李思儉,樊 祥,程正東,朱 斌

(電子工程學(xué)院脈沖功率技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230037)

1 引 言

隨著各種無(wú)人飛行器技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人機(jī)的武器化研究愈發(fā)重要,針對(duì)這類飛行器的紅外對(duì)空探測(cè)系統(tǒng)的研究和改進(jìn)工作就日益受到研究人員的重視[1]。該系統(tǒng)以被動(dòng)方式工作,輸出紅外視頻,利用圖像處理方法從背景中檢測(cè)并識(shí)別圖像中的目標(biāo)[2]。為有效提高紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離,需要為空域檢測(cè)及目標(biāo)識(shí)別處理提供充分的響應(yīng)時(shí)間[3]。該系統(tǒng)探測(cè)的目標(biāo)多為空中飛行器,運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較快,留給系統(tǒng)的探測(cè)窗口時(shí)間有限,這就要求系統(tǒng)時(shí)刻處于360°全空域運(yùn)動(dòng)搜索過(guò)程中,使得探測(cè)器與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為劇烈[4]。綜合這些因素,紅外圖像在形成、傳輸、存儲(chǔ)、記錄和顯示過(guò)程中,不可避免地會(huì)存在質(zhì)量退化,尤其是空中目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)造成的運(yùn)動(dòng)模糊,這種退化給系統(tǒng)后端的圖像處理、航跡關(guān)聯(lián)等增加了許多困難[5]。運(yùn)動(dòng)模糊圖像復(fù)原算法大致可以分為時(shí)間域、空間域和頻率域三個(gè)大的方向,但是應(yīng)用于紅外空域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)卻各有缺陷,紅外相機(jī)需要始終以較快的速度掃描空域,使采集到的目標(biāo)圖像產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)模糊難以分辨,因此已有的目標(biāo)檢測(cè)算法就不能滿足使用條件[6-8]；由于近些年空氣質(zhì)量和天氣情況惡化,霧、霾等極端天氣在全年天氣中占比越來(lái)越高,采集到的原始圖像普遍存在噪聲問(wèn)題,抑噪成為算法中不可或缺的一環(huán)；當(dāng)跟蹤空域中飛行速度較快的飛行器,要求相機(jī)的幀頻較高,這又對(duì)算法的處理速度提出較高要求；存在運(yùn)動(dòng)模糊的目標(biāo)具有拖尾效應(yīng),目標(biāo)經(jīng)常存在中變形的問(wèn)題,這就給目標(biāo)檢測(cè)造成困難[9]。

針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出在對(duì)采集到的紅外視頻處理過(guò)程中引入運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原技術(shù),并利用多幀圖像之間的相關(guān)信息,從中提取圖像的先驗(yàn)信息并相互補(bǔ)充以提高復(fù)原效果并滿足后續(xù)算法的使用條件,從而再對(duì)目標(biāo)圖像做濾波處理,進(jìn)一步地提高目標(biāo)的信噪比,改善圖像質(zhì)量,增強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用效能。

2 運(yùn)動(dòng)模糊圖像復(fù)原基本原理

獲取圖像的瞬間,所拍攝的目標(biāo)與相機(jī)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),稱為運(yùn)動(dòng)模糊。在所有的運(yùn)動(dòng)模糊中,由勻速直線運(yùn)動(dòng)造成圖像模糊的復(fù)原問(wèn)題更具有一般性和普遍意義,非勻速直線運(yùn)動(dòng)可近似為勻速直線運(yùn)動(dòng),或者可以分解為多個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)[10-12]。

圖1 基本圖像退化復(fù)原模型

當(dāng)H是一個(gè)線性、空不變的過(guò)程時(shí),空間域中的退化圖像可由下式給出:

g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)+n(x,y)

(1)

式中,f(x,y)為原始圖像；g(x,y)是退化圖像；n(x,y)是加性噪聲項(xiàng)；h(x,y)是退化函數(shù)的空間表示,符號(hào)“*”表示空間卷積。

