一种红外偏振图像异常目标实时检测方法技术

本发明专利技术涉及一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，属于异常目标检测技术领域。本发明专利技术的目的是解决当前红外偏振图像获取模块和异常目标检测模块孤立进行，而导致的运算实时性差的问题，以及异常目标检测过程中多维信息利用效率不足的问题。提出了一种空间

【技术实现步骤摘要】
一种红外偏振图像异常目标实时检测方法


[0001]本专利技术涉及一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，属于异常目标检测


技术介绍

[0002]偏振探测能够提供除光强、轮廓信息以外的偏振维度信息，利用目标偏振特征分布规律可凸显强度图像中无法观测的目标，是应对红外干扰、迷彩伪装等措施的潜在手段之一。物体的偏振特性与诸多因素存在紧密的关联，针对类型存在显著差异的目标，由于表面粗糙度具有区别，即便其反射率是完全一致的，它们所表现出的偏振特性也会有所差异。例如，当目标的表面表现出相对较强的光滑性，其反射往往会出现有规律的偏振特性；而对于表面比较粗糙的物体，如泥土、植被等则难以表现出偏振特性，据此可以将目标与背景分离。偏振信息对于识别颜色、反射强度相同或相近的不同材质目标具有巨大的应用潜力，利用目标除辐射强度外的偏振信息，可有效抑制背景杂波，克服复杂地物干扰，提高目标与背景的对比度，从而实现目标检测。
[0003]目前的偏振成像主要包括时序型和分焦平面型，其中时序型是分时探测架构，通过旋转偏振片或相位延迟元件，在时域上对于入射光进行调制，多次测量后反演入射光的偏振态，时域延迟较高；分焦平面的红外偏振探测是一种较为先进的解决方案，半导体技术的发展，使得红外探测器逐渐从小规模的单元、线列发展到大规模的焦平面阵列，通过在每个独立的像元上分配不同偏振性能的光学元件实现偏振探测，可同时获取多偏振态信息。但分焦平面的红外偏振探测在实时成像过程中会牺牲空间分辨率，原始偏振数据被称为马赛克图像，必需使用插值方法填充缺失的偏振信息，才能修正固有的瞬时视场误差，此外，当前的红外偏振图像异常目标检测大多为数据获取模块与处理模块孤立运行，缺乏数据实时获取与处理的技术链路实现。
[0004]目前基于偏振图像的异常目标检测方法主要包括两类，一类基于偏振传输物理特性，通过图像融合的方式得到一些传统偏振特征量，如偏振度图像和偏振相角图像，这类方法通常只适用于目标与背景固有偏振特性差异较大的场景，且易受孤立噪声值影响，会产生不必要的虚警；另一类利用图像中目标与背景在偏振维度的统计分布差异，通过对全局或局部背景的分布估计，筛选出远离背景分布的异常点目标，典型方法包括RX，LRX，GMRF等，此类方法将每个像素视为一个待检测样本，忽略了样本间在空间分布上的联系，存在信息利用不足的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有基于偏振图像的异常目标检测方法存在的多维信息利用效率低，检测实时性差的问题，提出一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，能够实时获取红外偏振数据，并通过空间
‑
偏振维度信息联合的样本分布表征进行异常目标检测，以实时处理红外偏振数据。
[0006]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0007]一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，该方法的步骤包括：
[0008]步骤一，利用分焦平面型红外偏振相机实时采集红外偏振数据并采用UDP网络通信的方式进行传输；
[0009]所述的步骤一中，采用UDP网络通信的方式进行传输时的方法为：首先建立客户端程序，广播并发送字符数据与相机机芯组件握手，此时相机机芯组件会返回到相机机芯组件的IP地址与MAC地址；确认通信地址后，客户端程序持续监听UDP协议通信端口，以建立文件数据传输会话机制；UDP服务器将红外偏振数据中的每个视频帧切分成多个UDP数据包，每个数据包中包含8位二进制图像数据，为保证图像数据传输的完整性，在每组数据前后添加帧头”start”字符和帧尾“end”字符以进行校验，得到帧头+帧数据+帧尾的视频帧格式；客户端程序根据所述的视频帧格式顺序接收包含多个UDP数据包的帧数据并将其保存，再依据图像分辨率及位深参数将原始二进制数据转换为M行N列的16位图像I
M
×
N
；
[0010]步骤二，将步骤一中通过UDP网络通信的方式进行传输的红外偏振数据进行预处理，得到四通道红外偏振图像；
[0011]所述的步骤二中，预处理的方法为：
[0012]分焦平面型红外偏振相机使用微偏振器阵列图像传感器实时捕获图像，但在偏振成像过程中会牺牲空间分辨率，导致瞬时视场误差，必需使用插值方法填充缺失的偏振信息，此处采用牛顿多项式插值法。对于图像I
M
×
N
中的每个像素点，只包含了一个偏振角度的信息，其他三个角度需要估计得到，以图2中位置坐标(i,j
‑
1)，90度偏振信息的估计为例，的估计表示为：
