jiān)控領(lǐng)域，為了盡早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，為拍攝取證和救援工作提供更多的準(zhǔn)備時(shí) 間，一般要求在較遠(yuǎn)的距離下就能檢測(cè)到目標(biāo)。由遠(yuǎn)及近駛來(lái)的艦船等目標(biāo)一般最先出現(xiàn) 在海天線(xiàn)上，因此海天線(xiàn)提取成為海上遠(yuǎn)景目標(biāo)檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0004] 常規(guī)視覺(jué)系統(tǒng)采集的海天線(xiàn)呈直線(xiàn)型，而折反射全景視覺(jué)系統(tǒng)特殊的成像原理導(dǎo) 致全景圖像中的海天線(xiàn)呈近似圓形的橢圓形（理想情況下呈圓形），這里稱(chēng)其為全景海天 線(xiàn)。目前文獻(xiàn)中的海天線(xiàn)提取算法大多是針對(duì)直線(xiàn)型海天線(xiàn)的，而關(guān)于全景橢圓形海天線(xiàn) 提取的研究極少。此外，基于雙曲鏡面的折反射式全景視覺(jué)系統(tǒng)所采集的全景海域圖像除 了包含場(chǎng)景環(huán)境信息外，還包含了保護(hù)罩、反射鏡邊框、攝像頭及支架等全景視覺(jué)采集裝置 的成像，同時(shí)全景視覺(jué)系統(tǒng)安裝在船舶或浮標(biāo)上，故全景圖像中還會(huì)包含船體或浮標(biāo)成像。 上述全景設(shè)備區(qū)成像大大增加了背景的復(fù)雜度，還會(huì)對(duì)海天線(xiàn)造成遮擋從而導(dǎo)致海天線(xiàn)斷 裂，嚴(yán)重影響了海天線(xiàn)提取的準(zhǔn)確性，使其成為目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域中具有挑戰(zhàn)性的課題。
[0005] 考慮到海天線(xiàn)是海面和天空的交界線(xiàn)，具有典型的邊緣輪廓特征，本發(fā)明提出了 一種基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全景海天線(xiàn)提取算法，該算法首先通過(guò)AC法獲取圖像的視覺(jué) 顯著圖，從而提取出全景設(shè)備區(qū)在全景圖像中的位置，消除其對(duì)海天線(xiàn)檢測(cè)的不良影響;在 此基礎(chǔ)上利用全景海天線(xiàn)為橢圓形的特征，構(gòu)造了形狀能量項(xiàng)加入到主動(dòng)輪廓模型中作為 新的能量函數(shù)，使活動(dòng)輪廓線(xiàn)在收斂的過(guò)程中限制了輪廓的形狀成功收斂到全景海天線(xiàn) 上。該方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜海天背景下全景可見(jiàn)光圖像中橢圓形海天線(xiàn)的有效檢測(cè)，檢測(cè)效果 可靠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種檢測(cè)效果可靠性更高的基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全 景海天線(xiàn)提取方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] (1)設(shè)置初始輪廓線(xiàn)
[0009] 確定相機(jī)固定設(shè)備和雙曲面反射鏡固定裝置的位置，所采集的全景圖像中海天線(xiàn) 分布在中心0,半徑r的相機(jī)固定設(shè)備和中心0,半徑R的雙曲面反射鏡固定裝置的成像之間， 設(shè)定以相機(jī)固定設(shè)備中心〇為圓心，半徑為R-Ar的圓為初始輪廓線(xiàn)，其中增量Ar要保證初 始輪廓線(xiàn)的半徑R-A r處于海天線(xiàn)半徑和雙曲面反射鏡固定裝置的半徑R之間；
[0010] (2)使用Sobel算子計(jì)算各像素點(diǎn)梯度值
[0011] 對(duì)全景圖像I (X，y)中的每一個(gè)像素點(diǎn)利用Sobe 1算子計(jì)算各點(diǎn)在X和y方向上的梯
，則全景圖像I(x，y)在點(diǎn)(x，y)上的梯度值為：
[0013] (3)消除全景設(shè)備區(qū)干擾
[0014] 利用AC顯著性計(jì)算方法來(lái)獲得源圖像的視覺(jué)顯著圖，并利用視覺(jué)顯著圖得到全景 設(shè)備區(qū)在圖像中的位置，進(jìn)而予以消除，具體步驟為：
[0015] 3.1)像素 p是輸入圖像的一個(gè)局部區(qū)域Ri和像素 p周?chē)鷧^(qū)域1?2的中心，且Ri取為一 個(gè)像素，R2為邊長(zhǎng)為
之間的正方形區(qū)域，計(jì)算感知單元P所在位置的局部對(duì)比度：
[0017]其中：L為圖像的長(zhǎng)或?qū)?，NdPN2是區(qū)域RjPR2的像素個(gè)數(shù)，v k是位置k處的特征值或 者特征向量，11 · 11表示歐式距離；
