一種光學捷聯導引頭圖像跟蹤方法與流程
本發明涉及圖像處理技術領域，具體而言，涉及應用于光學捷聯導引頭的圖像跟蹤方法。
背景技術：
光學捷聯導引頭取消了萬向支架和伺服系統，將光學成像組件剛性地固定在彈體上，可大幅低降低成本、減小彈的質量、體積和發射過載，并提高系統的可靠性，是未來精確制導技術的重要發展方向之一。但是由于沒有了隔離導彈抖動及姿態運動的萬向支架，導致外界的擾動、彈體的抖動和姿態運動信息直接耦合到導引頭所成圖像中，即光學捷聯導引頭的目標成像復合了導彈載體在方位、俯仰、滾轉各方向上的各種運動信息，從而導致導引頭成像存在嚴重的模糊退化問題。同時，在跟蹤過程中，成像探測器的觀測基準隨彈體姿態的變化而實時變化，目標成像的尺寸、灰度和形狀以及成像運動形式隨彈目相對距離、彈體姿態的變化而變化。上述情況無疑將大大影響光學捷聯導引頭圖像跟蹤的能力。因此，針對光學捷聯導引頭的目標圖像退化模糊、成像特征幀間變化大等問題，研制有效的方法校正這種影響，保持對目標的穩定跟蹤，是光學捷聯導引頭必須解決的關鍵技術之一。
現有技術中提供了一種基于變尺寸模板的光學捷聯成像導引頭相關跟蹤方法，如“捷聯成像導引頭相關跟蹤算法研究”，林喆、姚郁、遆曉光、富小薇，《兵工學報》，第30卷第5期，2009年5月，利用彈體姿態信息和最優化方法進行基于灰度圖像相關的目標定位與目標模板更新。
然而，研究發現，現有技術中的光學捷聯導引頭圖像跟蹤方法是基于圖像灰度的，沒有考慮彈體抖動造成的目標成像模糊退化的影響，而光學捷聯導引頭沒有萬向支架，在飛行過程中彈體抖動會導致目標成像嚴重模糊退化，使得基于灰度相關算法的目標定位精度和模板最優化效果降低，甚至丟失目標。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種光學捷聯導引頭圖像跟蹤方法。該方法采用運動模糊圖像復原和基于局部特征的目標跟蹤技術來抑制導彈飛行過程中成像嚴重模糊退化造成的影響。
本發明的技術方案在于提供一種光學捷聯導引頭圖像跟蹤方法，包含：
步驟1，提取目標模板特征：讀入圖像復原后的圖像數據，在第一幀圖像中選定待跟蹤的目標區域；在目標區域內進行多尺度的harris特征點檢測，并對檢測出的特征點計算特征尺度，得到一組對尺寸縮放、旋轉和光照變化保持不變的局部特征點；手動選取待跟蹤的特征點，對該特征點的局部區域進行16×16點采樣，提取出在照明、仿射和模糊等變化程度較大時較穩定的sift描述子。
步驟2，運動模糊圖像復原，估計運動模糊點擴散函數(psf)：其中，點擴散函數的估計包含：運動模糊角度估計和運動模糊長度估計；所述的運動模糊角度估計采用基于radon變換的方法；所述的運動模糊長度估計采用微分自相關方法；根據估計出的運動模糊點擴散函數，采用維納濾波方法進行圖像復原。
步驟3，預測波門位置：根據載體姿態角，通過慣性坐標系、載體坐標系以及成像坐標系之間的坐標轉換，得到目標成像因載體姿態變化而在成像坐標系上的變化，來預測波門位置。
步驟4，確定目標位置：讀取下一幀圖像，在波門區域進行多尺度的harris特征點檢測，并對檢測出的特征點計算特征尺度，得到一組對尺寸縮放、旋轉和光照變化保持不變的局部特征點，并生成對應的sift描述子；通過比較待跟蹤特征點的sift描述子與波門圖像區域每一個特征點sift描述子的相似度來確定目標位置，描述子歐氏距離最小的特征點所對應的位置作為目標位置。
步驟5，更新目標模板特征：根據描述子的相似度確定是否更新描述子模板，當待跟蹤特征點的描述子與最佳匹配特征點的描述子相似度低于閾值，則認為成像條件突變導致描述子變化較大，需要更新描述子以提高目標跟蹤的穩定性。
綜上所述，本發明提供一種光學捷聯導引頭圖像跟蹤方法，利用彈體姿態信息對波門位置進行預測，減少圖像處理的區域以提高實時性，對圖像的運動模糊點擴散函數進行估計，利用反卷積進行圖像復原，減小圖像的模糊程度，隨后對圖像進行局部特征提取，這些特征對圖像尺度、旋轉、仿射等變化不敏感，再進行基于局部特征的相關跟蹤方法實現目標跟蹤。
其中，采用圖像復原降低捷聯光學導引頭圖像運動模糊程度，隨后在復原圖像上進行基于局部特征的跟蹤方法，該方法相對于基于灰度圖像的跟蹤方法對圖像的模糊較為不敏感，跟蹤穩定性更高。
本發明與現有技術相比的優點在于：
1由于本發明采用基于運動圖像模糊復原的圖像跟蹤方法，較之現有的圖像跟蹤技術提高了圖像清晰度，從而提高了成像目標跟蹤的穩定性。
2由于本發明使用了圖像的局部特征代替圖像灰度進行匹配跟蹤，這些對目標成像的模糊、形變不敏感，更適用于捷聯成像導引頭的應用。
附圖說明
圖1示出捷聯導引頭圖像跟蹤算法總體流程圖；
圖2示出了本發明實施例所提供的特征提取方法流程圖；
圖3示出運動模糊圖像復原流程圖；
圖4及圖5示出了本發明實施例所提供的波門中心預測坐標轉換參考圖。
具體實施方式
下面將結合本發明的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
