基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法，包括如下步骤：步骤1：利用惯导信息把历史帧图像校正到当前帧飞行器姿态下的成像；步骤2：基于爬山法的匹配算法实现快速位置校正；步骤3：利用高斯加权对背景进行建模；步骤4：背景差分，利用阈值分割检测移动目标。本发明专利技术基于飞行器配置的惯性设备，利用惯导信息对图像进行了校正，消除了飞行器运动引起的背景变化，并通过融合估计出背景模型，最后利用差分法检测弱小移动目标，解决了传统的红外弱小移动目标存在误检率高、可靠性低以及环境适应能力差等缺点，为飞行器视觉导航和成像制导提供技术参考和支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法
本专利技术属于飞行器视觉导航与红外成像制导仿真
，具体涉及一种基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法。
技术介绍
全捷联红外成像技术是飞行器精确导航与制导领域发展的重要方向之一，而尽快的识别和锁定目标对于飞行器视觉导航和红外成像制导有着重要的意义。当移动目标与飞行器距离较远时(通常两公里以上)，弱小目标在图像中所占的像素非常少，一般只有几个或者十几个像素，无形状、尺寸和纹理等信息可以利用，并且低信噪比的复杂背景下存在大量的噪声干扰，因此红外弱小移动目标的检测是计算机视觉和红外成像制导的研究难点。传统的红外弱小移动目标检测算法大都是基于滤波的单帧检测算法，只利用弱小目标的灰度奇异特性，并没有利用弱小目标的移动特性，这类算法在背景比较平稳的情况下能取得较好的结果，但是对于存在强干扰的地面背景图像，如果大量的亮斑、强边缘和高亮区域，这类算法的性能会急剧下降。检测运动目标最常用的方法是背景差分法，但是由于飞行器存在运动，背景先验知识并不得知，背景的模型很难建立，因此检测性能也不理想。目前绝大多数的飞行器都配置有捷联惯性设备，可以方便的获取飞行器的位置和姿态信息，由于探测器与飞行器固联，可以利用已知的惯导信息对背景进行建模。因此，有必要研究一种基于惯导信息辅助的背景差分方法实现对红外弱小目标的有效检测。
技术实现思路
为了克服传统检测算法在检测红外弱小移动目标时存在误检率高、可靠性低以及环境适应能力差等缺点，本专利技术提供一种基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法，基于飞行器配置的捷联惯性设备，充分利用弱小移动目标的运动特性，利用惯导信息对序列图像进行依次校正，消除飞行器运动引起的图像的位置和姿态发生的变化；然后利用景像匹配的方法实现精确的位置校正；进而对校正后的图像序列进行融合以得到静态背景；最后通过背景差分和阈值分割的方法实现对弱小移动目标的有效检测。本专利技术提出的基于序列图像红外弱小目标检测算法，可以克服飞行器运动的影响，实现在复杂地面环境下的弱小移动目标的自动检测。本专利技术采用如下的技术方案来实现：基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法，包括如下步骤：步骤1：利用惯导信息把历史帧图像校正到当前帧飞行器姿态下的成像；步骤2：基于爬山法的匹配算法实现快速位置校正；步骤3：利用高斯加权对背景进行建模；步骤4：背景差分，利用阈值分割检测移动目标。本专利技术进一步的改进在于，步骤1的具体实现方法如下：步骤1.1：两帧图像之间的坐标变换模型计算；空间中一点P的世界坐标为P(x,y,z)，在飞行器摄像机t1和t2两个时刻所成的像分别为P1、P2，那么对于t1时刻的像P1有：其中s1为尺度因子，表示在t1时刻摄像机坐标系下Z轴的坐标，也即景深，αx,αy表示探测器的内部参数；假设通过捷联惯导获得飞行器的位置和姿态信息分别为：λ经度、L纬度和h高度，以及θ俯仰角、偏航角和γ滚动角，R，t分别表示世界坐标系到t2时刻摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移分量，则有：式中：为弹体系到摄像机系的变换矩阵；为导航系到弹体系的变换矩阵；E为摄像机所对应的地心系坐标；为地心系到导航系的变换矩阵；同理，则表示摄像机系到弹体系的变换矩阵，依次类推，其计算公式如下：式中，RW和RN分别为摄像机所对应的卯酉圈半径和子午圈半径；那么，P点在t2时刻摄像机坐标系下的像素坐标为：消除x和y分量得到空间中同一点在两幅图像像素坐标之间的关系为：步骤1.2：将景深的计算转换为飞行器和基准区域的距离，简化变换模型；将目标的景深s转化为飞行器和基准区域距离D进行分析，如下：假如视野区域高度相同，摄像机为O点，光轴在成像平面的投影为a点，对应于地面的A点，OA之间的距离近似为D，视线高低角为β；对于成像平面的任一像素点b，其景深s通过对于图像中心点的A点的景深D、b点对应的摄像机视角θ和视线高低角β来表示：OB＝D·sin(β)/sin(β-θ)s＝OB'＝OB·cos(θ)＝D·sin(β)cos(θ)/sin(β-θ)通过上式求得目标点在两个不同时刻摄像机坐标下的景深s1和s2，从而简化变换模型；步骤1.3：根据变换模型，分别将前N帧图像校正到当前时刻第N+1帧的飞行器姿态和视角下的变换图像。