一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于紅外場景仿真領(lǐng)域，公開了一種基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法。針對目前紅外場景仿真中不同視距上紅外紋理模擬真實感較低、缺乏有效方法的問題，提供一套基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法。主要包括：1，獲取初始圖像；2，由景物與探測器物像關(guān)系構(gòu)建基于距離信息的空間頻率濾波模型，使其作用于初始圖像并對圖像進行降采樣；3，由景物不同頻率對應(yīng)的溫差與熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差（MRTD）的對比關(guān)系，確定基于MRTD的濾波模型；4，將該模型作用于第2步的結(jié)果圖像，得到不同視距下紅外紋理仿真圖像。優(yōu)點：為目標(biāo)識別、探測等領(lǐng)域提供更可靠的紅外數(shù)據(jù)源；提高不同視距紅外圖像的獲取效率，降低紅外圖像獲取成本。
【專利說明】一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維紅外場景仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種在“零”視距實拍紅外圖像紋理基礎(chǔ)上仿真不同視距上紅外圖像紋理的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]景物紋理是識別該景物的重要特征，不同觀察距離上景物的紋理也有不同程度的細節(jié)體現(xiàn)。目前紅外紋理的生成方法主要有兩種，第一種方法是通過仿真計算得到景物的紅外紋理圖像，但在不同觀測距離下，這種仿真方法未考慮高頻信息的損失和景物細節(jié)的溫差由于大氣影響而發(fā)生變化導(dǎo)致圖像模糊的現(xiàn)象，在視距改變時只是簡單對圖像進行縮放。第二種方法采用實拍紋理數(shù)據(jù)作為紅外紋理，這種方法采集的數(shù)據(jù)可靠性高，但是需要對每一種紋理的拍攝距離、拍攝方向和天氣條件等做嚴(yán)格的規(guī)范，操作繁瑣，代價高昂。
[0003]為解決不同視距上紅外圖像紋理生成問題，本發(fā)明闡述了一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法，包括新方法的原理、步驟、結(jié)果等內(nèi)容，為紅外場景仿真中不同視距上紅外圖像紋理仿真提供一種參考方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對目前紅外場景仿真中不同視距上紅外圖像紋理模擬真實感較低，缺乏有效仿真方法的問題，提供了一整套新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法。方法基于實拍的初始紅外紋理圖像，根據(jù)景物與探測器的距離確定了基于距離信息的空間頻率濾波模型，并根據(jù)景物細節(jié)頻率對應(yīng)的溫差與熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差(MRTD)的對比關(guān)系，確定了基于MRTD的濾波模型，將兩濾波模型作用于初始圖像上，得到不同視距下的紅外紋理仿真圖像。
[0005]基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真技術(shù)方案包括:
[0006]a)成像的頻率金字塔原理；
[0007]b)不同視距上景物探測器成像分析；
[0008]c)初始紅外紋理圖像的獲取要求；
[0009]d)根據(jù)景物與探測器物像關(guān)系確定不同視距上景物在探測器上的成像尺寸及探測器能夠反映的景物的最大空間頻率，據(jù)此確定基于距離信息的空間頻率濾波器，對初始圖像進行濾波和降采樣；
