凝视型相机运动点目标定位方法与系统转让专利
申请号 : CN200810033429.5
文献号 : CN100580706C
文献日 : 2010-01-13
发明人 : 潘鸣 , 石勋 , 裴云天 , 冯翔 , 龙卓瑜 , 李建林 , 张荣锋 , 侯丽伟 , 郑新波 , 王钢 , 谢巍
申请人 : 中国科学院上海技术物理研究所
摘要 :
本发明公开了一种凝视型相机运动点目标定位方法和系统。其定位方法是：1.利用凝视型相机的高帧频特性对运动点目标进行空间过采样；2.对采集到的序列图像进行多帧叠加；3.在多帧叠加的基础上，检测、提取小目标斑，再对小目标斑使用亚像元处理方法来求得中心点。其系统包括光学成像系统、面阵探测器、图像采集模块和图像处理模块四个部分。其中图像采集模块实现对运动点目标的空间过采样；图像处理模块针对采集到的序列图像进行多帧叠加，进行小目标斑检测、提取以及使用亚像元方法求得点目标的中心位置等。
权利要求 :
1.一种凝视型相机运动点目标定位方法，其特征在于：它包括步骤：
A.利用面阵探测器的高帧频特性对慢速运动的点目标进行空间过采样， 帧间采集间隔小于0.5个像元，每隔0.125个像元就对运动点目标采集一幅图 像；
B.对采集到的序列图像进行多帧叠加，其方法是：针对序列图像每一帧， 将其与该帧的前n帧和后n帧进行叠加，n的取值根据图像过采样的程度而定， 取值范围在1-4之间；
C.在多帧叠加的基础上，检测、提取小目标斑，然后对小目标斑使用亚 像元处理方法，即质心法、插值法、或曲线拟合法来求得中心点，通过得到的 每一帧序列图像的点目标的中心点，定出被测目标的运动轨迹。
2.一种凝视型相机运动点目标定位系统，它包括光学成像系统、面阵探 测器、图像采集模块和图像处理模块，其特征在于：A.面阵探测器为高频面阵探测器，它是CCD、CMOS或红外焦平面IRFPA 器件中的一种；
B.图像采集模块是能够根据具体应用场合中的运动点目标的速度来设置 空间过采样率的图像采集模块，空间过采样率应使空间采样间隔小于0.5个像 元；
C.图像处理模块是可以对图像采集模块采集到的序列图像进行多帧叠 加，进行小目标斑检测、提取以及使用亚像元方法求得点目标的中心位置的图 像处理模块，其中多帧叠加是将序列图像中的每一帧，与该帧图像的前n帧及 后n帧进行叠加，n的取值视图像过采样的程度而定，取值范围在1-4之间， 图像处理模块采用FPGA或DSP器件硬件来实现，或者采用计算机程序软件来 实现。
说明书 :
技术领域
本发明涉及空间目标定位技术，具体指一种凝视型相机运动点目标定位方 法与系统，它用于对空间运动小目标的定位。
背景技术
在工程应用中，要求能够在远距离发现目标。此时，目标在视场中是以点 目标形态出现。要提高点目标的定位精度，首先考虑提高面阵探测器的像素分 辨率。但是，由于制造工艺上的限制，面阵探测器的像素分辨率很难提高；另 外，由于衍射效应的限制，探测器的分辨率也不能无限提高。同时面阵探测器 的填充因子不为100％，这些都对点目标的定位精度产生影响。现在还有一些 提高分辨率的办法，例如，徐超在文献《一种改进的凝视焦平面探测器亚像元 成像处理算法》中提到(电子学报，Vol.35，No.8，P.1608-1611)，利用微扫描技 术来提高焦平面阵列探测器的空间采样率。该方法在保证系统信噪比的条件 下，改善系统的传递特性，但是却增加了系统的复杂性。车双良在文献《亚像 元动态成像技术中系统调制传递函数的数值分析》中提到(应用光学，Vol.25， No.2，P.19-24)，利用分光棱镜把光路等分成两路，分别成像到两个错开半个像 元的面阵探测器上，再对图像进行综合处理以提高近一倍的空间分辨率。这种 做法，除了会增加系统的复杂度，还会因为降低了到达每个焦平面的能量，而 降低信噪比。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单的凝视型相机运动点目标定位方法与系统， 通过对运动点目标的空间过采样和多帧叠加来提高系统的空间分辨率，最终使 得系统对空间运动点目标的定位精度得到提高。
