一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，获取自然场景下目标环境三维场景信息，通过实时采集红外成像，对红外成像和可见光成像背景纹理的共现性特征识别并提取，对红外成像和可见光成像进行纹理特征匹配，再通过实时采集红外成像下场景信息，结合自然环境的可见光成像与目标的位置关系，实施仿射变换处理得到红外成像下目标位置预估区域；最后进行精细目标检测，提升目标识别追踪精度；一方面，即使飞行器拍摄目标区域很小，也能够通过环境背景对目标进行准确的识别和定位；另一方面，如果红外目标进行红外伪装，其特征被杂波所掩盖，但其环境背景特征难以被掩盖，故通过背景特征进行红外识别定位能够有效对其实现定位和跟踪。

A Method of Infrared Target Long Range Tracking Based on Background Features

【技术实现步骤摘要】
一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法
本专利技术属于图像处理目标跟踪领域，涉及一种红外成像目标识别与追踪的方法，尤其涉及一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法。
技术介绍
目前，红外制导是飞行器制导的主要方式之一，可以有效地在不同气候条件下引导攻击，抗干扰性强。红外目标的识别在导航和精确制导中具有重要意义，如何提高红外目标识别的精准度一直是制导研究的难题。其中主要的难点在于，一方面，在飞行器制导过程中逐步接近目标，需要在一个很大的距离范围内都能够可靠地识别和追踪目标，然而远距离时目标显示的面积很小，甚至只有仅仅的几个像素，难以进行可靠地识别。另一方面，红外制导相对于可见光信号，红外信号的纹理特征较弱，难于应用自然场景分析中的高效率纹理图像检测算子，在复杂的地面环境背景中，打击目标难以被准确地识别，此外目标还有可能进行红外伪装，造成识别效率低下。现有的制导飞行和瞄准方案中，基于模式识别的目标自动识别和飞行中人工介入识别都是可用的技术手段。但远距离时目标微弱和目标伪装的问题依然存在，是红外目标成像制导中亟需解决的关键理论和技术问题的关键。在对红外目标通过算法自动识别的同时，为进一步提高目标识别与追踪精度，现有红外目标的自动化识别系统通常引入人工介入识别，即人在回路，由操作员通过电视屏幕远程观察，在自动识别的基础上通过指令实时引导修正飞行器姿态，实现更精准的红外目标识别。然而，人工介入识别精度严重依赖于操作员的观察能力和决策水平。因此，红外目标识别中的远距离、成像形态多变目标的自动识别以及目标选择和导航优化等是提高末端自动制导精确性的关键研究问题，尚未有较为完善的解决方案提出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，针对红外成像中远距离、成像形态多变目标的自动识别问题，进行精细目标检测，提升目标识别追踪精度，解决现有远距离红外目标自动识别问题中目标像素过小，形态变化复杂模糊难以识别的问题。本专利技术的技术方案如下：一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，包括以下步骤：S1，对目标周围环境红外辐射强度建模和复杂自然环境建模，事先对目标周围环境进行侦察，利用测量手段获取目标和背景的绝对和相对位置关系信息，利用摄像手段获取自然环境的可见光成像；根据可见光成像描述的目标和环境背景信息，确定飞行器红外成像的导航信息；从而令飞行器在飞行制导过程中实时对其周围环境拍摄采集红外成像；S2，对S1所采集自然环境的可见光成像以及红外成像进行特征表达，实现可见光成像以及红外成像从图像域到参量空间的转换；即实现红外成像和自然环境的可见光成像的特征表达；S3，将S2完成的红外成像的特征表达与自然环境的可见光成像的特征表达结合提取共现性特征；选择共现性特征作为匹配特征点，通过仿射变换和关系传递，将可见光成像中背景候选参考点和目标坐标及相对位置关系传递到红外成像中来，计算获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标；S4，基于远距离运动的红外成像配准，在采用S3所述的特征描述方法得到稳定特征点的基础上，在连续相邻红外成像帧中，获得共同存在的特征点作为稳定参考点，根据稳定参考点求解前后相邻红外成像帧的坐标对应关系，对相邻红外成像帧进行仿射变换，将红外成像上一帧中的稳定参考点坐标传递到当前帧，得到红外成像当前帧中候选参考点的估计坐标；S5，在S1已经采集获得的自然环境的可见光成像中获取到背景特征和目标的绝对和相对位置关系基础上，以及飞行器制导实时获取红外成像的视频帧；通过S3所述方法，将红外成像与可见光成像匹配将可见光成像中背景候选参考点目标坐标及相对位置关系传递红外成像中来，计算获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标；将S3和S4对于候选参考点和目标点的估计坐标进行联合判决，如果相邻帧传递与可见光成像传递输出结果一致，则所述输出结果为目标位置，如果相邻帧传递与可见光成像传递输出结果不一致，则将更新候选参考点，重新估计目标位置，直至输出结果一致，则完成基于背景特征的红外目标远距离识别与追踪。