[0013][0014]其中，为对位置坐标(i,j
‑
1)，90度偏振信息的估计值，I
90
(i,j
‑
2)为位置坐标(i,j
‑
2)处图像的像素值，I
90
(i,j)为位置坐标(i,j)处图像的像素值，为泰勒级数的拉普拉斯余项，ξ为中间量，h为步长。
[0015]对于分焦平面偏振相机，相同角度的面元间隔一个像素，即h＝2，用拉普拉斯算子的形式表示为：
[0016][0017]因此的估计为：
[0018][0019]对于其他像元位置偏振量的估计值也同样可以得出，通过上述数据解析过程将16位图像I
M
×
N
上采样得到四通道红外偏振图像I
M
×
N
×
P
，P取值为4；
[0020]步骤三、对步骤二得到的四通道红外偏振图像进行基于多元异常分析的样本分布划分，得到两个子集：异常点位子集和背景子集，划分的具体步骤为：
[0021]对于四通道红外偏振图像I
M
×
N
×
P
中的每个像素样本x1×
P
，计算其与全体样本间的Mahalanobis距离，该距离定义如下：
[0022]D
M
(x)＝(x
‑
μ)Σ
‑1(x
‑
μ)
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]其中，μ为全体样本的均值，Σ为全体样本的协方差矩阵；
[0024]根据单个像素样本x
i
(i＝1,2,
…
,Q，Q为图像总像素数)与全体样本的Mahalanobis距离和阈值η，将四通道红外偏振图像中的所有样本划分为两个子集：异常点位子集和背景子集，划分方式如下：
[0025][0026]其中，S
T
表示异常点位子集，S
B
表示背景子集，η表示划分阈值；基于Mahalanobis的检测器具有自由度为p的卡方分布,p等于波段数，此处为4，因此取η为自由度为4的卡方分布的(1
‑
5％)个百分位数的平方根；
[0027]步骤四、根据步骤三划分得到的两个子集进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，其特征在于该方法的步骤包括：步骤一，利用分焦平面型红外偏振相机实时采集红外偏振数据；步骤二，将步骤一中采集的红外偏振数据进行预处理，得到四通道红外偏振图像；步骤三、对步骤二得到的四通道红外偏振图像进行样本分布划分，得到异常点位子集和背景子集；步骤四、根据步骤三划分得到的异常点位子集和背景子集进行空偏信息联合的差异度量，得到差异度量结果；步骤五、根据步骤四得到的差异度量结果分割目标与背景像素，完成红外偏振图像异常目标的实时检测。2.根据权利要求1所述的一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，其特征在于：所述的步骤一中，实时采集的红外偏振数据采用UDP网络通信的方式进行传输。3.根据权利要求2所述的一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，其特征在于：采用UDP网络通信的方式进行传输的方法为：首先建立客户端程序，广播并发送字符数据与相机机芯组件握手，此时相机机芯组件会返回到相机机芯组件的IP地址与MAC地址；确认通信地址后，客户端程序持续监听UDP协议通信端口，以建立文件数据传输会话机制；UDP服务器将红外偏振数据中的每个视频帧切分成多个UDP数据包，每个数据包中包含8位二进制图像数据，在每组数据前后添加帧头”start”字符和帧尾“end”字符进行校验，得到帧头+帧数据+帧尾的视频帧格式；客户端程序根据视频帧格式顺序接收包含多个UDP数据包的帧数据并将其保存，再依据图像分辨率及位深参数将原始二进制数据转换为M行N列的16位图像I
M
×
N
。4.根据权利要求3所述的一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，其特征在于：所述的步骤二中，进行预处理是指采用牛顿多项式插值方法填充缺失的偏振信息，图像IM
×
N中的每个像素点，只包含了一个偏振角度的信息，其他三个角度需要估计得到，对于的估计表示为：其中，为对位置(i，j
‑
1)，90度偏振信息的估计值，I
90
(i，j
‑
2)为位置(i，j
‑
2)处图像的像素值，I
90
(i，j)为位置(i，j)处图像的像素值，为泰勒级数的拉普拉斯余项，ξ为中间量，h为步长。5.根据权利要求4所述的一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，其特征在于：h＝2，用拉普拉斯算子的形式表示为：
的估计为：将16位图像I
M
×
N
上采样得到四通道红外偏振图像I
M
×
N
×
P
。6.根据权利要求4或5所述的一种红外偏振图像异常目标实时检测方法，其特征在于：所述的步骤三中，对四通道红外偏振图像进行样本分布划分的方法为：对于四通道红外偏振图像I
M
×
N
×
P
中的每个像素样本...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐林波，武润培，王文正，邓宸伟，聂晓风，
申请(专利权)人：北京理工大学前沿技术研究院，
类型：发明
国别省市：