本發明的技術思路是對圖像的運動模糊點擴散函數進行估計，利用反卷積進行圖像復原，減小圖像的模糊程度，隨后對圖像進行局部特征提取，這些特征對圖像尺度、旋轉、仿射等變化不敏感，再進行基于局部特征的相關跟蹤方法實現目標跟蹤。
參見圖1，本發明的具體實施步驟如下：
步驟1、讀入運動模糊圖像復原后的第一幀圖像數據，手動選擇目標區域，并提取出待跟蹤特征點及局部區域描述子作為目標模板，用于后續目標跟蹤。所述的手動選擇目標區域、提取目標模板參見圖2，具體步驟如下：
首先，以手動選擇點為中心取400像素×400像素區域作為目標區域(在步驟4的計算時替換為波門區域)，對該區域進行多尺度harris特征點檢測，檢測公式為：
m＝det(c(x,σi,σd)-k·tr2(c(x,σi,σd))),
式中：
然后，對每個特征點計算其尺度響應值，剔除在尺度空間上沒有達到極值的特征點。所述的特征點尺度響應，由以下公式計算得到
該函數取極值時對應的尺度σd就是以點x為中心的局部圖像結構對應的特征尺度。因為特征尺度與圖像的分辨率無關，僅僅決定于圖像的結構，得到以x為中心，半徑為σd的局部圖像區域，該局部區域對圖像尺度縮放保持不變，稱為不變特征區域。這樣，就得到了一組與圖像特征尺度相聯系的特征點。
隨后，手動選擇一個特征點作為待跟蹤特征點，并在該特征點對應的不變特征區域計算sift描述子，所述的sift描述子生成過程為：對待跟蹤特征點，通過其不變特征區域的圖像梯度來確定改點的主方向，然后把坐標系旋轉到該主方向上，以確保旋轉不變性。對該點的不變特征區域進行16×16點采樣，再將這些采樣點分成4×4個子區域，分別計算每個子區域的梯度方向直方圖，直方圖均分為8個方向。將各個子區域的直方圖根據位置順序合成一個128維的特征向量。有此得到的特征點sift描述子是在圖像幾何變形和光照變化下保持不變的特征量。
步驟2、讀下一幀圖像，并進行運動模糊圖像復原。所述的運動模糊圖像復原流程參見圖3，具體步驟如下：
首先，獲取模糊圖像的運動角度，通過基于頻譜閾值化處理的radon變換估計運動角度。所述的基于頻譜閾值化處理的radon變換的具體過程如下：先對模糊圖像進行傅里葉變換獲得頻譜圖像，再對頻譜圖像進行閾值化處理：
其次，獲取模糊圖像的模糊長度，通過微分自相關估計模糊長度，所述的微分自相關估計模糊長度的流程如下：先將將模糊圖像旋轉到水平方向，對該圖像計算水平方向的微分、再對微分后的圖像進行水平方向的自相關運算，將自相關結果逐列累加得到一維數組作為運動模糊尺度鑒別曲線，該曲線會出現一對共軛的相關峰，相關峰的距離的一般就是模糊長度l。
再次，估計運動模糊圖像的點擴散函數，點擴散函數如下：
最后，對模糊圖像進行維納濾波圖像復原。
步驟3、預測波門位置。
光學捷聯導引頭的目標成像復合了導彈載體在方位、俯仰、滾轉各方向上的各種運動信息，從而導致導引頭目標成像的位置在幀間可能存在較大的變化。為了提高目標跟蹤算法的實時性，一般只對局部圖像(波門內圖像)而不是全靶面圖像，進行處理。由于幀頻較高，可以假設目標在幀間的慣性坐標系位置不變，通過坐標變換計算出成像坐標系下目標的位置由于載體姿態變化而發生的改變，從而預測出波門位置。所述的預測波門位置過程參見圖4，具體步驟如下：
首先，獲取載體坐標系o-xbybzb下待跟蹤特征點的光軸指向向量
所述的方位角θh是待跟蹤特征點的像素坐標，通過公式
其次，已知上一幀慣性坐標系o-xiyizi下，載體坐標系o-xbybzb的方位角α1，俯仰角β1和橫滾角γ1，獲取慣性坐標系o-xiyizi下待跟蹤點的光軸指向向量
再次，根據當前幀慣性坐標系下o-xiyizi，載體坐標系o-xbybzb的方位角α2，俯仰角β2和橫滾角γ2，獲取載體坐標系o-xbybzb下待跟蹤特征點的光軸指向向量
最后，獲取載體坐標系o-xbybzb下，跟蹤波門的中心位置(x2,y2)，所述的x2表示預測波門中心在成像坐標系x軸上的坐標，所述的
步驟4、確定目標位置。目標的位置是通過對待跟蹤特征點與波門區域的所有特征點進行匹配得到。
首先，按照步驟1的第一步，對完成運動模糊圖像復原的波門內圖像數據提取多尺度的harris特征點，通過特征尺度響應公式進行篩選，得到一組與圖像特征尺度相聯系的特征點，并計算每個特征點的sift描述子。
其次，通過待跟蹤特征點與波門內每個特征點的sift描述子匹配來確定目標位置。用描述子向量的歐式距離來表示兩個描述子的相似程度，公式如下：
步驟5、目標特征模板更新。為了避免光照條件突變等因素對跟蹤穩定性造成的影響，需要根據設定的閾值，對待跟蹤點的描述子進行及時更新。具體的步驟如下：
首先，設置特征點sift描述子的更新閾值thd，取0.6；
其次，根據公式
盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
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