專利名稱：一種高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣動(dòng)光學(xué)與圖像處理相結(jié)合的交叉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法。
背景技術(shù)：
高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法主要是在高速飛行條件下，在分析高速來(lái)流、場(chǎng)景中目標(biāo)和地/海面背景的輻射特性的基礎(chǔ)上，選擇一個(gè)譜段或譜段組合，使得該譜段或譜段組合能在盡量接近目標(biāo)的輻射譜段的同時(shí)，遠(yuǎn)離高速來(lái)流及背景的輻射特性，使信雜比、信噪比盡可能地高。高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇中，大氣和高速來(lái)流的影響是不可忽略的，高速流場(chǎng)中的氣體和電離介質(zhì)等會(huì)有很強(qiáng)的輻射，可能對(duì)目標(biāo)紅外成像產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，其背景不僅僅是簡(jiǎn)單的地/海面背景，而是地/海面背景輻射、大氣輻射、以及高速流場(chǎng)輻射共同作用的結(jié)果，且這些輻射會(huì)隨著條件(例如天氣、溫度、流場(chǎng)速度等)的變化而變化。因此，高速條件下紅外成像譜段選擇與一般情況下的譜段選擇問(wèn)題既具有共性，又具有其特殊性，需要綜合分析高速飛行器在高速流場(chǎng)中的速度變化、溫度、壓力分布等情況，估計(jì)出高速飛行器在高速流場(chǎng)中飛行時(shí)的輻射情況，進(jìn)而結(jié)合譜段優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)高速條件下紅外成像的譜段優(yōu)化選擇，使得所選譜段及其組合成像數(shù)據(jù)的信息量最大、相關(guān)性最小、地/ 海面目標(biāo)在所選譜段下的輻射盡量強(qiáng)、背景(包括地/海面背景、大氣背景和高速流場(chǎng))的輻射在所選譜段要盡量弱。傳統(tǒng)的譜段選擇方法一般采用單一指標(biāo)，如圖像的相關(guān)系數(shù)、熵等，對(duì)各譜段下的成像進(jìn)行譜段選擇，并未考慮到成像場(chǎng)景中的目標(biāo)/背景輻射強(qiáng)度等因素，本發(fā)明提出的方法綜合考慮了高速飛行條件下紅外成像場(chǎng)景中的大氣輻射強(qiáng)度、高速流場(chǎng)輻射強(qiáng)度、地/ 海面背景輻射強(qiáng)度、目標(biāo)輻射強(qiáng)度等因素，同時(shí)結(jié)合圖像的相關(guān)系數(shù)和熵對(duì)各譜段下的成像進(jìn)行優(yōu)化選擇，使得經(jīng)選擇后的超光譜圖像的目標(biāo)/背景對(duì)比度和信雜比最大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法，該方法在高速飛行條件下，分析高速來(lái)流、場(chǎng)景中目標(biāo)和地/海面背景的輻射特性，建立譜段優(yōu)化代價(jià)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)紅外成像的譜段優(yōu)化選擇，使得在該譜段/譜段組合下成像效果最佳。本發(fā)明提供的高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法，其步驟包括(1)獲取超光譜圖像數(shù)據(jù)，即固定場(chǎng)景在多個(gè)譜段下的成像數(shù)據(jù)，構(gòu)成譜段優(yōu)化選擇的基本處理對(duì)象{fk|k = 1，2，···，n-l，n}；η為成像譜段的譜段數(shù)，k為成像譜段的序號(hào)，fk為在譜段λ k條件下的成像，圖像 fk的大小為MXN;(2)獲取超光譜圖像{fk|k= 1,2, ... , η-1, η}的地/海面背景輻射強(qiáng)度{ffjr， Xk) Ik= 1，2，...，n-l，n}，大氣輻射強(qiáng)度{ff2(r，λ k) | k = 1，2，. . .，η_1，η}，高速流場(chǎng)輻射強(qiáng)度{W3(r，Ak) |k= 1，2，···，n-l，n}，地/海面目標(biāo)輻射強(qiáng)度{ff4(r，Ak) k = 1,2,..., η-1, η}，r為大氣透過(guò)率/流場(chǎng)傳輸率函數(shù)；(3)根據(jù)步驟(2)中獲取的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到超光譜圖像{fk|k= 1，2，· · ·， η-1, η}的成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度{W。