S1中在自然环境中侦察记录，从而完成自然环境建模和红外场景模拟，辅以摄像或测量情报来源的基础上，获得目标与环境背景的关系信息。S1中，事先对目标周围环境进行侦察，利用摄像手段获取所需信息，然后对目标周围环境进行侦察，在不同时间、拍摄距离、风力、阴雨天气下，通过拍摄、测量或地图获取目标周围环境信息，然后对目标周围环境进行三维场景建模或红外场景模拟，从而获取先验知识；并依据先验将环境背景变化范围简化为简单有效的运动参量；S2中，通过对红外成像进行特征表达初步提取红外成像和可见光成像中大尺度特征，即局部范围内的纹理，通过高斯梯度、LOG特征、Haar特征、MSER特征、SIFT特征、MSER特征或LBP特征对红外成像和可见光成像进行特征表达。S3中，对红外成像和可见光成像进行纹理特征匹配，通过仿射变换和关系传递得到目标位置所在区域的估计，具体如下：S31，对红外和可见光成像通过稳定的匹配特征点进行配准，获得仿射关系矩阵；S32，确定采集的自然环境中环境背景中候选参考点，构造所述候选参考点与目标的位置关系函数；S33，红外成像和可见光成像中候选参考点的匹配进行仿射变换后，可见光成像下候选参考点与目标点经过仿射变换传递到红外成像中，对候选参考点经过位置关系函数计算，获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标。S3中，在参量空间中用高斯梯度特征、LOG特征、Haar特征、MSER特征、SIFT特征、LBP特征或MSER纹理检测算子寻找用于红外和可见光成像中共同存在的共现性特征，将其作为用于红外与可见光成像的匹配特征点。S3中，对自然环境的可见光成像提取组合描述特征，先通过MSER多区域中心坐标关系的粗匹配后，在每个对应MSER区域块中，识别其相同参数配置下的SIFT特征描述算子，与红外成像中抽取特征构成关系对，将可见光成像中背景候选参考点和目标坐标及相对位置关系传递到红外成像中来，计算获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标。S3中，计算场景实时采集的红外成像中MSER区域特征，对红外成像进行二值化，在MSER筛选区域中提取SIFT特征，利用不同的参数高斯核与图像做卷积运算，生成不同尺度的影像，利用多尺度影像的差分得到高斯金字塔，D(x,y,σ)＝[G(x,y,kσ)-G(x,y,σ)]*Img(x,y)在临近的两层金字塔以及所在层局部就近的比较，搜索出极值点，并去掉其中低对比度和不稳定的边缘特征点，再利用梯度方向直方图计算出关键点主方向，关键点主方向只保留180°，对称方向视为相同方向，得到MSER区域内提取的SIFT组合特征，从而进一步获取关键点位置信息，即实现共现性特征提取。S4具体包括：1)通过使用稳定的纹理描述算子，检测红外成像相邻帧稳定参考点，获取仿射变换矩阵，对红外成像相邻帧仿射变换，实现相邻帧的配准；2)通过红外成像相邻帧关系，通过可见光成像中获取的候选参考点与目标点位置关系函数，对前帧红外成像通过与可见光成像仿射传递所得的候选参考点获取目标点估计坐标。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术获取自然场景下目标环境三维场景信息，通过实时采集红外成像，对红外成像和可见本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，对目标周围环境红外辐射强度建模和复杂自然环境建模，事先对目标周围环境进行侦察，利用测量手段获取目标和背景的绝对和相对位置关系信息，利用摄像手段获取自然环境的可见光成像；根据可见光成像描述的目标和环境背景信息，确定飞行器红外成像的导航信息；从而令飞行器在飞行制导过程中实时对其周围环境拍摄采集红外成像；S2，对S1所采集自然环境的可见光成像以及红外成像以稳定的特征描述算子进行表达；即实现红外成像和自然环境的可见光成像的特征表达；S3，将S2完成的红外成像的特征表达与自然环境的可见光成像的特征表达结合提取共现性特征；选择共现性特征作为匹配特征点，通过仿射变换和关