一种消像移成像的实时自适应处理方法技术

本发明专利技术公开了一种消像移成像的实时自适应处理方法，它是一种高速运动小目标成像系统中消像移成像的实时自适应处理方法。该方法可自动搜索找到并指向高速运动中的小目标，以ＦＰＧＡ和ＤＳＰ作为实时在线处理平台，采用算法复杂度较低的图像增强与帧间相关识别算法，去除伪目标的影响获取目标的运动特性，以驱动高精度二维压电倾斜镜完成成像自适应运动补偿，实现对高相对运动速度小目标的清晰成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像获取技术，具体指一种高速运动小目标运动补偿消像移成 像的自适应实时处理方法，它应用于对远处快速运动小目标高可靠性信息的获 取。
技术介绍
高速运动小目标是红外图像获取的一个重要目标，近年来也在可见光图像中得到应用。对该类目标成像具有目标尺寸较小(约不足lm)、成像距离远(数 公里)、成像背景相对单一且变化较慢、目标运动速度特别快(最高可达lkm/s)、 目标成像所占像元不少于4X4个等特征。传统的成像方法一般空间分辨率较 低，对像移模糊不敏感，基本上只需满足目标监视的要求。而为了获取该运动 目标的高可靠性信息，实现对其的清晰成像，则需保证在积分时间内目标运动 像移不能超出1个瞬时视场，而假定目标成像占有4 X 4个像元，目标尺寸0.5m， 成像相对运动速度为lkm/s，积分时间为5ms，则在积分时间内目标将移动了 40个像素，这样采用传统的成像方法则存在严重的像移模糊问题。同时由于目 标运动速度非常快，根据上述的目标运动速度，假定探测器像元数为lkXlk， 则目标横向穿过视场的时间仅为125ms，为了保证系统能捕获到目标进行像移 补偿成像，则系统的实时处理性要求显得尤为重要。传统的消像移成像方式有很多，如普通DC运动模式采用的曝光控制，航 测相机采用的光机方式驱动相机或探测器运动补偿、TDI方式的电子学运动补 偿、北京凌云光视数字图像技术有限公司在2007年申请的专利航空全帧转移 型面阵CCD相机像移补偿方法(专利申请号200710117666.5)所述的电子学像移补偿等，但目前这些像移补偿方式主要面对分辨率不是很高或目标运动特 性完全已知的情况，如航测或同步弹道摄影等，它们一般只需将运动补偿方向 调整为与目标像运动方向一致，并提前设定好像移运动补偿参数适时开启即 可，而图像数据则直接回传，不存在在线实时图像处理，对于远处高速运动的 小目标且目标轨迹和速度未知的情况尚不能很好地自适应处理和响应。目前具 有实时在线自适应处理机制的成像系统主要应用于目标监视的任务，其面向的 对象大多为点目标或运动速度较慢的固定目标，它们在成像平面上的运动速度 并不高，基本不存在目标轻易逃离出视场或成像中像移完全模糊的情况。综上 所述，对于速度未知的高速运动小目标的清晰成像目前还没有较好的在线实时 自适应处理的解决方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高速运动小目标消像移成像的实时自适应处 理方法，通过自适应调整像移补偿机制来消除目标高速相对运动带来的像移模 糊的影响。本专利技术方法是在如图3所示的高速运动小目标成像系统上来实现的。整个 成像系统安装在一个具有较高精度的二维跟踪指向转台4上，该装置首先利用 二维跟踪指向转台4运行分行扫描目标搜索模式，光学信号通过成像光学系统 1进入大面阵焦平面探测器3实现图像获取，实时处理系统5对探测器3获取 的图像进行处理找到目标并获取消像移成像运动补偿量，进而控制高精度二维 消像移压电倾斜镜2进行像移补偿，同时控制二维跟踪指向转台4的指向将目 标保持在成像视场中，从而实现对高速运动小目标的清晰成像。 本专利技术方法的流程图如图l所示，其实时处理的主要步骤包括 A.采用相关双尺度滤波对获取的存在运动模糊的图像进行遍历实现图像滤波预处理，移除缓变的背景获得目标增强图像；B.采用相邻像元累加的算法对可能目标像元进行记录，提取出亮度超过背景亮度一定阈值的可能目标像元，同时抑制随机噪声的影响；c.对可能目标像元的位i进行归类，记录下候选目标的个数及每个目标的外形、大小、中心位置及亮度等信息；D. 按A、 B、 C步骤连续获取3帧存在可能目标的图像，采用帧间相关的 办法对相对位置固定的从背景中提取的部分伪目标进行移除，并根据目 标的多帧运动一致性原则挑选出需跟踪的目标；E. 针对步骤D选择出来的目标，根据成像的帧频、探测器像元尺寸、像移 补偿镜的安装位置等特性，计算出跟踪成像的像移补偿量，发送给控制 器进行像移补偿成像。