李立芳 劉立坤

摘要：針對(duì)海空復(fù)雜背景下紅外小目標(biāo)識(shí)別的需要，對(duì)海空背景及其弱小目標(biāo)的紅外圖像特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)圖像特性的差異，可以判斷圖像中是否存在目標(biāo)，從而為目標(biāo)識(shí)別提供了關(guān)于目標(biāo)識(shí)別和背景的先驗(yàn)知識(shí)，研究結(jié)果可用于?？毡尘跋滦∧繕?biāo)的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：紅外圖像；?？毡尘?；統(tǒng)計(jì)特性；局部對(duì)比度；信雜比；直方圖分析

中圖分類號(hào)：TP751.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1001-0270.2017.02.30

Abstract： A statistical analysis of features of infrared images of small targets and backgrounds is made according to the practical requirement for small target recognition under the complicated background of sea and sky. Based on the difference of image characteristics， it can be determined whether the target exists. This research provides the researches with prior knowledge about small target and background on target recognition. The results can be applied to the IR detection of small targets in sea and sky background.

Key Words： Infrared Image； Sea and Sky Background； Statistical Characteristics； Local Contrast； Signal-to-clutter Ratio； Histogram Analysis

圖像處理中對(duì)目標(biāo)的識(shí)別是判讀的關(guān)鍵所在，對(duì)圖像中的目標(biāo)識(shí)別不清會(huì)導(dǎo)致根本性的錯(cuò)誤。而電影經(jīng)緯儀中在?？毡尘跋履繕?biāo)通常弱小不清難以識(shí)別。因此紅外圖像弱小目標(biāo)的檢測(cè)成為自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。目前，針對(duì)各種背景下點(diǎn)目標(biāo)或弱小目標(biāo)的識(shí)別問題所采用的方法主要有小波法、形態(tài)學(xué)法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法等[1]。但對(duì)于海空這樣的復(fù)雜背景，由于弱小目標(biāo)本身的灰度、形狀、紋理和結(jié)構(gòu)特征既不明顯也不確定，可用的信息量非常有限。而且目標(biāo)在整幅圖像中所占的比例相當(dāng)小，目前還沒有哪種方法能夠很好地解決弱小目標(biāo)的識(shí)別問題。其主要困難在于：①缺少關(guān)于目標(biāo)和背景的統(tǒng)計(jì)先驗(yàn)信息；②目標(biāo)的信雜比非常低以至于很難從單幅圖像中檢測(cè)出目標(biāo)[2]。因此從目標(biāo)和背景的某些特性出發(fā)，充分利用目標(biāo)和背景本身的特性是解決這類問題的一種思路[3]。小目標(biāo)的特定飛行環(huán)境使其紅外特性實(shí)測(cè)存在一定的困難，且對(duì)于實(shí)測(cè)的圖像只適應(yīng)某些特定的區(qū)域和條件，對(duì)其進(jìn)行特性統(tǒng)計(jì)，結(jié)果適應(yīng)范圍有限，因此從理論上進(jìn)行建模是一種不可或缺的方法。它從最基本的物理模型和過程出發(fā)，揭示較完整的、本質(zhì)的規(guī)律。這種方法可以適用于大多數(shù)情況的目標(biāo)檢測(cè)，具有很好的普適性。采用計(jì)算機(jī)生成動(dòng)態(tài)紅外熱像既經(jīng)濟(jì)又靈活，由理論模擬得到的紅外圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性分析，將對(duì)實(shí)際中不同條件下的目標(biāo)檢測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義?；诩t外輻射理論，模擬了?？毡尘昂途唧w目標(biāo)，用 編程的方法生成目標(biāo)和背景的動(dòng)態(tài)紅外圖像，然后對(duì)得到的紅外圖像進(jìn)行特征提取，分析了探測(cè)距離對(duì)目標(biāo)檢測(cè)圖像均值的影響及局部對(duì)比度、信雜比和閾值隨探測(cè)距離變化的規(guī)律，最后對(duì)圖像進(jìn)行了直方圖分析。

1 紅外熱像圖的生成

目標(biāo)和背景紅外熱像圖的生成主要包括三部分：?？毡尘暗募t外熱像模擬、目標(biāo)的紅外熱像模擬以及目標(biāo)和海天背景紅外熱像的合成。

1.1 ?？毡尘暗募t外熱像模擬

海面總的紅外輻射是由海面自發(fā)紅外輻射、海面對(duì)太陽、天空紅外輻射的反射等共同組成的。因此，可用下式計(jì)算其紅外輻射強(qiáng)度：

1.2 迎頭觀察的目標(biāo)紅外熱像模擬

迎頭方向觀察的目標(biāo)紅外輻射由蒙皮輻射、羽流輻射和太陽反射三部分組成。由于太陽反射比較隨機(jī)，因此文中主要討論蒙皮輻射和羽流輻射。

1.2.1 目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)的模擬

針對(duì)普通的目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的幾何模擬，認(rèn)為目標(biāo)是由圓錐和圓柱兩部分組成的軸對(duì)稱體。假設(shè)迎頭方向觀察目標(biāo)時(shí)，可將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圓錐體。

1.2.2 蒙皮氣動(dòng)加熱和羽流紅外輻射的計(jì)算

氣動(dòng)效應(yīng)引起的蒙皮溫度變化可采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[4]：