本专利技术进一步的改进在于，步骤2的具体实现方法如下：在当前帧的中心区域截取设定大小的兴趣区域，与校正后的图像进行归一化积相关图像匹配算法，实现位置的精确修正；为实现快速的匹配，采用基于爬山法的搜索策略。本专利技术进一步的改进在于，步骤3的具体实现方法如下：精确校正后的图像序列与当前帧为相同的视角和姿态，能够对校正后的图像序列进行融合，建立背景模型，并采用高斯加权的方式进行权重约束，离当前时刻越近，权重应越大，融合的背景效果越好，高斯加权模型如下表示：ωi＝exp(-σ(i-N-1)),i＝1,2,...,N其中σ为权重系数。本专利技术进一步的改进在于，步骤4的具体实现方法如下：通过当前帧与背景的差分来检测弱小目标，并通过对差分图像的阈值分割检测出弱小目标。本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术针对捷联成像飞行器中远距离条件下红外弱小移动目标的检测问题，设计了一种基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法。基于飞行器配置的惯性设备，利用惯导信息对图像进行了校正，消除了飞行器运动引起的背景变化，并通过融合估计出背景模型，最后利用差分法检测弱小移动目标。相比传统的基于单帧图像的检测算法，例如TOPHAT和BHPF算法，本专利技术显著的提高了检测性能，能够有效的应对地面复杂背景，具有较高的环境适应能力，可以为飞行器视觉导航和成像制导提供技术参考和支撑。附图说明图1是本专利技术的总体流程示意图。图2是全捷联飞行器目标成像示意图。图3是景深关系示意图。图4是爬山法原理图。图5是摄像机针孔成像示意图。图6是本专利技术有效性对比测试采用的原始图像。图7是原始图像中选择的图像序列中一帧的灰度分布。图8至图10分别是原始图像中选择的图像序列中一帧的BHPF算法和本专利技术的处理结果示意图。图11至图13分别是原始图像中选择的图像序列中一帧的BHPF算法和本专利技术的分割结果对比图。具体实施方式以下结合附图和仿真对本专利技术做出进一步的说明。如图1至图5所示，本专利技术提供的基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法，具体包括如下步骤：步骤1：利用惯导信息把历史帧图像校正到当前帧飞行器姿态下的成像。由于摄像机距离目标较远，弱小移动目标在连续两帧中的运动并不明显，因此需要对多帧图像(连续前N帧图像)进行处理，才能有效的检测出移动目标。基于惯导信息的图像校正又分为以下几个步骤：步骤1.1：两帧图像之间的坐标变换模型计算。空间中一点P的世界坐标为P(x,y,z)，在飞行器摄像机t1和t2两个时刻所成的像分别为P1、P2，那么对于t1时刻的像P1有：其中s1为尺度因子，表示在t1时刻摄像机坐标系下Z轴的坐标，也即景深，αx,αy表示探测器的内部参数。假设通过捷联惯导获得飞行器的位置和姿态信息分别为：(λ经度、L纬度、h高度)和(θ俯仰角、偏航角、γ滚动角)，R，t分别表示世界坐标系到t2时刻摄像机坐标系之间的旋转矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：利用惯导信息把历史帧图像校正到当前帧飞行器姿态下的成像；步骤2：基于爬山法的匹配算法实现快速位置校正；步骤3：利用高斯加权对背景进行建模；步骤4：背景差分，利用阈值分割检测移动目标。

【技术特征摘要】
1.基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：利用惯导信息把历史帧图像校正到当前帧飞行器姿态下的成像；步骤2：基于爬山法的匹配算法实现快速位置校正；步骤3：利用高斯加权对背景进行建模；步骤4：背景差分，利用阈值分割检测移动目标。2.根据权利要求1所述的基于惯导信息辅助和背景差分法的红外弱小移动目标检测方法，其特征在于，步骤1的具体实现方法如下：步骤1.1：两帧图像之间的坐标变换模型计算；空间中一点P的世界坐标为P(x,y,z)，在飞行器摄像机t1和t2两个时刻所成的像分别为P1、P2，那么对于t1时刻的像P1有：其中s1为尺度因子，表示在t1时刻摄像机坐标系下Z轴的坐标，也即景深，αx,αy表示探测器的内部参数；假设通过捷联惯导获得飞行器的位置和姿态信息分别为：λ经度、L纬度和h高度，以及θ俯仰角、偏航角和γ滚动角，R，t分别表示世界坐标系到t2时刻摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移分量，则有：式中：为弹体系到摄像机系的变换矩阵；为导航系到弹体系的变换矩阵；E为摄像机所对应的地心系坐标；为地心系到导航系的变换矩阵；同理，则表示摄像机系到弹体系的变换矩阵，依次类推，其计算公式如下：式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨小冈，卢瑞涛，李传祥，任世杰，李维鹏，王国超，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61