一種基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，對目標和大氣介質成像進行預處理，包括減去背景噪聲，截取并縮放目標和大氣介質光斑窗口；將預處理后的大氣介質圖作為輸入圖像，使用全變分模型進行去噪，獲得去噪介質層圖，將介質層圖像歸一化處理后獲得估計的退化矩陣；將預處理后的目標圖像作為初始輸入圖像，用估計的退化矩陣作為輸入的退化矩陣，代入全變分模型，求解得到的最優解即為恢復圖像。本發明平滑了目標噪聲，成功消除了不均勻模糊覆蓋，有效抑制激光束非均勻和大氣路徑非均勻的影響；恢復圖像更符合目標反射率分布，有效消除了激光束非均勻性和大氣路徑的光學非均勻性影響，證明是可行有效的。
【專利說明】
一種基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法
技術領域
[0001] 本發明屬于圖像恢復技術領域，尤其涉及一種基于激光縱向層析圖像序列的目標 圖像恢復方法。
【背景技術】
[0002] 傳統的激光距離選通主動成像技術使用脈沖激光器發射激光脈沖，通過控制選通 增強型相機(ICCD)快門（選通門）的延遲量和寬度，待目標反射光到達相機時才進行有限時 間的曝光，從而屏蔽背景光和大氣后向散射光，僅記錄目標反射光，提高目標成像信噪比。 激光大氣縱向層析成像技術源于傳統距離選通激光主動成像技術。不同的是，距離選通主 動成像著眼于穿過云霧煙等大氣介質對目標進行成像，把散射介質的散射回波排除在成像 探測范圍之外，可在一定程度上降低散射介質的后向散射信號對目標成像信噪比的影響； 而縱向層析成像則通過序列改變選通門延遲量，不僅記錄目標的回波信號，還記錄整個激 光傳輸路徑上的云霧煙等大氣散射介質的回波信號，生成完整的序列圖像，可視為一種沿 著激光傳輸路徑對大氣散射介質及目標物的縱向掃描成像。激光縱向層析技術雖然繼承了 距離選通技術的穿透性和高信噪比特征，但是目標仍然受到激光束非均勻性和大氣介質非 均勻性的影響，目標圖像會發生退化，需要通過一定的圖像恢復方法消除這些影響。在圖像 恢復領域，現有的消除云霧煙等大氣介質對圖像退化影響的方法包括：同態濾波等濾波算 法，可以消除遙感圖像中的薄云影響，但在厚云霧情況下，由于被遮蔽目標的信噪比極低， 無法有效恢復;小波分解算法，可以有效降低圖像中的加性噪聲或乘性噪聲，但由于退化矩 陣不同于一般的噪聲干擾，小波分解并不適用于恢復云霧煙對圖像的退化影響；暗通道算 法，可以估計多通道圖像中大氣散射光，并加以補償，達到消除大氣散射光影響從而提高圖 像對比度的效果，但該方法適用于多通道的彩色圖像，并不適用于單通道的灰度圖像。
[0003] 激光縱向層析技術存在目標仍然受到激光束非均勻性和大氣介質非均勻性的影 響，目標圖像會發生退化，需要通過一定的圖像恢復方法消除影響。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，旨 在解決激光縱向層析技術存在目標仍然受到激光束非均勻性和大氣介質非均勻性的影響， 目標圖像會發生退化，需要通過一定的圖像恢復方法消除影響的問題。
[0005] 本發明是這樣實現的，一種基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，所 述基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法包括：
[0006] 首先對目標和大氣介質成像進行預處理，包括減去背景噪聲，截取并縮放目標和 大氣介質光斑窗口；
[0007] 其次將預處理后的大氣介質圖作為輸入圖像，使用全變分模型進行去噪，獲得去 噪介質層圖像，并對其進行歸一化處理后獲得估計的退化矩陣；
[0008] 最后將預處理后的目標圖像作為初始輸入圖像，用估計的退化矩陣作為輸入的退 化矩陣，代入全變分模型，求解得到的最優解即為恢復圖像。
[0009] 進一步，所述預處理后的大氣介質圖作為輸入圖像VQ，使用全變分模型TV-L1JP -叫；]，對仰進行去噪，獲得去噪介質層圖像v，將介質層圖像進行歸一化處 理后獲得估計的退化矩陣1?;將預處理后的目標圖像作為初始輸入圖像u〇，i作為輸入的退 化矩陣，代入全變分模型+ 即求解得到的最優解u即為恢復圖像;U 0為 預處理目標圖像，u為目標恢復圖像，?為估計的退化矩陣，巧為構造的引入退化矩陣? 的保真項。