系传递，将可见光成像中背景候选参考点和目标坐标及相对位置关系传递到红外成像中来，计算获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标；S4，基于远距离运动的红外成像配准，在采用S3所述的特征描述方法得到稳定特征点的基础上，在连续相邻红外成像帧中，获得共同存在的特征点作为稳定参考点，根据稳定参考点求解前后相邻红外成像帧的坐标对应关系，对相邻红外成像帧进行仿射变换，将红外成像上一帧中的稳定参考点坐标传递到当前帧，得到红外成像当前帧中候选参考点的估计坐标；S5，在S1已经采集获得的自然环境的可见光成像中获取到背景特征和目标的绝对和相对位置关系基础上，以及飞行器制导实时获取红外成像的视频帧；通过S3所述方法，将红外成像与可见光成像匹配将可见光成像中背景候选参考点目标坐标及相对位置关系传递红外成像中来，计算获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标；将S3和S4对于候选参考点和目标点的估计坐标进行联合判决，如果相邻帧传递与可见光成像传递输出结果一致，则所述输出结果为目标位置，如果相邻帧传递与可见光成像传递输出结果不一致，则将更新候选参考点，重新估计目标位置，直至输出结果一致，则完成基于背景特征的红外目标远距离识别与追踪。...

【技术特征摘要】
1.一种基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，对目标周围环境红外辐射强度建模和复杂自然环境建模，事先对目标周围环境进行侦察，利用测量手段获取目标和背景的绝对和相对位置关系信息，利用摄像手段获取自然环境的可见光成像；根据可见光成像描述的目标和环境背景信息，确定飞行器红外成像的导航信息；从而令飞行器在飞行制导过程中实时对其周围环境拍摄采集红外成像；S2，对S1所采集自然环境的可见光成像以及红外成像以稳定的特征描述算子进行表达；即实现红外成像和自然环境的可见光成像的特征表达；S3，将S2完成的红外成像的特征表达与自然环境的可见光成像的特征表达结合提取共现性特征；选择共现性特征作为匹配特征点，通过仿射变换和关系传递，将可见光成像中背景候选参考点和目标坐标及相对位置关系传递到红外成像中来，计算获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标；S4，基于远距离运动的红外成像配准，在采用S3所述的特征描述方法得到稳定特征点的基础上，在连续相邻红外成像帧中，获得共同存在的特征点作为稳定参考点，根据稳定参考点求解前后相邻红外成像帧的坐标对应关系，对相邻红外成像帧进行仿射变换，将红外成像上一帧中的稳定参考点坐标传递到当前帧，得到红外成像当前帧中候选参考点的估计坐标；S5，在S1已经采集获得的自然环境的可见光成像中获取到背景特征和目标的绝对和相对位置关系基础上，以及飞行器制导实时获取红外成像的视频帧；通过S3所述方法，将红外成像与可见光成像匹配将可见光成像中背景候选参考点目标坐标及相对位置关系传递红外成像中来，计算获得红外成像各帧背景候选参考点和目标点的估计坐标；将S3和S4对于候选参考点和目标点的估计坐标进行联合判决，如果相邻帧传递与可见光成像传递输出结果一致，则所述输出结果为目标位置，如果相邻帧传递与可见光成像传递输出结果不一致，则将更新候选参考点，重新估计目标位置，直至输出结果一致，则完成基于背景特征的红外目标远距离识别与追踪。2.根据权利要求1所述基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，其特征在于，S1中在自然环境中侦察记录，从而完成自然环境建模和红外场景模拟，辅以摄像或测量情报来源的基础上，获得目标与环境背景的关系信息。3.根据权利要求1所述基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，其特征在于，S1中事先对目标周围环境进行侦察，在不同时间、拍摄距离、风力、阴雨天气下，通过拍摄、测量或地图获取目标周围环境信息，然后对目标周围环境进行三维场景建模或红外场景模拟，从而获取先验知识；并依据先验将环境背景变化范围简化为简单有效的运动参量。4.根据权利要求1所述基于背景特征的红外目标远距离追踪方法，其特征在于，S2中，通过对红外成像进行特征表达初步提取红外成像和可见光成像中大尺度特征，即局部范围内的纹理，通过高斯梯...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟轩沁，王译田，颜鹏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61