[0018] 3.2)改變中心像素點(diǎn)p的位置，計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的顯著值，再對(duì)所有像素點(diǎn)的顯 著值進(jìn)行歸一化處理，得到圖像的視覺(jué)顯著圖；
[0019] 3.3)利用最大類(lèi)方差法分割視覺(jué)顯著圖，得到視覺(jué)顯著分割圖；
[0020] 3.4)根據(jù)視覺(jué)顯著分割圖中的全景設(shè)備區(qū)位置，將全景圖像中相應(yīng)位置處點(diǎn)的梯 度值設(shè)置為〇;
[0021] (4)構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型
[0022] 根據(jù)全景圖像中的海天線(xiàn)為橢圓形的特征，構(gòu)造形狀能量函數(shù)，加入到主動(dòng)輪廓 模型中，使活動(dòng)輪廓線(xiàn)在收斂的過(guò)程中限制輪廓的形狀，具體步驟為：
[0023] 4.1)構(gòu)造形狀能量函數(shù)
[0024] 設(shè){vi，V2,，…Vn}是主動(dòng)輪廓線(xiàn)上的η個(gè)控制點(diǎn)，Eshape(Vi)為新增加的形狀能量項(xiàng)， 形狀能量項(xiàng)構(gòu)造方法為：
[0025] 對(duì)主動(dòng)輪廓線(xiàn)上的控制點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合，得到擬合橢圓方程：
[0026] ax2+bxy+cy2+dx+ey+f = 0
[0027] 4ac-b2>0
[0028] 其中：a，b，c，d，e和f分別是橢圓方程的參數(shù)；
[0029] 設(shè)cU為主動(dòng)輪廓線(xiàn)上第i個(gè)控制點(diǎn)到該擬合橢圓的距離，即：
[0030] ?/; = αχ/ +/u:j·, +?,ν/ +(?·;十 cj，，+ ./'
[0031] 貝IJ形狀能量項(xiàng)Eshape(vi)為：
[0033]其中：cUy表示主動(dòng)輪廓線(xiàn)上第i個(gè)控制點(diǎn)及其八鄰域內(nèi)的點(diǎn)到擬合橢圓曲線(xiàn)距 離的最大值，Μ為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)；
[0034] 4.2)構(gòu)造圖像能量函數(shù)
[0035]海天線(xiàn)是天空區(qū)域和海面區(qū)域的交界，具有明顯的梯度特征，構(gòu)造如下基于梯度 函數(shù)的圖像能量函數(shù)Eima(vi):針對(duì)圖像I(x，y)，定義
[0036] r(x,y)=G〇(x,y)*I(x,y)
[0037] 式中GXxd)表示方差為〇的卷積高斯濾波算子，
[0038]圖像I(x，y)中第i個(gè)控制點(diǎn)Vi的坐標(biāo)為(Xi，yi)，1'（x，y)在點(diǎn)(Xi，yi)上沿x，y方向 的方向梯度分別為
，則定義圖像能量Eima( Vi)為：
[0040] 式中γ i為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)；
[0041] 4.3)構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型
[0042] 在經(jīng)典主動(dòng)輪廓模型中加入形狀能量函數(shù)后，得到改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型為：
[0044] 式中：Esnake為第i個(gè)控制點(diǎn)vi處的總能量值;Eima(Vi)為圖像能量，由步驟4.2)計(jì) 算;E shape(Vi)為形狀能量，由步驟4.1)計(jì)算;E_t(Vi)為彈性能量，Ec；urv( Vi)為剛性能量，且：
[0045] 盡。," (V,.) = a,, p - ||v,. - V,'-丨|「
[0046] Ecurv(vi) =β? I I Vi-1-2vi+Vi+l I 12
[0047] 其中為控制點(diǎn)的平均距離，ai，0i為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)；
[0048] (5)通過(guò)快速貪婪算法迭代提取海天線(xiàn)，包括下列步驟：
[0049] 5.1)從設(shè)置的初始輪廓線(xiàn)上提取11個(gè)初始控制點(diǎn){^^2，，一％}，11的大小由圖像的 大小決定；
[0050] 5.2)從第一個(gè)控制點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)算該點(diǎn)及其附近8鄰域內(nèi)點(diǎn)的彈性能量，剛性能量， 圖像能量和形狀能量，并對(duì)這四項(xiàng)能量分別進(jìn)行歸一化處理；
