專利名稱：凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間目標(biāo)定位技術(shù)，具體指一種凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方 法與系統(tǒng)，它用于對空間運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的定位。
技術(shù)背景在工程應(yīng)用中，要求能夠在遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。此時(shí)，目標(biāo)在視場中是以點(diǎn) 目標(biāo)形態(tài)出現(xiàn)。要提高點(diǎn)目標(biāo)的定位精度，首先考慮提高面陣探測器的像素分 辨率。但是，由于制造工藝上的限制，面陣探測器的像素分辨率很難提高；另 外，由于衍射效應(yīng)的限制，探測器的分辨率也不能無限提高。同時(shí)面陣探測器 的填充因子不為100%，這些都對點(diǎn)目標(biāo)的定位精度產(chǎn)生影響。現(xiàn)在還有一些 提高分辨率的辦法，例如，徐超在文獻(xiàn)《一種改進(jìn)的凝視焦平面探測器亞像元 成像處理算法》中提到(電子學(xué)報(bào)，Vol.35, No.8,P.1608-1611)，利用微掃描技 術(shù)來提高焦平面陣列探測器的空間采樣率。該方法在保證系統(tǒng)信噪比的條件 下，改善系統(tǒng)的傳遞特性，但是卻增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。車雙良在文獻(xiàn)《亞像 元?jiǎng)討B(tài)成像技術(shù)中系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的數(shù)值分析》中提到(應(yīng)用光學(xué)，Vol.25, No.2，P.19-24)，利用分光棱鏡把光路等分成兩路，分別成像到兩個(gè)錯(cuò)開半個(gè)像 元的面陣探測器上，再對圖像進(jìn)行綜合處理以提高近一倍的空間分辨率。這種 做法，除了會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，還會(huì)因?yàn)榻档土说竭_(dá)每個(gè)焦平面的能量，而 降低信噪比。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種簡單的凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方法與系統(tǒng)， 通過對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的空間過采樣和多幀疊加來提高系統(tǒng)的空間分辨率，最終使得系統(tǒng)對空間運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的定位精度得到提高。本發(fā)明所采用的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位系統(tǒng)采用凝視型相機(jī)對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)成像， 通過對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過采樣，對圖像進(jìn)行多幀疊加來提高系統(tǒng)的空間分 辨率。系統(tǒng)定位工作流程如附圖l所示，具體包含下列步驟步驟一系統(tǒng)對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過采樣。由于目標(biāo)距離遠(yuǎn)，點(diǎn)目標(biāo)像 點(diǎn)在面陣探測器平面上的移動(dòng)速度慢；另外，目前的凝視型相機(jī)使用的是面陣 探測器，而目前面陣探測器的幀頻可以達(dá)到100Hz以上。因此，利用面陣探測 器的高幀頻特性很容易對慢速的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過采樣。舉個(gè)例子，假如點(diǎn)目 標(biāo)的平均速度為IO個(gè)像素每秒，面陣探測器的幀頻為80Hz，這樣，我們可以 每隔O. 125個(gè)像元就對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)采集一幅圖像。 一般情況下，幀間采集間隔 最好小于0.5個(gè)像元。步驟二對采集到的序列圖像進(jìn)行多幀疊加。具體做法是，針對序列圖像 每一幀，將其與該幀的前n幀和后n幀進(jìn)行疊加，n的取值根據(jù)圖像過采樣的 程度而定， 一般取值為卜4之間。例如，針對序列圖像中的第50幀，將其與 它的前3幀和后3幀，共7幀圖像進(jìn)行疊加再求平均；序列中的其他幀圖像， 依此類推。這樣做的好處在于1. 多幀疊加將過采樣的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)變成了小目標(biāo)斑，而小目標(biāo)斑更能反 應(yīng)此時(shí)點(diǎn)目標(biāo)的能量分布，相當(dāng)于提高了系統(tǒng)的空間分辨率。2. 由于成像過程中隨機(jī)空間噪聲和時(shí)間噪聲的存在，極大影響了圖像的 信噪比。而經(jīng)過多幀疊加，可以減少隨機(jī)噪聲的影響，提高了圖像的信噪比， 利于后續(xù)的圖像處理算法和點(diǎn)目標(biāo)精確定位。3. 由于面陣探測器填充率無法達(dá)到100%，多幀疊加可以避免點(diǎn)目標(biāo)中 心落在兩個(gè)像元的間隙所產(chǎn)生的問題。步驟三在多幀疊加的基礎(chǔ)上，檢測、提取小目標(biāo)斑。然后對小目標(biāo)斑使 用亞像元處理方法(質(zhì)心法、插值法、曲線擬合法等)來求得中心點(diǎn)。在得到每 一幀序列圖像的點(diǎn)目標(biāo)的中心點(diǎn)后，就能及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷出點(diǎn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌 跡。根據(jù)本發(fā)明提出的凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)精確定位系統(tǒng)，主要包括光學(xué)成 像系統(tǒng)、面陣探測器、圖像采集模塊和圖像處理模塊四個(gè)部分。