因?yàn)榭臻g域中的卷積等于頻率域中的乘積,因此可以把式(1)中的模型等價(jià)于頻率域表示:

G(u,v)=H(u,v)F(u,v)+N(u,v)

(2)

式(2)中的大寫字母表示式(1)中對(duì)應(yīng)項(xiàng)的傅里葉變換。

3 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估計(jì)方法

3.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模糊模型

上文簡(jiǎn)要闡述了運(yùn)動(dòng)模糊的一般原理,具體到本文中的對(duì)空偵察系統(tǒng)對(duì)飛行器的探測(cè)過(guò)程時(shí),先以探測(cè)器靜止,飛行器運(yùn)動(dòng)為例。當(dāng)飛行器以速度V在空域中飛行時(shí),如圖2所示,飛行器從A點(diǎn)以速度V運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn),則在CCD感光面上A的像點(diǎn)a以速度v運(yùn)動(dòng)到B的像點(diǎn)b,根據(jù)成像原理,有:

(3)

式中,V為飛行器飛行速度；v為飛行器的像在CCD感光面移動(dòng)的速度；H為飛行高度；f為探測(cè)器鏡頭的焦距。

圖2 基本圖像退化復(fù)原模型

在CCD相機(jī)的一個(gè)積分時(shí)間Δt內(nèi),像移的距離Δl=Δt×v。

像移Δl造成了運(yùn)動(dòng)模糊,Δl越大則運(yùn)動(dòng)模糊就越嚴(yán)重,當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)工作時(shí),飛行器的飛行速度V是不可控量,則要降低Δl的一個(gè)方法就是盡量減小積分時(shí)間Δt,這就要選擇高幀頻的CCD,這將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的成本和造價(jià)抬高,而且積分時(shí)間減小后就要求目標(biāo)的紅外輻射足夠強(qiáng),這就使系統(tǒng)的探測(cè)距離隨之降低。以上只是探測(cè)器靜止的情況,實(shí)際應(yīng)用中探測(cè)器為了探測(cè)整個(gè)空域還會(huì)以一定的角速度做360°的轉(zhuǎn)動(dòng),這就進(jìn)一步的增大了Δl。

3.2 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的估計(jì)

當(dāng)空中目標(biāo)以圖2所示的方式運(yùn)動(dòng)時(shí),采集到的運(yùn)動(dòng)模糊圖像為:

(4)

其傅里葉變換為:

(5)

根據(jù)傅里葉變換的位移定理,式(5)變換為:

(6)

令:

(7)

則有:

G(u,v)=H(u,v)F(u,v)

(8)

由式可知,當(dāng)x0和y0已知時(shí),點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF可以直接計(jì)算出來(lái)。由于本文中涉及的探測(cè)系統(tǒng)的工作方式是水平360°旋轉(zhuǎn),所以由探測(cè)器旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)模糊只存在于x方向,移動(dòng)距離為Δl,有:

(9)

將式(9)代入式(8)中,得:

(10)

4 視頻圖像復(fù)原算法

視頻圖像又稱動(dòng)態(tài)圖像或者序列圖像,它是若干幅有序排列的靜態(tài)圖像按照一定的關(guān)系連續(xù)變換產(chǎn)生的,是二維圖像在一維時(shí)間軸上構(gòu)成的序列圖像[13]。動(dòng)態(tài)圖像中的一幀就是指相對(duì)靜止的一幅圖像,通過(guò)確定每秒鐘播放的單幀靜止圖像數(shù)量確定視頻圖像的刷新速度,利用視覺(jué)暫留原理,使人眼無(wú)法辨別單幅靜態(tài)圖像,看似連續(xù)平滑的視覺(jué)效果。運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原的一個(gè)重要的步驟就是構(gòu)建點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF),對(duì)于單幀的運(yùn)動(dòng)模糊圖像由于獲取的先驗(yàn)知識(shí)不足,預(yù)估的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)就不準(zhǔn)確,復(fù)原效果自然不會(huì)很好[14]。為了克服這一問(wèn)題,本文的方案是先用紅外攝像機(jī)采集目標(biāo)視頻,然后通過(guò)對(duì)序列圖像各幀之間的相關(guān)信息來(lái)估算點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),再用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行反卷積運(yùn)算復(fù)原圖像。