上述步骤采用FPGA+DSP硬件实现。实时处理系统硬件实现框图如图2 所示，系统启动后，FPGA产生探测器驱动时序进行图像获取，并读取探测器 输出的数据进行图像滤波预处理与可能目标像元提取，将提取出的可能目标通 过DSP的EMIF 口发送给DSP作进一步处理，即上述的步骤A和B; DSP对 接收到的可能目标像元进行归类，在连续获取了 3帧具有目标的图像后运行帧 间相关伪目标移除算法找出目标并进行运动一致性检测，估算出目标的位置和 成像所需的运动补偿量，并通过DSP的GPIO 口将这些信息发送给二维指向转 台与高精度二维压电倾斜镜控制其进行像移补偿成像，即上述的步骤C、 D、 E。在步骤A: FPGA的目标增强滤波处理采用通用的相关双尺度滤波算法， 即对原始图像采用尺度为SXS的高通滤波算子进行小尺度滤波完成对具有高 频特性的小目标的保护，S的取值范围为1 5之间的奇数；同时原始图像采用 尺度为LXL的平滑滤波算子进行大尺度滤波实现图像背景的估计，其中L的选择范围在5~9之间取奇数,且L>S;将双尺度滤波得到的图像进行减操作， 即得到了背景移除后的目标增强图像，同时还抑制了随机噪声。在步骤B: FPGA对存在的可能目标像元进行检测实际上是在对图像进行遍 历滤波的同时实现的，它对图像象元的4X4邻域进行累加，若某个像元邻域 亮度累加的值超过了给定的阈值，则认为是可能存在目标，记录下其位置和亮 度值。其中给定的阈值为大尺度滤波得到的背景估计值的1.2 2倍之间选取， 具体数值的选择根据实际应用的目标与背景特性来定。经过FPGA的上述操 作，若没有检测到可能的目标像元，则丢弃图像并继续进行图像获取，否则将 记录下来的亮点发送给DSP作进一步处理。在步骤C:经过FPGA的检测后，DSP需对检测出来的为数不多的可能目标 像元作进一步处理。DSP首先对这些可能目标像元进行循环检测归类，计算出 图像中共有的可能目标数目，即若记录的某些目标像元位置相邻，则将其归为 同一个可能目标。待归类完成后记录可能目标的个数，并统计出每个可能目标 类的中心位置、亮度均值、占有的象元数及X和Y方向分别延伸的象元个数等 信息。在步骤D:系统若连续获取了3帧(帧号N-1 N+1)含有目标亮点的图像， 则DSP采用帧间相关的算法进行伪目标移除与目标轨迹一致性检测。首先以第 N-l和第N帧的归类后可能目标中中心点位置X和Y方向均最小的目标为原点， 计算出其它目标中心点与该点的相对位置；然后比较这两帧，若对于它们的大 部分可能目标(不少于可能目标数目的一半)其X和Y方向的相对位置误差均 在Nf (取0~4)个像元内，则认为这些可能目标均为背景中的伪目标并记录下 它们的位置，否则则挑选与原来设定的原点的X位置相差最小的象元为原点， 继续进行上述操作，直到可以移除一半以上的伪目标为止，若挑选了所有像元为原点仍然不能移除伪目标，则将第N-1帧丢弃，继续读取第N+2帧。同上述 方法对第N帧和第N+l帧进行伪目标査询，并将三帧中两次记录的伪目标均移 除，经过这一操作可以移除大部分的伪目标。若剩余的可能目标仍然不止1个， 则选取三帧的剩余可能目标中亮度差别不超过均值的20%、所占像元数差别不 超过Np 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消像移成像的实时自适应处理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：Ａ．采用相关双尺度滤波对获取的存在运动模糊的图像进行遍历实现图像滤波预处理，移除缓变的背景获得目标增强图像；Ｂ．采用相邻像元累加的算法对可能目标像元进行记录 ，提取出亮度超过背景亮度一定阈值的可能目标像元，同时抑制随机噪声的影响；Ｃ．对可能目标像元的位置进行归类，记录下候选目标的个数及每个目标的外形、大小、中心位置及亮度等信息；Ｄ．按Ａ、Ｂ、Ｃ步骤连续获取３帧存在可能目标的图像， 采用帧间相关的办法对相对位置固定的从背景中提取的部分伪目标进行移除，并根据目标的多帧运动一致性原则挑选出需跟踪的目标；Ｅ．针对步骤Ｄ选择出来的目标，根据成像的帧频、探测器像元尺寸、像移补偿镜的安装位置等特性，计算出跟踪成像的像移补偿 量，发送给控制器进行像移补偿成像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋鑫，丁雷，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]