[0051] 5.3)利用改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型計(jì)算第i個(gè)控制點(diǎn)及其8鄰域內(nèi)點(diǎn)各自的總能量 E_ke，比較第i個(gè)控制點(diǎn)及其8鄰域內(nèi)點(diǎn)的總能量E_ke，選擇這九個(gè)點(diǎn)中總能量最小的點(diǎn)為 新的活動(dòng)控制點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置計(jì)數(shù)器;當(dāng)新的控制點(diǎn)和原控制點(diǎn)位置不同時(shí)，在該計(jì)數(shù)器中加 1，然后處理第i+Ι點(diǎn)，直到這η個(gè)點(diǎn)依次被處理完，得到了新的輪廓線(xiàn)；
[0052] 5.4)當(dāng)計(jì)數(shù)器記錄的控制點(diǎn)移動(dòng)的總數(shù)小于給定閾值Τ或循環(huán)次數(shù)超過(guò)設(shè)定值Μ 時(shí)，則此時(shí)逼近精度滿(mǎn)足要求，曲線(xiàn)已經(jīng)收斂到真實(shí)輪廓上，退出循環(huán)，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟 5.2)〇
[0053]本發(fā)明的有益效果在于：
[0054]在海域監(jiān)控領(lǐng)域采用全景視覺(jué)系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足海洋環(huán)境下大視場(chǎng)、全范圍、遠(yuǎn)距離 監(jiān)控的需求，有效減少監(jiān)控設(shè)備數(shù)量、降低硬件成本，但該系統(tǒng)目前缺乏成熟的海天線(xiàn)及目 標(biāo)檢測(cè)技術(shù)支持。本發(fā)明針對(duì)全景視覺(jué)系統(tǒng)采集到的橢圓形海天線(xiàn)設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)主 動(dòng)輪廓模型的全景海天線(xiàn)提取方法，其中AC法獲取圖像的視覺(jué)顯著圖以及最大類(lèi)方差法分 割出全景設(shè)備區(qū)干擾等處理手段有效消除了全景設(shè)備區(qū)成像對(duì)海天線(xiàn)檢的不良影響;在此 基礎(chǔ)上利用全景海天線(xiàn)為橢圓形這一特征，構(gòu)造形狀能量約束項(xiàng)加入到主動(dòng)輪廓模型中作 為新的能量函數(shù)，使活動(dòng)輪廓線(xiàn)在收斂的過(guò)程中限制了輪廓的形狀從而成功收斂到全景海 天線(xiàn)上，能夠在不同海況和天氣條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜海天背景下全景可見(jiàn)光圖像中橢圓形海天 線(xiàn)的精確提取。
【附圖說(shuō)明】
[0055]圖1是全景海域圖像示意圖。
[0056]圖2是基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全景海天線(xiàn)提取算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：
[0058]隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)海域船舶數(shù)量急劇增加，船舶交通流量隨之增大， 海面船舶交通安全維護(hù)和海上搜尋救助工作的需求也日趨增多。為了更好的滿(mǎn)足日益繁重 的海洋監(jiān)管需求，大力開(kāi)發(fā)先進(jìn)的海域監(jiān)控設(shè)備，繼而研究相應(yīng)的海域目標(biāo)檢測(cè)算法具有 重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。近幾年發(fā)展起來(lái)的全景視覺(jué)系統(tǒng)采用折反射逆投影光學(xué)原理 成像，具有"成像一體化、360大視場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)不變性"等優(yōu)點(diǎn)，能夠一次性獲取水平方向360°、 垂直方向240°范圍內(nèi)場(chǎng)景的圖像信息，更適合海洋環(huán)境下大視場(chǎng)、遠(yuǎn)距離的監(jiān)控要求，在海 洋監(jiān)控領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。而研究基于全景視覺(jué)的海天線(xiàn)提取算法以及海天線(xiàn)區(qū)域 的遠(yuǎn)景目標(biāo)檢測(cè)方法，從而為全景視覺(jué)系統(tǒng)在海域監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持，是提高 海域監(jiān)控和防御能力的迫切需求?，F(xiàn)有海天線(xiàn)提取方法基本都是針對(duì)常規(guī)視覺(jué)系統(tǒng)采集的 直線(xiàn)型海天線(xiàn)提出的，而折反射全景視覺(jué)系統(tǒng)基于雙曲面逆投影原理成像，其采集的全景 圖像中的海天線(xiàn)呈橢圓形，目前針對(duì)復(fù)雜背景下橢圓形海天線(xiàn)的提取方法研究得相對(duì)較 少。本發(fā)明針對(duì)全景視覺(jué)系統(tǒng)采集的全景可見(jiàn)光圖像中的橢圓形海天線(xiàn)，提出了一種基于 改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的海天線(xiàn)提取方法，實(shí)現(xiàn)不同海況和天氣條件下全景橢圓形海天線(xiàn)的精 確檢測(cè)。