4.1 視頻影像分幀處理

由于攝像機(jī)的幀頻較高,計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率難以滿足,本文通過(guò)等間隔抽取的方式對(duì)視頻分幀處理,從而降低處理數(shù)據(jù)量,達(dá)到用普通計(jì)算機(jī)模擬高性能計(jì)算機(jī)的目的。

目前紅外攝影機(jī)采集到的圖像主要保存為AVI格式、MOV格式和RMVB格式,幀頻為30 f/s或60fps(frames per second),單幀圖像常用格式為JPEG格式、BMP格式、PNG格式等。本文實(shí)驗(yàn)用相機(jī)的圖像格式 AVI(Audio Video Interleaved)視頻和BMP(Bitmap)圖片,其中BMP又叫位圖格式,圖像的位深可選,不存在任何壓縮,最大限度保留圖像原始信息。AVI格式的全稱為音頻視頻交錯(cuò)格式,其中包括文件頭、數(shù)據(jù)塊和索引塊,每幀數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存儲(chǔ),調(diào)用方便且圖像質(zhì)量很高,缺點(diǎn)就是每幀的數(shù)據(jù)量大且?guī)l較高導(dǎo)致短視頻占用很大的體積,對(duì)此,我們?cè)趶?fù)原過(guò)程中采用等間隔采樣分幀,將視頻降頻處理為序列圖像再?gòu)?fù)原,從而滿足計(jì)算機(jī)處理?xiàng)l件[15]。

4.2 圖像預(yù)處理

視頻影像的采集依賴于紅外CCD,在采集的過(guò)程中會(huì)不可避免地引入噪聲項(xiàng),而且在發(fā)生運(yùn)動(dòng)模糊退化時(shí),加性噪聲項(xiàng)也會(huì)隨之退化,變得更加復(fù)雜。維納濾波算法是在逆濾波的基礎(chǔ)上針對(duì)噪聲項(xiàng)加以改進(jìn)的算法,它可以在復(fù)原過(guò)程中較好地抑制噪聲,提高處理效果[16]。

(11)

其中,E{·}是參數(shù)的期望值。誤差函數(shù)的最小值在頻率域中由式(12)給出:

(12)

當(dāng)處理白噪聲時(shí),譜|N(u,v)|2是一個(gè)常數(shù),當(dāng)未退化圖像的功率譜未知或不可估計(jì)時(shí),用式(13)來(lái)近似式(12):

(13)

式中,K是一個(gè)加到|H(u,v)|2的所有項(xiàng)上的特定常數(shù)。

4.3 算法設(shè)計(jì)流程

視頻圖像是靜止圖像每秒連續(xù)變換特定幀數(shù),因此對(duì)視頻模糊圖像的處理,可以轉(zhuǎn)換為靜止圖像的處理,我們將視頻模糊圖像處理過(guò)程分為三個(gè)具體的步驟,具體算法設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 算法設(shè)計(jì)流程

①將視頻圖像轉(zhuǎn)化為一序列單幀靜止圖像進(jìn)行保存；

②利用上文中測(cè)得的PSF,依次對(duì)單幀圖像序列進(jìn)行復(fù)原處理；

③對(duì)處理完成的單幀圖像序列,采用函數(shù)轉(zhuǎn)化為視頻,實(shí)現(xiàn)視頻模糊圖像復(fù)原的效果。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證研究思路并比較復(fù)原前后圖像效果,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

以尺寸為450 mm的四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)模擬大型飛行目標(biāo)(文中以美國(guó)的“捕食者”無(wú)人偵察機(jī)為例),具體參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 參數(shù)對(duì)照表