[0010] 進一步，所述退化矩陣的估計算法對激光縱向層析成像，目標圖像的退化模型簡 化地表述為：
[0011] Uo = V · u+n (1)
[0012] 其中u為理想目標圖像，即待恢復圖像;UQ為探測器獲取的目標實際觀測圖像，即 觀測圖像;V為由激光輻照不均勻及大氣介質作用造成的目標圖像退化矩陣;η為背景噪聲、 探測器噪聲等加性噪聲;對退化模型式（1)中的觀測目標圖像進行恢復，需要首先估計目標 的退化矩陣，然后消除該退化矩陣的影響，同時平滑圖像中的噪聲。
[0013] 進一步，所述基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法中，根據激光縱向 層析圖像中的大氣介質圖像來估計激光輻照和大氣衰減不均勻性造成的退化矩陣的方法 具體包括：
[0014] 對應的單個探測器像元接收的層析面z = zt上(x，y,zt)處的目標反射回波能量方 程為：
[0015]
[0016] 其中Eo為激光的單脈沖能量，α為激光發散角，Ke為路徑上的大氣衰減系數，Apix為 像元面積，D為探測器孔徑，P為目標反射率，Z t為目標距離；同理，對應的單個探測器像元接 收的層析面Z = ZcJl(X^zc)處的大氣后向散射回波能量方程為：
[0017] ν<·
L· U
[0018] 其中T為探測器門寬，c為光速，β為大氣介質后向散射系數，Zc為大氣介質層距離； 定義層析面Z = Zt的理想目標成像為
；,C1為由收發系統參數 決定的常量，理想目標成像Eldeal只與目標反射率P的空間分布和目標距離zt有關，與大氣介 質參數無關；
[0019] V為目標成像Ecibj相對理想成像EideaI的退化矩陣，由式Uo = V · u+n和理想成像的定 義得：
[0020；
[0021] VM與入UN頁哀觥心和微亢描照狩?王Eo有關，與目標特性無關，即大氣衰減的不 均勻和激光輻照的不均勻性會造成目標的退化。
[0022]進一步，所述預處理的過程包括：
[0023] (1)根據退化矩陣估計方法，選擇若干幅信噪比足夠高的大氣介質層圖像，將目標 層和介質層圖像減去背景噪聲(將未發射激光時采集的大氣介質層圖像作為背景圖像）；
[0024] (2)對激光與探測器非共軸的收發系統，由于目標光斑和大氣光斑的中心存在平 移，另外由于成像光斑范圍只占原始觀測圖像中的一小部分區域，需要在目標層和大氣介 質層圖像中設置方形窗口截取有效成像范圍，使得光斑中心在窗口中心，并且窗口范圍包 含完整的目標光斑和大氣光斑；
[0025] (3)對激光與探測器非共軸的收發系統，成像光斑(包括目標光斑和介質光斑）的 尺寸隨選通成像的距離而改變。當目標光斑與介質光斑尺寸存在顯著差異時，在保持能量 守恒的前提下，對目標層和介質層的成像窗口進行尺寸放縮，使得它們的光斑大小相等，并 且放縮后的目標層和介質層窗口的像元分辨率相同，以便后續恢復算法中的矩陣運算能夠 順利進行。
[0026] 本發明的另一目的在于提供一種醫學成像系統，包含所述的基于激光縱向層析圖 像序列的目標圖像恢復方法。
[0027] 本發明的另一目的在于提供一種水下成像系統，包含所述的基于激光縱向層析圖 像序列的目標圖像恢復方法。
[0028] 本發明的另一目的在于提供一種飛機霧天起降系統，包含所述的基于激光縱向層 析圖像序列的目標圖像恢復方法。
[0029] 本發明的另一目的在于提供一種搜索救援系統，包含所述的基于激光縱向層析圖 像序列的目標圖像恢復方法。
[0030] 本發明提供的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，序列圖像為單通 道灰度圖像，通過選通增強型相機與脈沖激光器構成的收發系統同步探測獲取;不同于一 般的目標觀測圖像(僅僅包含目標回波信息），激光縱向層析序列圖像涵蓋了整個激光傳輸 路徑的回波信號，在采集目標回波圖像的同時也獲取了激光傳輸路徑上的大氣介質圖像； 這些大氣介質圖像蘊含了大氣介質的統計特性和光學參數(如大氣衰減系數、散射系數)等 信息，可以潛在地用于消除激光傳輸路徑上的大氣介質對目標圖像的退化和干擾。因而，本 發明提供的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，從原理上區別于一般的只針 對目標圖像進行處理的盲復原算法，將一般算法認為冗余無用的大氣介質圖像加以利用， 是一種基于大氣光學先驗信息，以及目標圖像與大氣介質圖像信號關聯特性的恢復算法。 