本发明所采用的运动点目标定位系统采用凝视型相机对运动点目标成像， 通过对运动点目标进行空间过采样，对图像进行多帧叠加来提高系统的空间分 辨率。系统定位工作流程如附图1所示，具体包含下列步骤：
步骤一：系统对运动点目标进行空间过采样。由于目标距离远，点目标像 点在面阵探测器平面上的移动速度慢；另外，目前的凝视型相机使用的是面阵 探测器，而目前面阵探测器的帧频可以达到100Hz以上。因此，利用面阵探测 器的高帧频特性很容易对慢速的点目标进行空间过采样。举个例子，假如点目 标的平均速度为10个像素每秒，面阵探测器的帧频为80Hz，这样，我们可以 每隔0.125个像元就对运动点目标采集一幅图像。一般情况下，帧间采集间隔 最好小于0.5个像元。
步骤二：对采集到的序列图像进行多帧叠加。具体做法是，针对序列图像 每一帧，将其与该帧的前n帧和后n帧进行叠加，n的取值根据图像过采样的 程度而定，一般取值为1-4之间。例如，针对序列图像中的第50帧，将其与 它的前3帧和后3帧，共7帧图像进行叠加再求平均；序列中的其他帧图像， 依此类推。这样做的好处在于：
1.多帧叠加将过采样的运动点目标变成了小目标斑，而小目标斑更能反 应此时点目标的能量分布，相当于提高了系统的空间分辨率。
2.由于成像过程中随机空间噪声和时间噪声的存在，极大影响了图像的 信噪比。而经过多帧叠加，可以减少随机噪声的影响，提高了图像的信噪比， 利于后续的图像处理算法和点目标精确定位。
3.由于面阵探测器填充率无法达到100％，多帧叠加可以避免点目标中 心落在两个像元的间隙所产生的问题。
步骤三：在多帧叠加的基础上，检测、提取小目标斑。然后对小目标斑使 用亚像元处理方法(质心法、插值法、曲线拟合法等)来求得中心点。在得到每 一帧序列图像的点目标的中心点后，就能及时、准确地判断出点目标的运动轨 迹。
根据本发明提出的凝视型相机运动点目标精确定位系统，主要包括光学成 像系统、面阵探测器、图像采集模块和图像处理模块四个部分。光学成像系统 采用一般的望远成像系统；面阵探测器可以是CCD、CMOS、IRFPA(红外焦平面 器件)等等，但它们的帧频必须足够高；图像采集模块除了一般的图像采集功 能外，还必须能够根据具体应用场合中的运动点目标的速度，设置合适的空间 过采样率；图像处理模块的内容包括：针对采集到的序列图像进行多帧叠加， 进行小目标斑检测、提取以及使用亚像元方法求得点目标的中心位置。图像处 理部分的内容可以使用FPGA、DSP等器件进行实时硬件化处理，也可以将序列 图像传输到计算机上处理。
本发明充分利用了凝视型相机高帧频的优点，使用简单的系统结构，采用 简洁的方法，提高了系统的空间分辨率以及序列图像的信噪比，从而提高了运 动点目标的定位精度。
本发明所采用的运动点目标定位系统采用凝视型相机对运动点目标成像， 通过对运动点目标进行空间过采样，对图像进行多帧叠加来提高系统的空间分 辨率。系统定位工作流程如附图1所示，具体包含下列步骤：
步骤一：系统对运动点目标进行空间过采样。由于目标距离远，点目标像 点在面阵探测器平面上的移动速度慢；另外，目前的凝视型相机使用的是面阵 探测器，而目前面阵探测器的帧频可以达到100Hz以上。因此，利用面阵探测 器的高帧频特性很容易对慢速的点目标进行空间过采样。举个例子，假如点目 标的平均速度为10个像素每秒，面阵探测器的帧频为80Hz，这样，我们可以 每隔0.125个像元就对运动点目标采集一幅图像。一般情况下，帧间采集间隔 最好小于0.5个像元。
步骤二：对采集到的序列图像进行多帧叠加。具体做法是，针对序列图像 每一帧，将其与该帧的前n帧和后n帧进行叠加，n的取值根据图像过采样的 程度而定，一般取值为1-4之间。例如，针对序列图像中的第50帧，将其与 它的前3帧和后3帧，共7帧图像进行叠加再求平均；序列中的其他帧图像， 依此类推。这样做的好处在于：