實(shí)驗(yàn)中,以焦距為100 mm、像元尺寸為17 μm的長(zhǎng)焦紅外攝影機(jī)作為視頻采集設(shè)備,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)人機(jī)懸停于空中,紅外鏡頭架設(shè)在地面的云臺(tái)上,云臺(tái)高度相對(duì)于無(wú)人機(jī)的懸停高度可以忽略不計(jì)。無(wú)人機(jī)起飛位置距攝影機(jī)為366 m,垂直起飛的懸停高度為100 m,由勾股定理可知懸停的無(wú)人機(jī)與紅外鏡頭的直線距離l約為379 m,根據(jù)相機(jī)成像原理可以算得無(wú)人機(jī)在感光元件上成像大小約為0.1187 mm,約占7個(gè)像元。

利用本文算法對(duì)采集到的紅外視頻進(jìn)行處理,視頻的幀頻為30 f/s,編碼格式為RGB(32bit),其中單幀圖像尺寸為640×480像素,通過(guò)兩組不同背景下包含目標(biāo)的紅外圖像序列來(lái)對(duì)本文算法進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)。圖4為兩組不同天空背景紅外目標(biāo)的原始圖像序列與復(fù)原處理后的圖像序列的效果圖,其中白色光斑為無(wú)人機(jī)目標(biāo)。

圖4 圖像序列復(fù)原效果對(duì)比圖

通過(guò)圖4中模糊圖像和復(fù)原圖像的對(duì)比,憑肉眼可以看出,經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原處理之后的序列圖像中的目標(biāo)相對(duì)于背景更加凸顯,邊緣更加清晰,并且復(fù)原處理后的背景邊緣形狀也更加分明。為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)原處理對(duì)圖像質(zhì)量的提升效果,鑒于以上圖像評(píng)價(jià)較為主觀,使用峰值信噪比PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)和均方差MSE(Mean Square Error)這一對(duì)判定指標(biāo)對(duì)復(fù)原處理效果做進(jìn)一步證明,PSNR和MSE是兩種常見(jiàn)的、廣泛使用的圖像質(zhì)量客觀評(píng)測(cè)參數(shù),根據(jù)PSNR和MSE的定義,PSNR值越大或MSE值越小,則該處理后的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像匹配效果越好,即該處理方法效果越好[17]。

若模糊圖像為I,復(fù)原圖像為K,那么它們的均方差MSE定義為:

(12)

峰值信噪比PSNR定義為:

(13)

其中,MAXI,K表示圖像點(diǎn)灰度的最大數(shù)值,由于上述實(shí)驗(yàn)中已將圖像位數(shù)設(shè)置為8位,所以該值為255。

結(jié)構(gòu)相似性(Structural Similarity)是衡量?jī)煞鶊D像相似度的指標(biāo),自然圖像具有極高的結(jié)構(gòu)性,表現(xiàn)在圖像的像素間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性,尤其是在空間相似的情況下。這些相關(guān)性在視覺(jué)場(chǎng)景中攜帶著關(guān)于物體結(jié)構(gòu)的重要信息。我們假設(shè)人類視覺(jué)系統(tǒng)主要從可視區(qū)域內(nèi)獲取結(jié)構(gòu)信息。所以通過(guò)探測(cè)結(jié)構(gòu)信息是否改變來(lái)感知圖像失真的近似信息。

完整的相似測(cè)量函數(shù)為:

SSIM(x,y)=f[I(x,y),c(x,y),s(x,y)]

(14)

結(jié)構(gòu)相似性SSIM的范圍是(-1,1),當(dāng)兩張圖一模一樣時(shí),SSIM=1。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,我們應(yīng)用平均SSIM指數(shù)(MSSIM)作為整個(gè)圖像的估計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià):

(15)

為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原技術(shù)對(duì)視頻圖像序列的作用效果,將本文所用方法與常用的傳統(tǒng)檢測(cè)方法,即高通濾波算法(high pass filtering，HPF),作對(duì)比實(shí)驗(yàn)如下[18]。