光學(xué)成像系統(tǒng)采用一般的望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)；面陣探測器可以是CCD、 CM0S、 IRFPA (紅外焦平面 器件)等等，但它們的幀頻必須足夠高；圖像采集模塊除了一般的圖像采集功 能外，還必須能夠根據(jù)具體應(yīng)用場合中的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的速度，設(shè)置合適的空間 過采樣率；圖像處理模塊的內(nèi)容包括針對采集到的序列圖像進(jìn)行多幀疊加， 進(jìn)行小目標(biāo)斑檢測、提取以及使用亞像元方法求得點(diǎn)目標(biāo)的中心位置。圖像處 理部分的內(nèi)容可以使用FPGA、 DSP等器件進(jìn)行實(shí)時(shí)硬件化處理，也可以將序列圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上處理。本發(fā)明充分利用了凝視型相機(jī)高幀頻的優(yōu)點(diǎn)，使用簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用 簡潔的方法，提高了系統(tǒng)的空間分辨率以及序列圖像的信噪比，從而提高了運(yùn) 動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的定位精度。


圖1為凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位系統(tǒng)工作流程圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)施例針對的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的速度大約為7個(gè)像素每秒。所采用的凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)精確定位系統(tǒng)，具體包括 光學(xué)成像系統(tǒng)望遠(yuǎn)成像光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)為Q徑 90鵬；焦距 270腿。探測器512X512元中波紅外焦平面探測器。探測器的幀頻可調(diào)，且最 高幀頻可以達(dá)到100Hz。圖像采集模塊設(shè)置探測器的幀頻為50Hz，則大約每隔0. 14個(gè)像元就對 點(diǎn)目標(biāo)采集一幅圖像。將采集到的序列圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存指定的緩存空 間。圖像處理模塊在計(jì)算機(jī)上編寫程序，針對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)過空間過采樣后 的序列圖像進(jìn)行了如下的算法處理。K對采集到的原始紅外序列圖像進(jìn)行非均勻性校正和盲元補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理。2、 對預(yù)處理后的序列圖像進(jìn)行多幀疊加。具體是將每一幀圖像與其前面 3幀和后面3幀，共7幀圖像進(jìn)行多幀疊加再求平均。3、 檢測、提取小目標(biāo)斑。具體包括運(yùn)用形態(tài)學(xué)非線性濾波技術(shù)進(jìn)行背景 抑制；使用自適應(yīng)閾值灰度分割算法進(jìn)行目標(biāo)分割；運(yùn)用幀相關(guān)技術(shù)，去除虛 假目標(biāo)，保留真實(shí)的目標(biāo)。4、 最后，對提取出來的小目標(biāo)斑，運(yùn)用質(zhì)心法計(jì)算出每一幀點(diǎn)目標(biāo)的中 心位置。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在信噪比為1.7時(shí)，系統(tǒng)對該運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的定位精度達(dá)到 0.2個(gè)像元。
權(quán)利要求
1.一種凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方法，其特征在于它包括步驟A.利用面陣探測器的高幀頻特性對慢速運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過采樣，幀間采集間隔最好小于0.5個(gè)像元，可以每隔0.125個(gè)像元就對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)采集一幅圖像；B.對采集到的序列圖像進(jìn)行多幀疊加，其方法是針對序列圖像每一幀，將其與該幀的前n幀和后n幀進(jìn)行疊加，n的取值根據(jù)圖像過采樣的程度而定，一般取值為1-4之間；C.在多幀疊加的基礎(chǔ)上，檢測、提取小目標(biāo)斑，然后對小目標(biāo)斑使用亞像元處理方法，即質(zhì)心法、插值法、或曲線擬合法來求得中心點(diǎn)，通過得到的每一幀序列圖像的點(diǎn)目標(biāo)的中心點(diǎn)，定出被測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方法和系統(tǒng)。其定位方法是1.利用凝視型相機(jī)的高幀頻特性對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過采樣；2.對采集到的序列圖像進(jìn)行多幀疊加；3.在多幀疊加的基礎(chǔ)上，檢測、提取小目標(biāo)斑，再對小目標(biāo)斑使用亞像元處理方法來求得中心點(diǎn)。其系統(tǒng)包括光學(xué)成像系統(tǒng)、面陣探測器、圖像采集模塊和圖像處理模塊四個(gè)部分。其中圖像采集模塊實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的空間過采樣；圖像處理模塊針對采集到的序列圖像進(jìn)行多幀疊加，進(jìn)行小目標(biāo)斑檢測、提取以及使用亞像元方法求得點(diǎn)目標(biāo)的中心位置等。
文檔編號(hào)G06T7/20GK101226641SQ200810033429
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者侯麗偉, 翔 馮, 張榮鋒, 李建林, 鳴 潘, 鋼 王, 勛 石, 裴云天, 巍 謝, 鄭新波, 龍卓瑜 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所