基于張量擴展的半脊方向濾波器紅外小目標識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于紅外小目標檢測技術領域，涉及基于半脊方向濾波器的選取、圖像模 板的建立、張量的擴展變形及濾波模板的建立和濾波方向的選取，適用于空天及海天背景 下單個或多個小目標的紅外預警、紅外制導導彈智能尋的。
【背景技術】
[0002] 隨著軍事高科技的飛速發展，以精確制導導彈為代表的各種精確制導武器在現 代戰場中發揮了越來越強大的威力，精確制導武器也對軍事要地和飛機、軍艦等高價值作 戰平臺的安全構成嚴重的威脅。隨著工業制造水平和隱身材料的高速發展及逐步的成熟， 隱身材料在軍事上的廣泛應用，使得雷達越來越不容易檢測到目標。并且由于雷達本身 固有的對外輻射特性，使雷達探測系統存在容易暴露己方作戰平臺從而容易受到反輻射 導彈攻擊的缺點。紅外探測器自身不輻射能量，僅以被動的方式接收目標輻射的熱能探 測目標，且標準大氣環境下，地對空的探測距離能達到100公里，外太空環境下探測距離 達到數百公里。因此較雷達探測系統而言，紅外探測系統具有隱蔽性好、抗電磁干擾能力 強的優點。因而紅外小目標識別成為現代戰爭防御系統中一項重要的技術。當前，在紅 外小目標檢測方面，國內外學者已經提出了多種方法，其中文獻"WangGD，ChenChY， ShenXB.Facet-basedinfraredsmalltargetdetectionmethod[J]，Electronics Letters.Oct. 2005,41 (22) :218-219. "采用的面模型的匹配濾波法是基于不同時間采集 的多幀圖像，圖像序列必須配準，不適用于單幀圖像目標檢測；文獻"LtiYan，SHILin，SU Xin-zhu.Methodfordimsmalltargetdetectionbasedonwaveletandhigher-order cumulant[J] ?InfraredTechnology，2006, 28 (12) : 713-716. " 提出的基于小波和高階累 積量的檢測方法雖能大大提高圖像信噪比并且保留了目標信息，但小波算法本身比較復 雜；文獻"SUXiu-qin，LIANGJin-feng，LUTao，etal.IRtargetdetection&tracking algorithmbasedonsea-skybackground[J].ActaPhotonicaSinica,2009, 38(5) :1309-1312. "采用一種結合形態學和區域自適應濾波的檢測算法，該方法實時性好， 但當目標點相對弱小時，容易在目標周圍產生虛警點；專利"基于線性PCA的紅外點目標檢 測方法"將目標檢測問題轉化為模式分類問題，但在對目標模型的學習過程中沒有考慮噪 聲的干擾，使得該方法對復雜背景的適應能力很弱，且檢測過程十分復雜，實用性不強。
[0003] 綜上所述，許多計算量小的紅外小目標識別方法，雖實時性比較好，但都是在特定 背景條件下做了一些理想假定，如差分法等，不能有效識別出背景復雜度高的小目標圖像， 具有一定的使用局限性。而復雜度較高的方法，如小波變換法等，雖具有較好的識別效果， 但往往實時性比較差，不能滿足實際應用的實時性要求。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于張量擴展的半脊方向 濾波器紅外小目標識別方法，在以不增加檢測成本的前提下，適用于更多背景下的紅外小 目標圖像，并提高了紅外小目標檢測的準確性、實時性和可靠性。
[0005] 本發明是一種基于張量擴展的半脊方向濾波器紅外小目標識別方法，其特征在 于，包括如下步驟：
[0006] (1)讀取小目標原圖，大小修正為256X256 ;
[0007] (2)由于小目標圖像點旋轉方向不變的特性，根據半脊濾波器構成的圖像所具有 的方向濾波特性，利用余弦函數來構成一個左下角灰度值達到最大，右上角灰度值最小的 半脊方向濾波器的圖像模板，其圖像模板大小為nXn，取n= 2 ;
[0008] (3)利用張量的定義從圖像模板上獲得與之相關的4個張量矩陣，并將每個張量 矩陣擴展成大小為9X9的矩陣，選取每個矩陣中間的5X5個值為濾波矩陣，把得到的4個 5X5大小的濾波矩陣按照從圖像模板中提取張量的相應位置排列構成濾波模板；
[0009] (4)在濾波模板每個5X5大小的濾波矩陣上，分別確定4個濾波方向的角度為 atan(l/2)，n/2-atan(l/2)，Ji/2+atan(l/2)，Ji-atan(l/2);
[0010] (5)在步驟（3)中得到濾波模板的每個5X5大小的濾波矩陣上，分別以
【主權項】