(r，Xk) | k = 1，2，. . .，n-l，n}及成像背景輻射強(qiáng)度Iffb (r， λ k) I k = 1, 2,…，η-1, η}；(4)設(shè)定成像譜段優(yōu)化選擇的代價(jià)函數(shù)C(f, λ) = α ^ (R (f)) - α 2F (H (f)) - α 3F (W0 (r, λ )) + α 4F (ffb (r, λ))其中，F(xiàn)為單調(diào)遞增函數(shù)，這里取F(z) = z,R(f)為圖像f與其前后譜段成像圖像的相關(guān)系數(shù)，H(f)為圖像f的熵，W。(r，λ)為成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度，Wb(r，λ)為成像背景輻射強(qiáng)度，Cii > 0(i = 1，2，3，4)為權(quán)系數(shù)。(5)將步驟(1)、(3)中得到的超光譜圖像{fk|k= 1,2,..., η-1, η}及其目標(biāo)/ 背景輻射強(qiáng)度lff。(r，Ak),ffb(r, Xk)|k=l，2，...，n-l，n}代入步驟0)中的代價(jià)函數(shù)， 計(jì)算得到相應(yīng)的代價(jià)！C(fk，Ak) |k= 1,2,..., η-1, η}；(6)設(shè)定選擇的譜段數(shù)目為m，將步驟(5)中得到的超光譜圖像fk的代價(jià){C(fk， Xk) |k = 1,2, ...，η-1, η}按照從小到大的順序進(jìn)行排序，得到代價(jià)數(shù)列{C' (f1 X1) |C'比，入》彡 C' (f1+1，入1+1) ;1 = 1，2，···，n-l}，取其前m個(gè)元素{C' (f\，λ》11 =丄二-…?。?！-丨，?。。∝?，并由此推導(dǎo)得出代價(jià)最小的！?。€(gè)譜段的成像數(shù)據(jù){ (fk，λ k) C(fk, λ,)= C' (f1 A1) ;1 = 1，2，...，m-l，m}，即進(jìn)行優(yōu)化選擇后所得到的譜段及該譜段下的成像數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的譜段優(yōu)化選擇方法相比，本發(fā)明提出的方法綜合考慮了成像場(chǎng)景中的目標(biāo)/背景輻射強(qiáng)度、各譜段下成像圖像的信息量和相關(guān)性等因素，確保了在所選譜段下成像的目標(biāo)/背景對(duì)比度最高的基礎(chǔ)上，其所含信息量盡可能大，且數(shù)據(jù)冗余盡可能小，避免了傳統(tǒng)譜段優(yōu)化選擇方法中采用單一指標(biāo)對(duì)各譜段下的成像進(jìn)行選擇的缺陷。對(duì)譜段優(yōu)化選擇前后的超光譜圖像進(jìn)行分析比較，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)行譜段優(yōu)化選擇后的超光譜圖像的目標(biāo) /背景對(duì)比度和信雜比最大。


圖1是本發(fā)明高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法的流程圖；圖2是超光譜圖像數(shù)據(jù)的圖像立方體表示，其中兩維代表空間位置，另一維代表譜段波長(zhǎng)；圖3 (a)是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為0. 37 μ m下的成像；圖3 (b)是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為0. 87 μ m下的成像；圖3 (c)是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為1. 37 μ m下的成像；圖3 (d)是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為1. 87 μ m下的成像；圖3 (e)是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為2. 37 μ m下的成像；圖3 (f)是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為2. 