該算法根據激光縱向層析中的大氣介質層圖像估計得到激光傳輸路徑上的大氣介質對目 標圖像干擾的退化矩陣，該退化矩陣反映并量化了激光傳輸路徑上的大氣介質非均勻性和 激光束非均勻性對目標圖像的影響和干擾;針對該退化矩陣和目標退化模型，提出了一種 引入退化矩陣作為輸入參量的全變分恢復模型，對該模型用偏微分方程的方法進行迭代求 解的過程中，可以在平滑目標圖像噪聲的同時，消除退化矩陣即激光束非均勻性和大氣介 質非均勻性對目標圖像的影響。本發明用激光縱向層析圖像序列中的大氣介質層圖像估計 退化矩陣，并恢復目標層圖像的方法。本發明可以應用于醫學成像、水下成像、飛機霧天起 降、搜索救援等目標探測及成像領域;實驗驗證結果表明，本發明所提出的目標圖像恢復方 法不僅平滑了目標噪聲，還成功消除了不均勻模糊覆蓋，有效抑制激光束非均勻和大氣路 徑非均勻的影響。本發明恢復圖像更均勻，符合目標反射率分布，有效消除了激光束非均勻 性和大氣路徑的光學非均勻性影響。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發明實施例提供的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法流程 圖。
[0032] 圖2是本發明實施例提供的激光縱向層析成像系統基本功能實現原理示意圖。
[0033] 圖3是本發明實施例提供的目標圖像退化的簡化模型示意圖。
[0034] 圖4是本發明實施例提供的基于散射介質回波估計退化矩陣的目標圖像恢復流程 圖。
【具體實施方式】
[0035]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0036] 下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
[0037] 如圖1所示，本發明實施例的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法包 括以下步驟：
[0038] S101:對目標和大氣介質成像進行預處理，主要包括減去背景噪聲，截取并縮放目 標和大氣介質光斑窗口；
[0039] S102:將預處理后的大氣介質層圖像作為輸入圖像，使用全變分模型進行去噪，獲 得去噪介質層圖像，將介質層圖像歸一化處理后獲得估計的退化矩陣；
[0040] S103:將預處理后的目標圖像作為初始輸入圖像，用估計的退化矩陣作為輸入的 退化矩陣，代入全變分模型，求解得到的最優解即為恢復圖像。
[0041] 下面結合附圖對本發明的應用原理作進一步的描述。
[0042]本發明所依托的激光縱向層析成像系統基本功能實現原理示意圖如圖2所示，主 要由脈沖激光器和選通增強型相機（ICCD)構成，通過序列改變ICCD成像的門控延遲，可以 接收不同距離層(Z = Z1, Ζ2，··_)的大氣散射介質的后向散射信號及目標的反射信號，生成序 列圖像。
[0043] 1退化矩陣估計算法
[0044] 對激光縱向層析成像，目標圖像的退化模型可以簡化地表述為：
[0045] u〇 = V · u+n (1)
[0046] 其中u為理想目標圖像，即待恢復圖像;UQ為探測器獲取的目標實際觀測圖像，即 觀測圖像;V為由激光輻照不均勻及大氣介質作用造成的目標圖像退化矩陣;η為背景噪聲、 探測器噪聲等加性噪聲，退化模型如圖3所示。
[0047] 對退化模型式（1)中的觀測目標圖像進行恢復，需要首先估計目標的退化矩陣，然 后消除該退化矩陣的影響，同時平滑圖像中的噪聲。本發明根據縱向層析成像過程中探測 器接收的目標反射信號和大氣介質后向散射回波信號，提出了一種根據激光縱向層析圖像 中的大氣介質圖像來估計激光輻照和大氣衰減不均勻性造成的退化矩陣的方法。
[0048] 如圖2,對應的單個探測器像元接收的層析面Z = Zt上(x，y，zt)處的目標反射回波 能量方程為：
[0049]
[0050] 其中Eo為激光的單脈沖能量，α為激光發散角，Ke為路徑上的大氣衰減系數，Apix為 像元面積，D為探測器孔徑，P為目標反射率，Z t為目標距離。同理，對應的單個探測器像元接 收的層析面Z = ZcJl(X^zc)處的大氣后向散射回波能量方程為：
[0051]