[0010]e)確定景物圖像頻率分布與溫差的關(guān)系模型。根據(jù)初始紅外紋理圖像的獲取條件，確定圖像中各點溫度和平均溫差，平均溫差作為初始圖像的最高頻率對應(yīng)的溫差。同樣方法，獲取不同距離下成像的最大頻率，根據(jù)初始圖像的溫度得到不同距離上景物成像時每個像素表征的溫度，并計算該距離上景物成像的最高頻率對應(yīng)的平均溫差。將溫差和頻率的離散值經(jīng)過回歸分析，擬合出對應(yīng)的關(guān)系曲線，最終確定景物圖像的頻率溫差關(guān)系曲線.[0011]f)根據(jù)熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差曲線確定熱像儀分辨某頻率的細節(jié)圖案需要的最小溫差；將最小可分辨溫差與不同視距上圖像的實際溫差作對比，確定基于最小可分辨溫差的紅外紋理圖像濾波模型，用該模型對由d)得到的圖像再次濾波，最終得到不同視距紅外紋理仿真圖像。
[0012]本發(fā)明的有益成果:
[0013]a)采用基于實拍初始紋理圖像仿真不同距離上紅外圖像紋理的方法，保證了仿真數(shù)據(jù)來源的真實性、可靠性；
[0014]b)考慮了距離變化對于圖像不同頻率細節(jié)的影響，反映出視距變化時景物的紅外圖像紋理較為精確的變化，為目標(biāo)識別、探測等領(lǐng)域提供更為精確的數(shù)據(jù)源；
[0015]c)以往方法多考慮大氣對于圖像對比度的影響，本發(fā)明考慮了大氣對于景物細節(jié)溫差的影響，從紅外成像的物理原理出發(fā)，保證了仿真方法的科學(xué)性和可靠性；
[0016]d)提供了一套新的可以有效模擬不同視距下的紅外圖像紋理的方法，可提高紅外紋理圖像的獲取效率，降低紅外圖像獲取的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1圖像金字塔
[0018]圖2不同距離上景物探測器成像示意圖
[0019]圖3基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真流程圖
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖1、2、3和實例對本發(fā)明的過程做進一步說明。
[0021]1.成像的頻率金字塔原理
[0022]圖像金字塔是圖像多分辨率表示中一種有效結(jié)構(gòu)，它是一系列以金字塔形狀排列的、分辨率逐步降低的圖像集合，如附圖1，金字塔底部是待處理圖像的高分辨率表示，頂部包含一個低分辨率近似，當(dāng)向金字塔的上層移動時，尺寸和分辨率降低?；A(chǔ)級J的大小為2TX2T或NXN，其中J =log2N。頂點級O的大小為I X I (即單個像素)，第j級圖像的大小為2jX2j，O≤j≤J。可以看出，由大小為NXN的原始圖像和J次分解各層中的近似分量構(gòu)成了一個多分辨率金字塔，各圖像之間的尺寸是2的整數(shù)倍。
[0023]在固定像元數(shù)的光電成像系統(tǒng)中，成像過程隨視距的改變即呈現(xiàn)出多分辨率的圖像顯示。因此，可將不同距離上的紅外紋理圖像生成等效為圖像金字塔的形成過程:將“零”視距拍攝的初始紅外紋理圖像作為圖像金字塔底部原始高分辨率圖像，將視距和大氣對景物紅外紋理的影響等效為圖像金字塔中的低通濾波和降采樣過程，重復(fù)對原始圖像進行基于距離的空間頻率濾波和基于最小可分辨溫差的圖像濾波，可得到一系列不同尺寸和分辨率的紅外圖像紋理。
[0024]2.初始圖像的獲取要求
[0025]不同視距的紅外圖像紋理以景物的初始紅外紋理圖像為基礎(chǔ)進行模擬，初始圖像要求景物充滿熱像儀視場且是相對清晰的紅外圖像。
[0026]3.基于距離信息的空間頻率濾波
[0027] 對固定像元數(shù)的光電成像系統(tǒng)而言，成像系統(tǒng)分辨景物細節(jié)的能力隨視距的增加而下降。如附圖2，距離L處探測器能分辨景物的最高頻率決定了探測器能分辨的景物細節(jié)程度，距離L處的物像關(guān)系決定了景物圖像頻率范圍。因此，根據(jù)景物成像距離與成像頻率關(guān)系，確定距離L處成像的最高頻率，根據(jù)該最高頻率對“零”視距圖像進行低通濾波。假定基于距離的空間頻率濾波器為Hs，有:
【權(quán)利要求】