6 μ m下的成像；圖4是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在224個(gè)譜段下以機(jī)場(chǎng)跑道為目標(biāo)的目標(biāo)/背景相對(duì)輻射強(qiáng)度圖；圖5是加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在2 個(gè)譜段下成像以機(jī)場(chǎng)跑道上的飛機(jī)為目標(biāo)的目標(biāo)/背景相對(duì)輻射強(qiáng)度圖；圖6(a)是以機(jī)場(chǎng)跑道為目標(biāo)，經(jīng)譜段優(yōu)化后選擇的加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為0. 42 μ m下的成像；圖6(b)是以機(jī)場(chǎng)跑道為目標(biāo)，經(jīng)譜段優(yōu)化后選擇的加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為1. 88 μ m下的成像；圖6(c)是以機(jī)場(chǎng)跑道為目標(biāo)，經(jīng)譜段優(yōu)化后選擇的加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為2. 03 μ m下的成像。圖7(a)是以機(jī)場(chǎng)跑道上的飛機(jī)為目標(biāo)，經(jīng)譜段優(yōu)化后選擇的加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為0. 42 μ m下的成像；圖7(b)是以機(jī)場(chǎng)跑道上的飛機(jī)為目標(biāo)，經(jīng)譜段優(yōu)化后選擇的加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為0. 43 μ m下的成像；圖7(c)是以機(jī)場(chǎng)跑道上的飛機(jī)為目標(biāo)，經(jīng)譜段優(yōu)化后選擇的加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)在波長(zhǎng)為0. 44 μ m下的成像。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。一種高速條件下紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法，包括如下步驟(1)獲取超光譜圖像數(shù)據(jù)，即特定場(chǎng)景在多個(gè)譜段下的成像數(shù)據(jù)，構(gòu)成譜段優(yōu)化選擇的基本處理對(duì)象{fk|k = 1，2，···，n-l，n}；η為成像譜段的譜段數(shù)，k為成像譜段的序號(hào)，fk為在譜段λ k條件下的成像，圖像 fk的大小為MXN;圖3a 3f為加州圣地亞哥海軍機(jī)場(chǎng)的部分超光譜圖像，該超光譜圖像共包含224 個(gè)譜段下的成像數(shù)據(jù)，波長(zhǎng)范圍為0. 37 2. 6 μ m,波長(zhǎng)的分辨率為0. 01 μ m,圖像大小為 400X400。(2)獲取超光譜圖像{fk|k= 1,2, ... , η-1, η}的地/海面背景輻射強(qiáng)度{ffjr， Xk) Ik= 1，2，...，n-l，n}，大氣輻射強(qiáng)度{ff2(r，λ k) | k = 1，2，. . .，η_1，η}，高速流場(chǎng)輻射強(qiáng)度{W3(r，Ak) |k= 1，2，···，n-l，n}，地/海面目標(biāo)輻射強(qiáng)度{ff4(r，Ak) k = 1,2,..., η-1, η}，r為大氣透過(guò)率/流場(chǎng)傳輸率函數(shù)。(3)根據(jù)步驟(2)中獲取的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到超光譜圖像{fk|k= 1，2，...， η-1, η}的成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度{W。(r，Xk) | k = 1，2，. . .，n-l，n}及成像背景輻射強(qiáng)度Iffb (r， λ k) I k = 1, 2,…，η-1, η}；按照步驟(3. 1)、(3.2)計(jì)算超光譜圖像的成像目標(biāo)/背景輻射強(qiáng)度，其具體過(guò)程為(3.1)根據(jù)下式計(jì)算得到超光譜圖像fk(k= 1,2,...,η-1,η)的成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度 W。(r，Xk)W。(r，Xk) = rXW4(r，Xk)(3.2)根據(jù)下式計(jì)算得到超光譜圖像fk(k= 1,2,...,η-1,η)的成像背景輻射強(qiáng)度 Wb(r，Xk)Wb (r, Ak) = W1 (r, Ak)+ff2(r, Ak)+W3 (r, Xk)