[0052]其中T為探測器門寬，c為光速，β為大氣介質后向散射系數，Zc為大氣介質層距離。 若定義層析面Z = Zt的理想目標成像為(X，A) = Cl/?(x，盡）/ Zi2，&為由收發系統參 數決定的常量，理想目標成像Eldeal只與目標反射率P空間分布和目標距離zt有關，與大氣介 質參數無關。
[0053] V為目標成像Ecib湘對理想成像Eldeal的退化矩陣，若只考慮大氣介質的衰減作用而 忽略散射的影響，由式(1)和理想成像的定義可得：
[0054]
[0055] V只與大氣介質衰減Ke3和激光輻照特性Eo有關，與目標特性無關，即大氣衰減的不 均勻和激光輻照的不均勻性會造成目標的退化。
[0056] 2基于退化矩陣的目標圖像恢復方法
[0057] 用如下全變分模型求解式（1)的退化模型：
[0058]
[0059] 其中，Uo為目標觀測圖像，u為目標恢復圖像，f為估計的退化矩陣，沖^)為構造的 弓丨入退化矩陣f的保真項。
[0060] 由于激光束與探測器并不同軸，并且激光束發散角小于探測器視場角，成像光斑 集中在CCD面陣的一部分區域;探測生成的層析成像序列中，隨著層析距離改變，成像光斑 會發生位移和大小改變，因此，要對大氣介質層和目標層圖像進行適當的預處理。
[0061] 預處理的過程包括：（1)根據退化矩陣估計方法，選擇若干幅信噪比足夠高的大氣 介質層圖像，將目標層和介質層圖像減去背景噪聲(將未發射激光時采集的大氣介質層圖 像作為背景圖像）；（2)保證光斑中心在窗口中心，在目標層和大氣介質層圖像中設置窗口 進行圖像截取；（3)在保持能量守恒的前提下，對目標層和介質層的成像窗口進行放縮，使 得它們的光斑大小相等，并且窗口分辨率相同。
[0062] 基于退化矩陣的目標恢復流程如圖4所示。首先對目標和大氣介質成像進行預處 理，主要包括減去背景噪聲，截取并縮放目標和大氣介質光斑窗口；將預處理后的大氣介質 圖作為輸入圖像vo,使用全變分模型=
，對VO進行去噪，獲得去 V. · 一- -
噪介質層圖V，將介質層圖像歸一化處理后獲得估計的退化矩陣(6:最后，將截取目標圖像作 為初始輸入圖像作為輸入的退化矩陣，代入全變分模？ ，求解 得到的最優解U即為恢復圖像。
[0063] 下面結合仿真驗證對本發明的應用效果作詳細的描述。
[0064] 首先使用仿真圖像對提出的方法的恢復效果進行驗證。仿真中假設激光束與探測 器同軸，使用二維目標進行仿真。
[0065] 假設根據先驗信息和層析圖像獲得了含噪聲的退化矩陣，對含噪退化矩陣用全變 分模型TV-L1進行去噪，仿真的目標觀測圖像作為初始輸入圖像uo,連同去噪后歸一化的退 化矩陣f，帶入全變分模型
得到的最優解u即為恢復圖像。
[0066] 退化矩陣產生的是乘性干擾，作為對比，還對目標圖像Uo使用了消除乘性噪聲的 全變分JY模型，S
和消除加性噪聲的TV-L1模型，即
進行了去噪處理。對觀測目標進行去除加性噪聲(TV-L1模型）和乘性噪聲(JY模型）只能對 目標噪聲進行平滑，并不能消除退化矩陣的影響。而使用本發明提出的恢復方法不僅可以 削弱噪聲，還可以有效消除退化矩陣的影響。
[0067] 對本發明提出的基于散射介質回波估計退化矩陣的激光縱向層析圖像恢復方法 進行了實驗驗證，證明了方法的可行性。實驗獲取的激光縱向層析序列圖像，以最靠近目標 層且信噪比較好的一幀介質圖像為基礎計算獲取退化矩陣。按照恢復方法流程，對目標和 介質圖像進行窗口截取和放縮等預處理，由去噪介質圖像估計退化矩陣，并對目標層圖像 進行恢復。本發明的恢復方法和其它各種不同方法的目標圖像恢復結果對比中，其他盲恢 復或去噪算法的結果中均看到明顯的不均勻模糊覆蓋，而利用本發明恢復方法的結果中則 已成功將不均勻模糊覆蓋消除。不均勻模糊覆蓋是由于發射激光束的非均勻性和大氣路徑 各種散射體的光學非均勻性共同造成的。
[0068] 實驗驗證結果表明，本發明所提出的目標圖像恢復方法不僅平滑了目標噪聲，還 成功消除了不均勻模糊覆蓋，有效抑制激光束非均勻和大氣路徑非均勻的影響。本發明恢 復圖像更均勻，符合目標反射率分布，有效消除了激光束非均勻性和大氣路徑的光學非均 勻性影響，證明是可行有效的。