下面對(duì)目標(biāo)羽流紅外輻射場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，假定迎頭方向觀察掠海飛行目標(biāo)的羽流場(chǎng)等效于一個(gè)圓盤，內(nèi)核為目標(biāo)的截面積，其紅外輻射主要為氣動(dòng)加熱引起（氣動(dòng)加熱的發(fā)射率為為為為），并遮擋了羽流場(chǎng)中溫度較高的內(nèi)核，外圓盤為羽流場(chǎng)等效面積，假設(shè)其等效溫度為為為為為，輻射系數(shù)為為為為，其直徑為目標(biāo)直徑的3倍[5]。由普朗克定理可知，為在為為為波段產(chǎn)生的輻射能流密度可通過下式計(jì)算：

1.3 目標(biāo)和海天背景紅外熱像的合成

通過對(duì)上述紅外圖像的理論模擬研究，已經(jīng)獲得了相對(duì)“獨(dú)立”的背景紅外圖像和目標(biāo)紅外圖像。但為了使理論模擬的結(jié)果具有實(shí)際意義，必須在此研究基礎(chǔ)上將二者合成為一幅完整的紅外圖像，即模擬真正意義上的目標(biāo)紅外圖像。根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與海天背景合成紅外熱像建模程序，可以得到目標(biāo)與海天背景的合成熱像圖。

2 目標(biāo)和海空背景紅外圖像的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)探測(cè)器透視原理，模擬探測(cè)器焦平面上所顯示的目標(biāo)和背景的合成紅外熱像。考慮到當(dāng)目標(biāo)不到一個(gè)像素時(shí)，理論模擬中將認(rèn)為目標(biāo)不存在，但是探測(cè)器實(shí)際上能探測(cè)到目標(biāo)所發(fā)出的輻射。因此先提高探測(cè)器的分辨率使目標(biāo)達(dá)到一個(gè)像素，然后在處理紅外圖像時(shí)采用合并像素的思想。具體做法是對(duì)動(dòng)態(tài)生成的一系列紅外圖像，利用4×4窗口對(duì)圖像進(jìn)行平均處理。

2.1 圖像的均值、方差和協(xié)方差

隨著目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，探測(cè)器距離目標(biāo)越來越近，圖像的均值、方差和協(xié)方差將隨之變化。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量可總結(jié)出如下結(jié)論：隨著探測(cè)距離的減小，背景均值隨機(jī)變化，目標(biāo)輻射逐漸增大。這是因?yàn)樵谟?jì)算中考慮了大氣衰減和程輻射的影響。其中，大氣衰減的作用更為主要。

2.2 圖像局部對(duì)比度、信雜比和閾值的計(jì)算

對(duì)圖像處理而言，影響目標(biāo)檢測(cè)的主要因素是局部對(duì)比度和信雜比，當(dāng)探測(cè)距離較近時(shí)，由于文中所研究的目標(biāo)所占像素可能不止一個(gè)，而且考慮到地球的曲率，目標(biāo)在整個(gè)圖像中所處位置將隨探測(cè)距離的變化而變化，因此選用一個(gè)較大的窗口7×7對(duì)目標(biāo)所在區(qū)域進(jìn)行處理。

值得一提的是當(dāng)計(jì)算圖像局部對(duì)比度時(shí)，需要首先在整幅圖像中對(duì)目標(biāo)所在區(qū)域選定一個(gè)7×7窗口；然后遍歷整個(gè)窗口，如果該像素對(duì)應(yīng)的是目標(biāo)，則以該像素為中心利用7×7窗口進(jìn)行處理，求出該像素對(duì)應(yīng)的局部對(duì)比度；最后對(duì)所有屬于目標(biāo)像素的局部對(duì)比度求平均，從而得出目標(biāo)所在區(qū)域的局部對(duì)比度。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析可知：隨著探測(cè)距離的減小，目標(biāo)所在區(qū)域的圖像局部對(duì)比度、信雜比和閾值從總體趨勢(shì)上是增加的。另外，當(dāng)探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)，目標(biāo)所在區(qū)域的局部閾值小于整幅圖像的均值，這主要是因?yàn)槲闹杏懻摰氖撬接^探測(cè)目標(biāo)，此時(shí)目標(biāo)恰好落在天空背景當(dāng)中，而天空背景的輻射要小于海面背景。

2.3 直方圖分析

為了能突出目標(biāo)的小概率灰度值，利用對(duì)數(shù)函數(shù)在很大程度上壓縮圖像像素值的動(dòng)態(tài)范圍特征，對(duì)得到的相應(yīng)灰度段紅外圖像輻射強(qiáng)度的均值、方差和協(xié)方差，其中的值的個(gè)數(shù)取對(duì)數(shù)作為縱坐標(biāo)。其中：為為相應(yīng)灰度值的個(gè)數(shù)，對(duì)于為為0的灰度級(jí)，為了使其取對(duì)數(shù)有意義，取近似值0.1。經(jīng)過對(duì)直方圖的分析，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)探測(cè)器距離目標(biāo)10000m時(shí)，可以看到目標(biāo)的羽流輻射；當(dāng)距離大約為8200m時(shí)，可以同時(shí)看到目標(biāo)的羽流輻射和蒙皮輻射，且目標(biāo)輻射隨著探測(cè)距離的減小而逐漸增大。

3 結(jié)束語

文中從模擬的目標(biāo)和背景紅外圖像本身的特性出發(fā)，分析統(tǒng)計(jì)目標(biāo)所在區(qū)域的局部對(duì)比度、信雜比和閾值隨探測(cè)距離變化的規(guī)律，并對(duì)圖像進(jìn)行了直方圖分析。根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特性的差異，可以為目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別提供先驗(yàn)性知識(shí)，為海空復(fù)雜背景下紅外小目標(biāo)的檢測(cè)提供了重要依據(jù)，一定程度上提高了數(shù)據(jù)判讀和處理的精度。

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