(4)設(shè)定成像譜段優(yōu)化選擇的代價(jià)函數(shù)C(f, λ) = α ^ (R (f)) - α 2F (H (f)) - α 3F (W0 (r, λ )) + α 4F (ffb (r, λ))其中，F(xiàn)為單調(diào)遞增函數(shù)，這里取F(z) = z,R(f)為圖像f與其前后譜段成像圖像的相關(guān)系數(shù)，H(f)為圖像f的熵，W。(r，λ)為成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度，Wb(r，λ)為成像背景輻射強(qiáng)度，Cii > 0(i = 1，2，3，4)為權(quán)系數(shù)。(5)將步驟(1)、(3)中得到的超光譜圖像{fk|k= 1,2,..., η~1, η}及其目標(biāo)/ 背景輻射強(qiáng)度lff。(r，Ak),ffb(r, Xk)|k=l，2，...，n-l，n}代入步驟0)中的代價(jià)函數(shù)， 計(jì)算得到相應(yīng)的代價(jià)！C(fk，Ak) |k= l，2，...，n-l，n}；按照步驟(5. 1)至(5. 3)計(jì)算超光譜圖像fk(k = 1,2,..., η~1, η)的代價(jià)C(fk， λ k)，其具體過(guò)程為(5. 1)按照步驟(5. 1. 1),(5. 1.2)計(jì)算圖像fk與其前后譜段成像圖像的相關(guān)系數(shù) R (fk)，其具體過(guò)程為(5. 1. 1)根據(jù)下式求出圖像fk的灰度均值義及其前后譜段成像圖像的灰度均值
fk-\、fk+\ *
_1 M-IN-IJ=(5. 1. 2)將步驟(5· 1. 1)中得到的灰度均值Λ、代入下式，求出圖像fk 與其前后譜段成像圖像的相關(guān)系數(shù)R(fk)
權(quán)利要求
1.一種紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法，包括如下步驟(1)獲取超光譜圖像數(shù)據(jù)，即獲取場(chǎng)景在多個(gè)譜段下的成像數(shù)據(jù){fk|k=1,2,...， n-l，n}；其中，η為成像譜段的譜段數(shù)，k為成像譜段的序號(hào)，fk為在譜段入，條件下的成像， 圖像fk的大小為MXN;(2)分別獲取所述超光譜圖像{fk|k=1,2, ...，η-1, η}的地/海面背景輻射強(qiáng)度 Iff1 (r，Ak) |k = 1,2, . . . , η-1, η}，大氣輻射強(qiáng)度 Iff2 (r，λ k) | k = 1，2，· · ·，η-1, η}，高速流場(chǎng)輻射強(qiáng)度{W3(r，Ak) |k= 1,2,... ,η-1,η}以及地/海面目標(biāo)輻射強(qiáng)度{ff4(r，λ k) | k =1，2，. . .，η-1，η}，其中r為大氣透過(guò)率/流場(chǎng)傳輸率函數(shù)；(3)根據(jù)步驟( 中獲取的各種輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到超光譜圖像{fk|k=1，2，...， η-1, η}的成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度{W。(r，Xk) | k = 1，2，. . .，n-l，n}及成像背景輻射強(qiáng)度Iffb (r， λ k) I k = 1, 2,…，η-1, η}；(4)設(shè)定成像譜段優(yōu)化選擇的代價(jià)函數(shù)C(f, λ) = aiF(R(f))-a2F(H(f))-a3F(W。(r，λ )) + a 4F (ffb (r, λ))式中，F(xiàn)為單調(diào)遞增函數(shù)，R(f)為圖像f與其前后譜段成像圖像的相關(guān)系數(shù)，H(f)為圖像f的熵，W。(r，λ)為成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度，Wb (r，λ)為成像背景輻射強(qiáng)度，ai>0(i = 1， 2,3,4)為權(quán)系數(shù)；(5)將所述超光譜圖像{fk|k=1，2，...，n-l，n}及其目標(biāo)/背景輻射強(qiáng)度lff。(r，Xk)， Wb (r, Ak) |k= 1，2，...