基于時(shí)空顯著性和四元余弦變換的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外圖像處理領(lǐng)域，涉及紅外弱小目標(biāo)顯著性檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外探測(cè)系統(tǒng)在紅外警戒領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，其中弱小目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)在預(yù)警 系統(tǒng)、精確打擊武器和防空系統(tǒng)等領(lǐng)域中發(fā)揮非常重要的作用。由于紅外目標(biāo)有著信噪比 低，對(duì)比度差，目標(biāo)像素點(diǎn)少等特點(diǎn)，所以紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)是一個(gè)具有很大挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵 課題。
[0003] 在計(jì)算視覺領(lǐng)域，視覺顯著性已經(jīng)得到了學(xué)者們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，在這個(gè)過程中， 也形成了一些視覺顯著性計(jì)算模型。視覺顯著性已經(jīng)應(yīng)用在圖像壓縮、衛(wèi)星遙感圖像、圖像 與場(chǎng)景分析、視頻處理等方面。通過顯著性檢測(cè)模型的計(jì)算，得到的顯著性檢測(cè)圖包含了可 能引起人眼關(guān)注的區(qū)域，抑制了部分背景，極大的簡(jiǎn)化了通常對(duì)整個(gè)圖像區(qū)域處理的過程， 提高了計(jì)算速度和計(jì)算精度。
[0004] 隨著紅外檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)提出了許多檢測(cè)方法，主要有時(shí)域、空域、小 波變換等方法，隨著視覺顯著性提出和發(fā)展，顯著性檢測(cè)也用在了紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)中?；?于顯著性的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)方法目前也有一些，其中基于相位譜傅里葉變換(PFT)和相 位譜四元組傅里葉變換(PQFT)這兩種算法都有一定的檢測(cè)效果，PQFT是對(duì)PFT的擴(kuò)展，在目 標(biāo)檢測(cè)中取到了更好的效果。這是因?yàn)镻QFT具有最多支持四個(gè)數(shù)據(jù)通道的能力，可以為傅 里葉變換提供更多的信息，而傳統(tǒng)傅里葉變換只能使用灰度信息?；谒脑M傅里葉變換 的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)方法，首先，利用S0DD濾波器得到四張二階方向?qū)?shù)圖，組成一個(gè)四元 組;其次，對(duì)四元組進(jìn)行傅里葉變換;然后，只利用傅里葉變換的相位譜進(jìn)行反傅里葉變換， 得到空域的圖像;最后，對(duì)空域變換的結(jié)果取幅度譜，并用高斯低通濾波器對(duì)圖像濾波，得 到最終的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)圖。這種方法在目標(biāo)對(duì)比度比較大的時(shí)候取得了比較好的效 果，但是對(duì)于目標(biāo)昏暗對(duì)比度比較低的紅外圖像，在檢測(cè)結(jié)果中，目標(biāo)亮度比較低，檢測(cè)結(jié) 果不理想，而且只能檢測(cè)單幀圖片，沒有加入運(yùn)動(dòng)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，針對(duì)在目標(biāo)亮度低和對(duì)比度低的情況下，得到的檢測(cè)結(jié)果不理想 的問題，本發(fā)明提出了一種基于視覺顯著性和四元余弦變換(QDCT)的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)的 方法。
[0006] 本發(fā)明方法利用圖像的時(shí)域特征和空域特征，得到兩個(gè)特征通道圖；結(jié)合類高斯 分布的紅外弱小目標(biāo)具有各向同性的特征，而背景具有局部方向的特征，S0DD濾波器作為 方向?yàn)V波器對(duì)輸入視頻的每一幀濾波，得到另外兩個(gè)特征通道圖，四個(gè)特征通道圖構(gòu)成一 個(gè)四元組;最終的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果是先利用四元組余弦變換，然后用符號(hào)函數(shù)處理， 再進(jìn)行反四元組余弦變換得到。
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，基于時(shí)空顯著性和四元余弦變換的紅外弱小 目標(biāo)檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0008]步驟1:采集2D視頻圖像，視頻圖像為I(x，y，t)，其中t = l · · · N，N為視頻總幀 數(shù)，（x，y)為像素點(diǎn)的位置；
[0009] 步驟2:計(jì)算二階方向?qū)?shù)圖，并構(gòu)建四元組；
[0010] 步驟2.1:對(duì)當(dāng)前幀圖像計(jì)算0°，45°，90°，135°這4個(gè)方向的二階方向?qū)?shù)圖；
[0011]步驟2.2:將0°，90°的二階方向?qū)?shù)圖進(jìn)行融合，將45°，135°的二階方向?qū)?shù)圖進(jìn) 行融合，獲得兩個(gè)特征通道圖；
[0012] 步驟2.3:計(jì)算當(dāng)前幀的強(qiáng)度特征通道圖b(X，y，t)和運(yùn)動(dòng)特征通道圖m(X，y，t);
[0013] 步驟2.4:將步驟2.2和步驟2.3共獲得的4個(gè)特征通道圖加權(quán)相加，構(gòu)成四元組；