[0069] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，其特征在于，所述基于激光 縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法包括： 首先對目標和大氣介質成像進行預處理，包括減去背景噪聲，截取并縮放目標和大氣 介質光斑窗口； 其次將預處理后的大氣介質圖作為輸入圖像，使用全變分模型進行去噪，獲得去噪介 質層圖，并對其歸一化處理后獲得估計的退化矩陣； 最后將預處理后的目標圖像作為初始輸入圖像，獲得估計的退化矩陣作為輸入的退化 矩陣，代入全變分模型，求解得到的最優解即為恢復圖像。2. 如權利要求1所述的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，其特征在于，所述預處理后的大氣介質圖作為輸入圖像vo,使用全變分模型TV-L1， vo進行去噪，獲得去噪介質層圖V，用介質層圖像的歸一化處理后獲得估計的退化矩陣?;將 預處理后的目標圖像作為初始輸入圖像uoj作為輸入的退化矩陣，代入全變分模型，求解得到的最優解u即為恢復圖像;uo為預處理目標圖像，u為目標 恢復圖像彳為估計的退化矩陣，為構造的引入退化矩陣f的保真項。3. 如權利要求1所述的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，其特征在于， 所述退化矩陣的估計算法： 對激光縱向層析成像，目標圖像的退化模型簡化地表述為： u〇 = V · u+n (1) 其中u為理想目標圖像，即待恢復圖像;u〇為探測器獲取的目標實際觀測圖像，即觀測圖 像;V為由激光輻照不均勻及大氣介質作用造成的目標圖像退化矩陣;η為背景噪聲、探測器 噪聲加性噪聲;對退化模型式（1)中的觀測目標圖像進行恢復，需要首先估計目標的退化矩 陣，然后消除該退化矩陣的影響，同時平滑圖像中的噪聲。4. 如權利要求1所述的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，其特征在于， 所述基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法根據激光縱向層析圖像中的大氣介 質圖像來估計激光輻照和大氣衰減不均勻性造成的退化矩陣的方法具體包括： 對應的單個探測器像元接收的層析面z = zt上(x，y，zt)處的目標反射回波能量方程為：其中E〇為激光的單脈沖能量，α為激光發散角，為路徑上的大氣衰減系數，AP1X為像元 面積，D為探測器孔徑，P為目標反射率，zt為目標距離；同理，對應的單個探測器像元接收的 層析面ζ = Ζ[α：(χ，7，ζ。)處的大氣后向散射回波能量方程為：其中Τ為探測器門寬，c為光速，β為大氣介質后向散射系數，Zc為大氣介質層距離;定義 層析面z = zt的目標成像為= ，Ci為由收發系統參數決定的常 量，Eldeal與目標反射率P的空間分布和目標距離Zt有關，與大氣介質參數無關； V為目標成像Eobj相對理想成像Eideal的退化矩陣，由式UQ = V · u+n和理想成像的定義 得：V只與大氣介質衰減L和激光輻照特性Eo有關，即大氣衰減的不均勻和激光輻照的不均 勻性會造成目標的退化。5. 如權利要求1所述的基于激光縱向層析圖像序列的目標圖像恢復方法，其特征在于， 所述預處理的過程包括： 根據退化矩陣估計方法，選擇若干幅信噪比足夠高的大氣介質層圖像，將目標層和介 質層圖像減去背景噪聲； 光斑中心在窗口中心，在目標層和大氣介質層圖像中設置窗口進行圖像截取； 在保持能量守恒的前提下，對目標層和介質層的成像窗口進行放縮，使得它們的光斑 大小相等，并且放縮后的目標層和介質層窗口的像元分辨率相同。6. -種醫學成像系統，其特征在于，包含權利要求1-5任意一項所述的基于激光縱向層 析圖像序列的目標圖像恢復方法。7. -種水下成像系統，其特征在于，包含權利要求1-5任意一項所述的基于激光縱向層 析圖像序列的目標圖像恢復方法。8. -種飛機霧天起降系統，其特征在于，包含權利要求1-5任意一項所述的基于激光縱 向層析圖像序列的目標圖像恢復方法。9. 一種火災搜索救援系統，其特征在于，包含權利要求1-5任意一項所述的基于激光縱 向層析圖像序列的目標圖像恢復方法。
【文檔編號】G06T5/00GK106056558SQ201610493518
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】衣文軍, 李修建, 王平, 賈輝, 朱炬波, 王炯琦, 邵錚錚, 王曉峰, 譚吉春
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學