，n-l，n}代入所述代價(jià)函數(shù)，計(jì)算得到相應(yīng)的代價(jià){C(fk，λ k) | k = 1,2,... , η-1, η}；(6)設(shè)定優(yōu)化選擇的譜段數(shù)目m，將步驟(5)中得到的超光譜圖像fk的代價(jià){C(fk， Xk) |k = 1,2, ...，η-1, η}按照從小到大的順序進(jìn)行排序，得到代價(jià)數(shù)列{C' (f1 X1) |C' (GX1)SC' (fw，λ1+1) ;1 = 1，2，...，n-1，n}，取其前 m 個(gè)元素{C' (f1 X1) |1 = l，2...m-l，m}即代價(jià)最小的m個(gè)譜段的成像數(shù)據(jù){(fk，Xk) C(fk, Ak) =C' (f1 λ》；1 = 1，2，. . .，m-1, m}，即為進(jìn)行優(yōu)化選擇后所得到的譜段及該譜段下的成像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中，所述成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度W。(r，Ak)通過(guò)如下公式計(jì)算得到W0 (r, Ak) = rXff4(r, Xk)所述成像背景輻射強(qiáng)度Wb (r，Ak)通過(guò)如下公式計(jì)算得到Wb (r, Ak) = W1 (r, Ak)+ff2(r, Ak)+ff3(r, Xk)
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述的步驟( 中，超光譜圖像{fk|k =1,2,..., η-1, η}的代價(jià){C(fk，λ k) | k = 1，2，. . .，η_1，η}的具體計(jì)算過(guò)程為(5. 1)計(jì)算圖像fk與其前后譜段成像圖像的相關(guān)系數(shù)R(fk)；(5.2)計(jì)算圖像fk的熵H(fk)；(5.3)根據(jù)步驟⑷中設(shè)定的代價(jià)函數(shù)，計(jì)算得出圖像fk的代價(jià)C(fk，Ak)C(fk, Xk) = a ^(R(fk))- a 2F(H(fk))- a 3F(W0(r, λ k)) + a 4F(Wb(r，Xk))
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述相關(guān)系數(shù)R(fk)的具體計(jì)算過(guò)程為(5. 1. 1)根據(jù)下式求出圖像fk的灰度均值義及其前后譜段成像圖像的灰度均值fk-\、fk+\ *
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述熵H(fk)的具體計(jì)算過(guò)程為 (5. 2. 1)根據(jù)下式求出圖像fk中各灰度級(jí)r」(j = 1，2，. . .，L)出現(xiàn)的概率P (r)
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種紅外成像譜段優(yōu)化選擇方法，包括(1)獲取超光譜圖像數(shù)據(jù)；(2)獲取地/海面背景輻射強(qiáng)度，大氣輻射強(qiáng)度，高速流場(chǎng)輻射強(qiáng)度以及地/海面目標(biāo)輻射強(qiáng)度；(3)根據(jù)獲取的各輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到成像目標(biāo)輻射強(qiáng)度及成像背景輻射強(qiáng)度；(4)設(shè)定代價(jià)函數(shù)；(5)將超光譜圖像及其目標(biāo)/背景輻射強(qiáng)度代入代價(jià)函數(shù)，計(jì)算得到相應(yīng)的代價(jià)；(6)設(shè)定優(yōu)化選擇的譜段數(shù)目，將代價(jià)按照從小到大的順序進(jìn)行排序得到代價(jià)數(shù)列，取其前個(gè)元素即代價(jià)最小的個(gè)譜段的成像數(shù)據(jù)，即為進(jìn)行優(yōu)化選擇后所得到的譜段及該譜段下的成像數(shù)據(jù)。利用本發(fā)明的方法進(jìn)行譜段優(yōu)化選擇后，超光譜圖像數(shù)據(jù)成像效果佳，圖像的目標(biāo)/背景對(duì)比度和信雜比大。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102243763SQ20111013406
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者余錚, 關(guān)靜, 周鋼, 左芝勇, 張?zhí)煨? 楊衛(wèi)東, 桑農(nóng), 武道龍, 陳建沖, 陳浩, 顏露新 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)