1. 一種基于張量擴展的半脊方向濾波器紅外小目標識別方法，其特征在于，包括如下 步驟： (1) 讀取小目標原圖，大小修正為256X256 ; (2) 由于小目標圖像點旋轉方向不變的特性，根據半脊濾波器構成的圖像所具有的方 向濾波特性，利用余弦函數構成一個左下角灰度值達到最大，右上角灰度值最小的半脊方 向濾波器的圖像模板，其圖像模板大小為nXn，取n= 2 ; (3) 利用張量的定義從圖像模板上獲得與圖像相關的4個張量矩陣，并將每個張量矩 陣擴展成大小為9X9的矩陣，選取每個矩陣中間的5X5個值為濾波矩陣，把得到的4個 5X5大小的濾波矩陣按照從圖像模板中提取張量的相應位置排列構成濾波模板； (4) 在濾波模板每個5X5大小的濾波矩陣上，分別確定4個濾波方向的角度為 atan(l/2)，Ji/2-atan(l/2)，Ji/2+atan(l/2)，Ji-atan(l/2); (5) 在步驟（3)中得到濾波模板的每個5X5大小的濾波矩陣上，分別以個像素距 離為單位在該濾波模板上按照步驟（4)中所述4個方向分別取值，每個方向上取5個點，當 單位距離上的點沒有值時，用該點相鄰最近兩點和的均值代替該點的取值； (6) 設計所述4個方向上的加權濾波公式，在每個方向上分別處理小目標原圖并保存， 得到四副不同方向上的小目標子圖，具體步驟有： 6. 1)選取每個方向上5個點的值，分別設計4個方向上的加權濾波公式； 6. 2)然后在4個濾波矩陣上只選用一個方向上的加權濾波公式同時處理小目標原圖 并保存，處理后的小目標原圖稱為該方向上的小目標子圖； 6. 3)按照6. 2)所述方法，在其他三個方向上對小目標圖像做同樣處理，并分別保存， 共得到四副小目標子圖； (7) 按照矩陣對應點相乘的方法對步驟（6)中得到的四副小目標子圖進行遍歷相乘， 融合成一幅新的圖像，并對該副圖像進行歸一化處理，最終得到背景抑制后的小目標圖像， 識別結束。
2. 根據權利要求1所述的基于張量擴展的半脊方向濾波器紅外小目標識別方法，其特 征在于：步驟（2)中，由余弦函數生成的圖像模板Z(n，n)各點灰度值的表達式為：
當i〈n時：Z(n-i+m，m) =y(i)，m= 1，2, 3,...，i 當i=n時：Z(1，k) =y(i)，1 =k= 1，2, 3,…，n 當i>n時：Z(2n-i_m，n_m) =y(i)，m= 0, 1，2, ???，2n-i_l 其中n為圖像模板的大小，y(i)為灰度值函數。
3. 根據權利要求1所述的基于張量擴展的半脊方向濾波器紅外小目標識別方法，其特 征在于：步驟（3)中，依據張量的定義，對步驟（2)中形成的大小為2X2的圖像模板提取張 量矩陣，得到4個張量矩陣，并將每個張量矩陣按照二維卷積規則擴展至3X3大小，并繼續 擴展該3X3的矩陣直至該矩陣大小為9X9結束，得到4個大小為9X9的擴展矩陣，選定 每個擴展矩陣的中間5X5個值為濾波矩陣，把得到的4個5X5大小的濾波矩陣按照從圖 像模板中提取張量的相應位置排列構成濾波模板。
4.根據權利要求1所述的基于張量擴展的半脊方向濾波器紅外小目標識別方法，其特 征在于：步驟（6)中，設計4個方向的加權濾波公式，其中設計的atan(l/2)方向上的加權 濾波公式為： Pnew(i,j) =[T(-2, 1)xp(i-2,j+1) + ((T(-1, 0)+T(-1, 1)) /2)X(p(i-1,j) + P(i-1,j+1)) /2+T(0, 0)Xp(i,j) + ((T(1, 0)+T(1, -1)) /2) (p(i+1,j)+p(i+1,j-1)) /2+T(2, -1)Xp(i+2,j-1) ]/K K=T(-2, 1) +(T(-1, 0)+T(-1, 1)) /2+T(0, 0) +(T(1, 0)+T(1, -1)) /2+T(2, -1) 其中，P(i，j)為小目標圖像中的像素點，則i，j為整數且i，je[1，256] ;pnew(i，j) 為小目標圖像該點處的新灰度值；T(i，j)為步驟（3)中所提到的5X5濾波矩陣， 且-2 <i，j< 2 ;其他三個方向的加權濾波公式僅需將按照相應方向變化的p(i，j)和 T(i，j)點坐標分別帶入atan(l/2)方向上的加權濾波公式即可獲得。
【專利摘要】基于張量擴展的半脊方向濾波器紅外小目標識別方法。本發明首先讀取小目標圖像；利用余弦函數來構造圖像模板；按二維卷積規則將從圖像模板上得到的張量矩陣大小擴展為9×9，選取中間5×5個值為濾波矩陣，得到的濾波矩陣構成濾波模板；確定4個濾波方向；設計每個方向上的加權濾波公式；待每個方向上的加權濾波公式遍歷完圖像后，保存子圖；將保存的子圖按照矩陣對應點相乘的方法融合成一幅圖像，歸一化處理后得到背景抑制后的小目標圖像。本發明解決了天空、海天背景下的紅外小目標識別問題。本發明方法簡單、便于硬件并行處理，且漏檢率低、信噪比高。適用于空天及海天背景下單個或多個小目標的紅外預警、紅外制導導彈智能尋的。
【IPC分類】G06K9-00, G06K9-46
【公開號】CN104809444
【申請號】CN201510226878
【發明人】付小寧, 任國鵬
【申請人】西安電子科技大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月6日