[0059]本發(fā)明的步驟如下：
[0060] 步驟1、設(shè)置初始輪廓線(xiàn)。設(shè)定以相機(jī)固定設(shè)備中心0為圓心，半徑為R-Ar的圓為 初始輪廓線(xiàn)。增量A r的確定原則是保證初始輪廓線(xiàn)的半徑R-△ r處于海天線(xiàn)半徑和雙曲面 反射鏡固定裝置的半徑R之間。
[0061] 步驟2、Sobel算子計(jì)算各像素點(diǎn)梯度值。利用Sobel算子計(jì)算全景圖像I(x，y)的每 一個(gè)像素點(diǎn)(X，y)的梯度值。
[0062]步驟3、AC法消除全景設(shè)備區(qū)干擾。利用AC顯著性計(jì)算方法獲得源圖像的視覺(jué)顯著 圖，利用最大類(lèi)方差法分割視覺(jué)顯著圖，得到視覺(jué)顯著分割圖，確定全景設(shè)備區(qū)成像在圖像 中的位置;根據(jù)視覺(jué)顯著分割圖中的全景設(shè)備區(qū)位置，將全景圖像中相應(yīng)位置處點(diǎn)的梯度 值（由步驟2計(jì)算得到)設(shè)置為0,消除全景設(shè)備區(qū)干擾。
[0063] 步驟4、構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型。利用海天線(xiàn)為橢圓形這一特點(diǎn)，構(gòu)造形狀能量 函數(shù);利用海天線(xiàn)具有明顯梯度特征這一特點(diǎn)，構(gòu)造基于梯度函數(shù)的圖像能量函數(shù);將它們 加入到經(jīng)典主動(dòng)輪廓模型中，從而得到改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型能量函數(shù)。
[0064] 步驟5、快速貪婪算法迭代提取海天線(xiàn)。從設(shè)置的初始輪廓線(xiàn)上提取η個(gè)初始控制 點(diǎn)，利用改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型能量函數(shù)，通過(guò)快速貪婪算法使活動(dòng)輪廓線(xiàn)逐漸迭代收斂到 全景海天線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)全景海天線(xiàn)的精確檢測(cè)。
[0065] 實(shí)施例：
[0066] 1.設(shè)置初始輪廓線(xiàn)
[0067] 利用主動(dòng)輪廓模型進(jìn)行輪廓提取時(shí)，對(duì)初始輪廓位置的依賴(lài)性很大。當(dāng)初始輪廓 曲線(xiàn)離真實(shí)邊緣較遠(yuǎn)時(shí)，往往會(huì)收斂到局部極小值點(diǎn)，所以初始輪廓線(xiàn)往往設(shè)置在圖像邊 緣附近。本發(fā)明根據(jù)全景海域圖像特點(diǎn)，按如下方式設(shè)置初始輪廓曲線(xiàn)：
[0068] 如圖1所示，當(dāng)全景設(shè)備固定后，所采集的全景圖像中海天線(xiàn)分布在相機(jī)固定設(shè)備 (中心0,半徑r)和雙曲面反射鏡固定裝置（中心0,半徑R)的成像之間，即在固定設(shè)備中心0 為圓心，:r和R為半徑的兩個(gè)圓環(huán)之間。因?yàn)槿耙曈X(jué)系統(tǒng)一旦確定，相機(jī)固定設(shè)備和雙曲面 反射鏡固定裝置的位置是已知的并且是固定不動(dòng)的，因此本發(fā)明利用該先驗(yàn)知識(shí)，并結(jié)合 真實(shí)海天線(xiàn)為近似圓形的橢圓形的特點(diǎn)，設(shè)定以相機(jī)固定設(shè)備中心〇為圓心，半徑為R-A r 的圓為初始輪廓線(xiàn)，其中增量A r的確定原則是保證初始輪廓線(xiàn)的半徑R-△ r處于海天線(xiàn)半 徑和反射鏡固定裝置的半徑R之間。
[0069] 2.Sobel算子計(jì)算各像素點(diǎn)梯度值
[0070 ]對(duì)全景圖像I (X，y)中的每一個(gè)像素點(diǎn)利用Sobe 1算子計(jì)算各點(diǎn)在X和y方向上的梯 ，則I(x，y)在點(diǎn)(x，y)上的梯度值為：
[0072] 3.AC法消除全景設(shè)備區(qū)干擾