以紅外相機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下采集的視頻,抽取同一序列圖像為標(biāo)準(zhǔn)圖像,對(duì)相機(jī)以30°/s的速度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的兩對(duì)模糊圖像分別用本文算法和高通濾波算法處理后求出各自MSE和PSNR值,測(cè)得的兩組圖像序列的MSE和PSNR曲線如圖5所示。

圖5 PSNR對(duì)照曲線及MSE對(duì)照曲線

圖5為這兩種方法分別應(yīng)用于同一圖像序列的復(fù)原效果參數(shù)對(duì)比,其中圖(a)中的實(shí)線為本文算法的PSNR曲線,曲線上的每一個(gè)點(diǎn)均高于對(duì)照組的HPF算法,圖(b)中的實(shí)線為本文算法的MSE曲線,曲線上的每個(gè)點(diǎn)都低于對(duì)照組的HPF算法。

從圖5中的數(shù)據(jù)可以看出,相機(jī)以30°/s的轉(zhuǎn)速工作時(shí),使用本文的復(fù)原算法的PSNR值都大于高通濾波算法的PSNR值,MSE值都小于對(duì)照算法的MSE值,根據(jù)PSNR和MSE的定義,PSNR越大則圖像質(zhì)量越高,MSE越小則圖像質(zhì)量越高,因此可以證明實(shí)驗(yàn)采集的運(yùn)動(dòng)模糊的視頻序列圖像經(jīng)去模糊復(fù)原處理后,絕大多數(shù)的幀圖像質(zhì)量得到了提高。

下面我們換一個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù),用前文介紹過(guò)的MSSIM對(duì)復(fù)原圖像進(jìn)行評(píng)價(jià),觀測(cè)復(fù)原效果如圖6所示。

圖6 MSSIM對(duì)照曲線

從圖6中的數(shù)據(jù)可以看出,相機(jī)以30°/s的轉(zhuǎn)速工作時(shí),使用本文的復(fù)原算法的MSSIM值基本穩(wěn)定在[0.95,0.96]中,并且使用對(duì)照的全局維納濾波算法復(fù)原后圖像序列的MSSIM值波動(dòng)較大,波動(dòng)范圍在[0.91,0.94],均小于本文算法,這就說(shuō)明經(jīng)本文算法復(fù)原后的圖像與清晰圖像的相似度更高,復(fù)原效果更好,絕大多數(shù)的幀圖像質(zhì)量得到了提高,這也與圖4中人眼的觀察結(jié)果相匹配。

6 結(jié) 論

本文在分析了紅外空域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程中遇到的問(wèn)題和困難后,針對(duì)當(dāng)前算法中存在的缺陷,提出將多幀信息融合與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估計(jì)的方法引入該空域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的視頻運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原問(wèn)題中,并將維納濾波算法用于原始圖像序列的預(yù)處理,實(shí)現(xiàn)去除運(yùn)動(dòng)模糊、增強(qiáng)目標(biāo)的效果,從而提高系統(tǒng)對(duì)空域目標(biāo)的監(jiān)測(cè)效果。通過(guò)搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將視頻數(shù)據(jù)處理后做對(duì)比分析以及引入PSNR和MSE等評(píng)價(jià)參數(shù)與傳統(tǒng)算法相互驗(yàn)證等方法來(lái)探索解決方案,驗(yàn)證算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)與采集到的原始視頻相比,經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原技術(shù)處理后的圖像序列中目標(biāo)與背景的邊緣更加清晰,同時(shí)目標(biāo)的亮度更高；(2)在與高通濾波算法的對(duì)比中,本文算法在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為30°/s的實(shí)驗(yàn)條件下,PSNR值達(dá)到37以上,MSE值不高于9,均優(yōu)于高通濾波算法,且MSSIM值也均高于對(duì)照組。因此將改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原技術(shù)引入空域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提高圖像質(zhì)量,對(duì)于提高系統(tǒng)的作用距離和監(jiān)測(cè)效果具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

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