1.一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法。該紅外紋理圖像仿真方法其特征在于: a)初始紅外紋理圖像的獲取要求； b)基于距離信息的空間頻率濾波器構(gòu)建； c)景物圖像頻率分布與溫差關(guān)系模型構(gòu)建； d)基于最小可分辨溫差的紅外紋理圖像濾波模型:將最小可分辨溫差與不同視距上圖像的實際溫差作對比，確定基于最小可分辨溫差的紅外紋理圖像濾波模型，用該模型對圖像再次濾波，得到最終不同視距上的紅外紋理圖像。
2.權(quán)利要求1中所述的一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法，其特征在于:所述初始紅外紋理圖像的獲取要求a)，不同視距的紅外紋理圖像以景物的初始圖像紋理為基礎(chǔ)進行模擬，初始圖像要求景物充滿熱像儀整個視場且是相對最清晰的紅外圖像。權(quán)利要求1中所述的一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法，其特征在于: 所述基于距離信息的空間頻率濾波器構(gòu)建b)，根據(jù)景物成像的金字塔原理和景物成像距尚與成像頻率關(guān)系，確定L距尚處成像的最聞頻率，根據(jù)該最聞頻率對“零”視距初始紅外紋理圖像進行低通濾波。假定基于距離信息的空間頻率濾波器為Hs，有: H —ft 4 < fL為初始圖像的空間頻率，Dlj為L距尚上圖像空間頻率的最聞頻率,該最聞頻率可以由L距離上的圖像尺寸和探測器焦平面尺寸之比得到。 將此濾波器作用于初始圖像的頻譜圖上:G(u, v) =F(u, v)Hs(u, V)。
3.權(quán)利要求1中所述的一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法，其特征在于: 所述景物圖像頻率分布與溫差關(guān)系模型構(gòu)建c)。根據(jù)初始圖像的獲取條件，得到不同距離下圖像的最大頻率和該頻率對應(yīng)的平均溫差。將溫差和頻率的離散值經(jīng)過回歸分析擬合出對應(yīng)的關(guān)系曲線，確定初始圖像的頻率溫差關(guān)系曲線的系數(shù)。 對于初始圖像(L = L0)處，溫度范圍:(Tmin、Tmax)，圖像的灰度范圍:(Gmin、Gmax)，紅外圖像灰度和溫度在某一溫度范圍內(nèi)可近似為線性關(guān)系，因此，紅外圖像上任一點的灰度G，其溫度 T 為:T=* G + Tmin。 將每個點與其右相鄰點的溫度差作為該點的溫差:ATij = T(i, j)_T(i，j+1)。 式中，i，j表示圖像中像素位置。初始圖像溫差的平均值A(chǔ)Tavg即為初始圖像最高空間頻率對應(yīng)的溫差:Nass(ZL) = Eyf1AFljZ(TOn)0 m, η為初始圖像的像素數(shù)，為該溫差矩陣對應(yīng)的圖像空間頻率。 在L = 2L。處,探測器對景物成像的最聞空間頻率為f2 = 探測器中每個像兀表征初始圖像中四個像素 的平均溫度，此時圖像中每個像素的溫度為:
T(i, j) = (T(21-l，2j-l)+T(21-l，2j)+T(2i，2j-l)+T(2i，2j))/4此時圖像最大空間頻率f2對應(yīng)的平均溫差為:
4.權(quán)利要求1中所述的一種新的基于景物空間頻率的紅外圖像紋理仿真方法，其特征在于: 所述基于最小可分辨溫差的紅外紋理圖像濾波模型d)。將不同空間頻率對應(yīng)的實際溫差和MRTD(f)比較結(jié)果作為判斷該頻率能否被探測器識別的依據(jù)。在距離L上，熱成像系統(tǒng)能分辨的溫差需要滿足條件:Λ T(f).τ (L)≥MRTD(f)。 AT(f)是圖像中頻率f對應(yīng)的平均溫差，τ (L)是在熱成像系統(tǒng)工作波段內(nèi)，沿目標(biāo)方向L距離行程上大氣傳輸?shù)钠骄髿馔干浔取?
【文檔編號】G06T7/00GK103942831SQ201410144297
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】胡海鶴, 白廷柱, 徐文宇, 鄭海晶, 劉洋 申請人:北京理工大學(xué)