[0073]由于全景視覺(jué)傳感器通過(guò)折反射逆投影光學(xué)原理成像，使得全景海域圖像中不僅 包括環(huán)境場(chǎng)景信息（如海面和天空等），還包括了全景采集裝置(保護(hù)罩、反射鏡邊框、攝像 頭及支架）以及搭載全景采集裝置的船體或浮標(biāo)的成像，如圖1所示，圖1是全景海域圖像示 意圖。其中1為全景采集設(shè)備反射鏡邊緣，2為天空區(qū)域，3為相機(jī)固定設(shè)備邊緣，4為海面區(qū) 域，5為船體及設(shè)備的成像，6為海天線(xiàn)，7為全景裝置支架。0為相機(jī)固定設(shè)備和雙曲面反射 鏡固定裝置的中心，r為相機(jī)固定設(shè)備的半徑，R為雙曲面反射鏡固定裝置的半徑。本發(fā)明將 其簡(jiǎn)稱(chēng)為全景設(shè)備區(qū)干擾。該區(qū)域大大增加了全景圖像背景的復(fù)雜度，并且導(dǎo)致海天線(xiàn)遮 擋和斷裂，增加了全景海天線(xiàn)提取的難度。所以有必要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行提取和分割，消除其不 良影響?？紤]到全景圖像中的全景設(shè)備區(qū)相對(duì)比較明顯，更易引起視覺(jué)注意，而視覺(jué)顯著圖 反映了人類(lèi)的視覺(jué)注意機(jī)制，因此可以利用視覺(jué)顯著圖得到全景設(shè)備區(qū)在圖像中的位置， 進(jìn)而予以消除。
[0074] 本發(fā)明采用AC顯著性計(jì)算方法來(lái)獲得源圖像的視覺(jué)顯著圖，并利用視覺(jué)顯著圖得 到全景設(shè)備區(qū)在圖像中的位置，進(jìn)而予以消除。具體步驟為：
[0075] (1)設(shè)像素 p是輸入圖像的一個(gè)局部區(qū)域心和它周?chē)鷧^(qū)域R2的中心，且心取為一個(gè) 像素，R2為邊長(zhǎng)為
之間的正方形區(qū)域，計(jì)算感知單元P所在位置的局部對(duì)比度：
[0077]其中：L為圖像的長(zhǎng)或?qū)挘退菂^(qū)域RjPR2的像素個(gè)數(shù)，vk是位置k處的特征值或 者特征向量，11 · 11表示歐式距離。
[0078] (2)不斷改變中心像素點(diǎn)p的位置，計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的顯著值，再對(duì)所有像素點(diǎn) 的顯著值進(jìn)行歸一化處理，可得到圖像的視覺(jué)顯著圖。
[0079] (3)為了確定全景設(shè)備區(qū)在全景圖像中的位置，利用最大類(lèi)方差法分割視覺(jué)顯著 圖，得到視覺(jué)顯著分割圖。
[0080] (4)根據(jù)視覺(jué)顯著分割圖中的全景設(shè)備區(qū)位置，將全景圖像中相應(yīng)位置處點(diǎn)的梯 度值（由步驟2計(jì)算得到)設(shè)置為0。
[0081] 4.構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型
[0082] 步驟1給出了利用主動(dòng)輪廓模型提取全景海天線(xiàn)時(shí)設(shè)置初始輪廓線(xiàn)的方法。但在 圖像背景復(fù)雜的情況下，即使設(shè)置了合適的初始輪廓線(xiàn)，也未必就能準(zhǔn)確收斂到目標(biāo)邊緣。 這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的主動(dòng)輪廓模型在演化過(guò)程中僅使用圖像的梯度信息，當(dāng)圖像比較復(fù)雜時(shí)， 活動(dòng)輪廓上的點(diǎn)容易收斂到鄰域的局部極小值點(diǎn)，從而提取出錯(cuò)誤的目標(biāo)輪廓線(xiàn)。為解決 這一問(wèn)題，本發(fā)明根據(jù)全景海天線(xiàn)為橢圓形這一特征，構(gòu)造了形狀能量函數(shù)，加入到主動(dòng)輪 廓模型中作為約束，使活動(dòng)輪廓線(xiàn)在收斂的過(guò)程中限制了輪廓的形狀，從而使活動(dòng)輪廓更 容易收斂到目標(biāo)輪廓線(xiàn)即全景海天線(xiàn)上。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0083] (1)構(gòu)造形狀能量函數(shù)
[0084] 設(shè){vi，V2,，…Vn}是主動(dòng)輪廓線(xiàn)上的η個(gè)控制點(diǎn)，Eshape(Vi)為新增加的形狀能量項(xiàng)， 其作用是使活動(dòng)輪廓線(xiàn)向目標(biāo)輪廓收斂的過(guò)程中保持近似橢圓形狀，其構(gòu)造方法為：
[0085] 對(duì)主動(dòng)輪廓線(xiàn)上的控制點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合，得到擬合橢圓方程，該橢圓方程在 X-Y平面內(nèi)可用二次多項(xiàng)式表示為：
[0086] ax2+bxy+cy2+dx+ey+f = 0
[0087] 4ac-b2>0
[0088] 其中：a，b，c，d，e和f分別是橢圓方程的參數(shù)。
[0089] 設(shè)cU為主動(dòng)輪廓線(xiàn)上第i個(gè)控制點(diǎn)到該擬合橢圓的距離，即：
[0090] dj =axj1 + bxf}) + cyf + dxf + eyi + f