1.多帧叠加将过采样的运动点目标变成了小目标斑，而小目标斑更能反 应此时点目标的能量分布，相当于提高了系统的空间分辨率。
2.由于成像过程中随机空间噪声和时间噪声的存在，极大影响了图像的 信噪比。而经过多帧叠加，可以减少随机噪声的影响，提高了图像的信噪比， 利于后续的图像处理算法和点目标精确定位。
3.由于面阵探测器填充率无法达到100％，多帧叠加可以避免点目标中 心落在两个像元的间隙所产生的问题。
步骤三：在多帧叠加的基础上，检测、提取小目标斑。然后对小目标斑使 用亚像元处理方法(质心法、插值法、曲线拟合法等)来求得中心点。在得到每 一帧序列图像的点目标的中心点后，就能及时、准确地判断出点目标的运动轨 迹。
根据本发明提出的凝视型相机运动点目标精确定位系统，主要包括光学成 像系统、面阵探测器、图像采集模块和图像处理模块四个部分。光学成像系统 采用一般的望远成像系统；面阵探测器可以是CCD、CMOS、IRFPA(红外焦平面 器件)等等，但它们的帧频必须足够高；图像采集模块除了一般的图像采集功 能外，还必须能够根据具体应用场合中的运动点目标的速度，设置合适的空间 过采样率；图像处理模块的内容包括：针对采集到的序列图像进行多帧叠加， 进行小目标斑检测、提取以及使用亚像元方法求得点目标的中心位置。图像处 理部分的内容可以使用FPGA、DSP等器件进行实时硬件化处理，也可以将序列 图像传输到计算机上处理。
本发明充分利用了凝视型相机高帧频的优点，使用简单的系统结构，采用 简洁的方法，提高了系统的空间分辨率以及序列图像的信噪比，从而提高了运 动点目标的定位精度。
附图说明
图1为凝视型相机运动点目标定位系统工作流程图。
具体实施方式
本实施例针对的运动点目标的速度大约为7个像素每秒。
所采用的凝视型相机运动点目标精确定位系统，具体包括：
光学成像系统：望远成像光学系统主要参数为：
口径 90mm；
焦距 270mm。
探测器：512×512元中波红外焦平面探测器。探测器的帧频可调，且最 高帧频可以达到100Hz。
图像采集模块：设置探测器的帧频为50Hz，则大约每隔0.14个像元就对 点目标采集一幅图像。将采集到的序列图像传输到计算机内存指定的缓存空 间。
图像处理模块：在计算机上编写程序，针对运动点目标经过空间过采样后 的序列图像进行了如下的算法处理。
1、对采集到的原始红外序列图像进行非均匀性校正和盲元补偿等预处理。
2、对预处理后的序列图像进行多帧叠加。具体是将每一帧图像与其前面 3帧和后面3帧，共7帧图像进行多帧叠加再求平均。
3、检测、提取小目标斑。具体包括运用形态学非线性滤波技术进行背景 抑制；使用自适应阈值灰度分割算法进行目标分割；运用帧相关技术，去除虚 假目标，保留真实的目标。
4、最后，对提取出来的小目标斑，运用质心法计算出每一帧点目标的中 心位置。
经过实验统计，在信噪比为1.7时，系统对该运动点目标的定位精度达到 0.2个像元。
所采用的凝视型相机运动点目标精确定位系统，具体包括：
光学成像系统：望远成像光学系统主要参数为：
口径 90mm；
焦距 270mm。
探测器：512×512元中波红外焦平面探测器。探测器的帧频可调，且最 高帧频可以达到100Hz。
图像采集模块：设置探测器的帧频为50Hz，则大约每隔0.14个像元就对 点目标采集一幅图像。将采集到的序列图像传输到计算机内存指定的缓存空 间。
图像处理模块：在计算机上编写程序，针对运动点目标经过空间过采样后 的序列图像进行了如下的算法处理。
1、对采集到的原始红外序列图像进行非均匀性校正和盲元补偿等预处理。
2、对预处理后的序列图像进行多帧叠加。具体是将每一帧图像与其前面 3帧和后面3帧，共7帧图像进行多帧叠加再求平均。
3、检测、提取小目标斑。具体包括运用形态学非线性滤波技术进行背景 抑制；使用自适应阈值灰度分割算法进行目标分割；运用帧相关技术，去除虚 假目标，保留真实的目标。
4、最后，对提取出来的小目标斑，运用质心法计算出每一帧点目标的中 心位置。
经过实验统计，在信噪比为1.7时，系统对该运动点目标的定位精度达到 0.2个像元。