[0014] 步驟3:對(duì)步驟2獲得四元組進(jìn)行左四元余弦變換或右四元余弦變換，獲得新的四 元組；
[0015]步驟4:計(jì)算檢測(cè)結(jié)果圖；
[0016] 步驟4.1:定義四元組的符號(hào)函數(shù)sgn(q)為：
[0018]其中X 〇，X i，X 2，X 3是四元組的四個(gè)分量，| q |是四元組的模，
[0019] 步驟4.2:對(duì)四元余弦變換的符號(hào)函數(shù)做四元反余弦變換，得到空域的圖像，然后 用高斯低通濾波器對(duì)空域圖像的幅度譜濾波，獲得檢測(cè)結(jié)果圖。
[0020] 進(jìn)一步的，所述步驟2的四元組的具體構(gòu)建方法為：
[0021] (1)二階方向?qū)?shù)圖的計(jì)算公式；
[0022] S0DD濾波器是通過facet model設(shè)計(jì)得到的，通過facet model可以得到三個(gè)卷積 核：
[0024]二階方向?qū)?shù)圖的表達(dá)式為：
[0026 ] K4，K5，K6是W4，W5，W6分別對(duì)待處理幀I (X，y，t)卷積的結(jié)果，1為所需要的方向，α為1 與X軸的夾角，β為1與y軸的夾角；
[0027] (2)計(jì)算二階方向?qū)?shù)圖；
[0028]本發(fā)明中1分別為0°，45°，90° ,135°，得到四幅二階方向?qū)?shù)圖dQ，d45，d9Q，d135:
[0029] do(x，y，t) = 2K4(x，y，t)
[0030] d45(x，y，t) = 2K4(x，y，t)+2K5(x，y，t)+2K6(x，y，t)
[0031] d9〇(x,y,t) = 2K6(x,y,t) (3)
[0032] di35(x，y，t)=2K4(x，y，t)-2K5(x，y，t)+2K6(x，y，t)
[0033]
[0034] (3)融合四個(gè)二階方向?qū)?shù)圖，得到兩個(gè)特征通道圖
[0035] di(x,y,t) = do(x,y,t) · dg〇(x,y,t)
[0036] d2(x，y，t) = d45(x，y，t)di35(x，y，t) (4)
[0037]
[0038] 這里的"·"是兩個(gè)相互垂直的二階方向?qū)?shù)圖對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的乘積；
[0039] (4)強(qiáng)度特征通道b(x，y，t)和運(yùn)動(dòng)特征通道m(xù)(x，y，t)的計(jì)算公式：
[0040] b(x,y,t)= | I(x,y,t) (5)
[0041] m(x,y,t)= |b(x,y,t)-b(x,y,t-T) (6)
[0042] 其中τ = 3,運(yùn)動(dòng)特征通道是用幀差法得到的。
[0043] (5)待處理幀的四個(gè)特征通道共同構(gòu)成四元組的，四元組表示為：
[0044] q(x，y，t)=m(x，y，t)+di(x，y，t)i+d2(x，y，t)j+b(x，y，t)k (7)
[0045] 其中i，j，k滿足jk = i2 = j2 = k2 = _l，i 丄 j 丄k。
[0046] 進(jìn)一步的，所述步驟3中四元余弦變換的方法為：
[0047] 四元余弦變換有左四元余弦變換和右四元余弦變換，這兩種變換的結(jié)果是兩個(gè)不 同的四元組，這是因?yàn)閕 j = k而j i = -k，四元組q (X，y，t)的分辨率為Μ X N，兩種四元余弦變 換的計(jì)算公式為：

[0050]
[0051] ，yQ是單位純虛四元組，和cf都是變換的系數(shù)，表 達(dá)式相似，而/C和/C都是余弦函數(shù)，表達(dá)式也相似，分別表示為：
[0054]
[0057]
[0058] 進(jìn)一步的，所述步驟4中最終檢測(cè)結(jié)果圖的計(jì)算方法為：
[0059] (1)四元組q的符號(hào)函數(shù)sgn(q)定義為：
[0061 ]其中叉〇，叉1，叉2，13是四元組的四個(gè)分量，|9|是四元組的模，
[0062] (2)左反四元余弦變換和右反四元余弦變換的計(jì)算公式為：
[0065]
[0066] (3)最終的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果是通過對(duì)四元余弦變換的符號(hào)函數(shù)做四元反余 弦變換，得到空域的圖像，然后用高斯低通濾波器對(duì)空域圖像的幅度譜濾波，這里用左余弦 變換，右余弦變換是類似的，計(jì)算方法如下：
[0067] q,(x,y,t) = IQDCTL(sgn(QDCTL(q(x,y,t))) (13)
[0068] DM(x,y,t)=g*|q，(x,y,t) |2 (14)
[0069] 其中，δ是高斯低通濾波器的方差，取δ = 1.5。
[0070] 本發(fā)明采用S0DD濾波器把具有局部方向性的雜波濾波為類條狀分布的背景雜波， 得到四幅二階方向?qū)?shù)圖，通過兩組相互垂直的通道分別相乘，得到兩個(gè)特征通道圖，加入 強(qiáng)度特征通道圖和運(yùn)動(dòng)特征通道圖，共同組成一個(gè)四元組，用四元余弦變換的符號(hào)函數(shù)的 反四元余弦變換得到最終的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)四元余弦變換取符號(hào)函數(shù)的目的是 抑制背景，檢測(cè)具有類高斯分布的顯著的紅外弱小目標(biāo)。
【附圖說(shuō)明】
[0071] 圖1為構(gòu)建四元組的基本流程；
[0072] 圖2為紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)的基本流程；
[0073] 圖3為紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)的結(jié)果（只取了每個(gè)視頻的一幀，上面是原圖，下面是對(duì) 應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果）。
【具體實(shí)施方式】
[0074] 1.計(jì)算二階方向?qū)?shù)圖
[0075] 二階方向?qū)?shù)圖是通過二階方向?qū)?shù)濾波器在四個(gè)不同的方向?yàn)V波