[0091] 在迭代收斂過(guò)程中活動(dòng)輪廓線(xiàn)上的控制點(diǎn)應(yīng)具有向此擬合橢圓曲線(xiàn)靠近的趨勢(shì)， 而且離該橢圓曲線(xiàn)越近，形狀能量越小。故形狀能量項(xiàng)Eshape (Vi )可構(gòu)造為：
[0093]其中：cUy表示主動(dòng)輪廓線(xiàn)上第i個(gè)控制點(diǎn)及其八鄰域內(nèi)的點(diǎn)到擬合橢圓曲線(xiàn)距 離的最大值，M>0為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)。
[0094] (2)構(gòu)造圖像能量函數(shù)
[0095] 設(shè)Eima(Vl)是圖像作用力產(chǎn)生的圖像能量函數(shù)，它體現(xiàn)了輪廓點(diǎn)與圖像局部特征 的吻合情況，與圖像梯度或其它特征有關(guān)。由于海天線(xiàn)是天空區(qū)域和海面區(qū)域的交界，具有 明顯的梯度特征，故本發(fā)明構(gòu)造了如下基于梯度函數(shù)的E ima(Vl):
[0096] 針對(duì)圖像I(x，y)，定義
[0097] r(x,y)=G〇(x,y)*I(x,y)
[0098] 式中GJxj)表示方差為〇的卷積高斯濾波算子，用于使圖像梯度產(chǎn)生漸變效果， 從而起到加速收斂的作用。
[0099] 設(shè)圖像I(x，y)中第i個(gè)控制點(diǎn)Vi的坐標(biāo)為(Xi，yi)，1'（x，y)在點(diǎn)（Xi，yi)上沿x，y方 向的方向梯度分別為
，則定義圖像能量Eima( Vi)為：
[0101] 式中γ:為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)。從上式可以看出，在梯度最大的地方能量值最 小，即圖像邊緣部分的能量最小。
[0102] (3)構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型
[0103] 在經(jīng)典主動(dòng)輪廓模型中加入形狀能量函數(shù)后，得到改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型為：
[0? 05]式中：Esnake為第i個(gè)控制點(diǎn)Vi處的總能量值;Eima ( Vi )為圖像能量，由步驟⑵計(jì)算； Eshape ( Vi )為形狀能量，由步驟(1 )計(jì)算;E_t ( Vi )為彈性能量，Ec；urv( Vi )為剛性能量，且：
[01 06] Un )二| J - |v,. - V,.-! |「
[0107] Ecurv(vi) =β? I I Vi-1-2vi+Vi+l I 12
[0108] 其中：J為控制點(diǎn)的平均距離，α?，β?為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)。
[0109]新納入能量函數(shù)中的形狀能量項(xiàng)EshaPe(Vi)所起的作用是：當(dāng)?shù)趇個(gè)控制點(diǎn)距離擬 合橢圓曲線(xiàn)為dmax, i時(shí)，有Eshape3(Vi) = 0，Eshape3(Vi)取得最大值;當(dāng)?shù)趇個(gè)控制點(diǎn)在擬合橢圓曲 線(xiàn)上時(shí)，有Esh ape (Vi) = _Ai，Eshape( Vi)取得最小值。加入形狀能量約束后，在進(jìn)行能量函數(shù)最 小化的過(guò)程中，控制點(diǎn)會(huì)更趨向于向距離擬合橢圓曲線(xiàn)更近的點(diǎn)收斂，從而保證主動(dòng)輪廓 曲線(xiàn)在收斂過(guò)程中盡可能地保持為橢圓形，且更容易越過(guò)那些局部極小值點(diǎn)收斂到目標(biāo)輪 廓曲線(xiàn)上，即為全景海天線(xiàn)上。
[0110] 5.快速貪婪算法迭代提取海天線(xiàn)
[0111] 該過(guò)程包括下列步驟：
[0112] (1)從設(shè)置的初始輪廓線(xiàn)上提取η個(gè)初始控制點(diǎn){V1，V2，，···％}，!!的大小由圖像的 大小決定。本發(fā)明所用圖片為512X512像素，取n = 400。
[0113] (2)從第一個(gè)控制點(diǎn)開(kāi)始，按照步驟4方法分別計(jì)算該點(diǎn)及其附近8鄰域內(nèi)點(diǎn)的彈 性能量，剛性能量，圖像能量和形狀能量，并對(duì)這四項(xiàng)能量分別進(jìn)行歸一化處理。彈性能量 的歸一化方法如下：
[0115] 式中，Dmax(i)為第i個(gè)控制點(diǎn)3X3鄰域內(nèi)Eccint(Vi)的最大值，D min⑴為第i個(gè)控制點(diǎn) 3X3鄰域內(nèi)E_t(Vl)的最小值。同理，剛性能量，圖像能量和形狀能量的歸一化均類(lèi)比上述 方法處理，歸一化結(jié)果分別記做f ?rv( v i ) ? E image (Vi)，E shape(Vi)〇
[0116] (3)利用步驟4構(gòu)造的改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型計(jì)算第i個(gè)控制點(diǎn)及其8鄰域內(nèi)點(diǎn)各自的 總能量E snake，為處理方便，本發(fā)明將所有控制點(diǎn)vi(i = 1，2，…，η)對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)取為常數(shù)， 經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)取α = 1.0，β=1.0, γ =1.2，λ=1.5。比較第i個(gè)控制點(diǎn)及其8鄰域內(nèi)點(diǎn)的總能量 Esnake，選擇這九個(gè)點(diǎn)中總能量最小的點(diǎn)為新的活動(dòng)控制點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置計(jì)數(shù)器。當(dāng)新的控制點(diǎn) 和原控制點(diǎn)位置不同時(shí)，在該計(jì)數(shù)器中加1，然后處理第i+Ι點(diǎn)，直到這η個(gè)點(diǎn)依次被處理完。 通過(guò)這樣處理，就得到了新的輪廓線(xiàn)。
[0117] (4)當(dāng)計(jì)數(shù)器記錄的控制點(diǎn)移動(dòng)的總數(shù)小于給定閾值Τ或循環(huán)次數(shù)超過(guò)設(shè)定值Μ 時(shí)，認(rèn)為此時(shí)逼近精度滿(mǎn)足要求，曲線(xiàn)已經(jīng)收斂到真實(shí)輪廓上，退出循環(huán)，否則轉(zhuǎn)步驟(2)。 在本發(fā)明中取Τ = 20，Μ=200。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型的全景海天線(xiàn)提取方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 設(shè)置初始輪廓線(xiàn) 確定相機(jī)固定設(shè)備和雙曲面反射鏡固定裝置的位置，所采集的全景圖像中海天線(xiàn)分布 在中屯、0,半徑r的相機(jī)固定設(shè)備和中屯、0,半徑R的雙曲面反射鏡固定裝置的成像之間，設(shè)定 W相機(jī)固定設(shè)備中屯、0為圓屯、，半徑為R-A r的圓為初始輪廓線(xiàn)，其中增量Ar要保證初始輪 廓線(xiàn)的半徑R-A r處于海天線(xiàn)半徑和雙曲面反射鏡固定裝置的半徑R之間； (2) 使用Sobel算子計(jì)算各像素點(diǎn)梯度值 對(duì)全景圖像I (X，y)中的每一個(gè)像素點(diǎn)利用Sobe 1算子計(jì)算各點(diǎn)在X和y方向上的梯度導(dǎo) 數(shù)和則全景圖像I(x，y)在點(diǎn)(x，y)上的梯度值為： (-Λ- (-Γ(3) 消除全景設(shè)備區(qū)干擾 利用AC顯著性計(jì)算方法來(lái)獲得源圖像的視覺(jué)顯著圖，并利用視覺(jué)顯著圖得到全景設(shè)備 區(qū)在圖像中的位置，進(jìn)而予W消除，具體步驟為： 3.1) 像素 P是輸入圖像的一個(gè)局部區(qū)域Ri和像素 P周?chē)鷧^(qū)域R2的中屯、，且Ri取為一個(gè)像 素，R2為邊長(zhǎng)為之間的正方形區(qū)域，計(jì)算感知單元P所在位置的局部對(duì)比度： _ 〇 2 _其中：L為圖像的長(zhǎng)或?qū)?，化和化是區(qū)域Ri和R2的像素個(gè)數(shù)，vk是位置k處的特征值或者特 征向量，II · II表示歐式距離； 3.2) 改變中屯、像素點(diǎn)P的位置，計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的顯著值，再對(duì)所有像素點(diǎn)的顯著值 進(jìn)行歸一化處理，得到圖像的視覺(jué)顯著圖； 3.3) 利用最大類(lèi)方差法分割視覺(jué)顯著圖，得到視覺(jué)顯著分割圖，確定全景設(shè)備區(qū)成像 在圖像中的位置； 3.4) 根據(jù)視覺(jué)顯著分割圖中的全景設(shè)備區(qū)位置，將全景圖像中相應(yīng)位置處點(diǎn)的梯度值 設(shè)置為0; (4) 構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型 根據(jù)全景圖像中的海天線(xiàn)為楠圓形的特征，構(gòu)造形狀能量函數(shù)，加入到主動(dòng)輪廓模型 中，使活動(dòng)輪廓線(xiàn)在收斂的過(guò)程中限制輪廓的形狀，具體步驟為： 4.1)構(gòu)造形狀能量函數(shù) 設(shè){ VI，V2,，…Vn}是主動(dòng)輪廓線(xiàn)上的η個(gè)控制點(diǎn)，Eshape ( Vi )為新增加的形狀能量函數(shù)，開(kāi)多 狀能量函數(shù)構(gòu)造方法為： 對(duì)主動(dòng)輪廓線(xiàn)上的控制點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合，得到擬合楠圓方程： 曰 x2+bxy+cy2+dx+ey+f = 0 4ac-b2>0 其中：a，b，c，d，e和f分別是楠圓方程的參數(shù)； 設(shè)di為主動(dòng)輪廓線(xiàn)上第i個(gè)控制點(diǎn)到該擬合楠圓的距離，即：貝1J形狀能量函數(shù)Eshape(Vi)為：其中：dmax,i表示主動(dòng)輪廓線(xiàn)上第i個(gè)控制點(diǎn)及其八鄰域內(nèi)的點(diǎn)到擬合楠圓曲線(xiàn)距離的 最大值，λι為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)； 4.2) 構(gòu)造圖像能量函數(shù) 海天線(xiàn)是天空區(qū)域和海面區(qū)域的交界，具有明顯的梯度特征，構(gòu)造如下基于梯度函數(shù) 的圖像能量函數(shù)Eima(Vi):針對(duì)圖像I(x，y)，定義 I' (x,y)=G〇(x,y)*I(x,y) 式中U(x，y)表示方差為0的卷積高斯濾波算子； 圖像Kx，y)中第i個(gè)控制點(diǎn)Vi的坐標(biāo)為(xi，yi)，1'（x，y)在點(diǎn)（xi，yi)上沿x，y方向的方 向梯度分別為^和則定義圖像能量Eima(Vi)為：式中T 1為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)； 4.3) 構(gòu)造改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型 在經(jīng)典主動(dòng)輪廓模型中加入形狀能量函數(shù)后，得到改進(jìn)主動(dòng)輪廓模型為：式中：Esnake為第i個(gè)控制點(diǎn)Vl處的總能量值;Elma(Vl)為圖像能量，由步驟4.2)計(jì)算； Eshape(Vi)為形狀能量，由步驟4.1)計(jì)算;E?nt(Vi)為彈性能量，E?rv(Vi)為剛性能量，且：Ecurv(Vi)=0i| |vi-：l-2vi+Vi+l| |2 其中：志為控制點(diǎn)的平均距離，〇1，?3ι為第i個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)系數(shù)； (5)通過(guò)快速貪婪算法迭代提取海天線(xiàn)，包括下列步驟： 5.1) 從設(shè)置的初始輪廓線(xiàn)上提取11個(gè)初始控制點(diǎn)^1，乂2,，一乂。}，11的大小由圖像的大小 決定； 5.2) 從第一個(gè)控制點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)算該點(diǎn)及其附近8鄰域內(nèi)點(diǎn)的彈性能量，剛性能量，圖像 能量和形狀能量，并對(duì)運(yùn)四項(xiàng)能量分別進(jìn)行歸一化處理； 5.3) 利用改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型計(jì)算第i個(gè)控制點(diǎn)及其8鄰域內(nèi)點(diǎn)各自的總能量Esnake，比 較第i個(gè)控制點(diǎn)及其8鄰域內(nèi)點(diǎn)的總能量Esnake，選擇運(yùn)九個(gè)點(diǎn)中總能量最小的點(diǎn)為新的活動(dòng) 控制點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置計(jì)數(shù)器;當(dāng)新的控制點(diǎn)和原控制點(diǎn)位置不同時(shí)，在該計(jì)數(shù)器中加1，然后處 理第i+1點(diǎn)，直到運(yùn)η個(gè)點(diǎn)依次被處理完，得到了新的輪廓線(xiàn)； 5.4) 當(dāng)計(jì)數(shù)器記錄的控制點(diǎn)移動(dòng)的總數(shù)小于給定闊值Τ或循環(huán)次數(shù)超過(guò)設(shè)定值Μ時(shí)，貝U 此時(shí)逼近精度滿(mǎn)足要求，曲線(xiàn)已經(jīng)收斂到真實(shí)輪廓上，退出循環(huán)，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟5.2)。
【文檔編號(hào)】G06K9/46GK106096617SQ201610416294
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日 公開(kāi)號(hào)201610416294.5, CN 106096617 A, CN 106096617A, CN 201610416294, CN-A-106096617, CN106096617 A, CN106096617A, CN201610416294, CN201610416294.5
【發(fā)明人】蘇麗, 吳俊杰, 龐迪, 蔡成濤, 朱齊丹, 張智, 燕妹, 項(xiàng)前, 李恩澤
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)