空間目標(biāo)成像跟蹤系統(tǒng)中圖像分割算法的研究

馬慶軍

摘要：圖像分割是成像跟蹤算法中極為關(guān)鍵的一步，其結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性直接影響整個跟蹤系統(tǒng)的性能。從分析空間目標(biāo)圖像的特點入手，在目標(biāo)大小的不同階段，選用不同的分割算法，并結(jié)合任務(wù)特點對算法參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，該文的設(shè)計滿足任務(wù)需求，結(jié)果準(zhǔn)確且具有很好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：空間目標(biāo)；成像跟蹤；閾值分割；大津算法

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）33-7979-04

Abstract： Image segmentation is a very important sector in the imaging track algorithm. Its accuracy and stability plays a crucial role in the whole tracking systems performance. Starting from analyzing the characteristics of space targets image， different algorithms are employed depending on the size of target image and algorithms parameters are also optimized accordingly. Results show that the design in this paper satisfied tasks requirement with good accuracy and robustness.

Key words： space target； imaging track； threshold segmentation； ostu algorithm

1 概述

天基空間目標(biāo)的成像探測與跟蹤系統(tǒng)以衛(wèi)星為平臺，可以探測人造衛(wèi)星、空間碎片等目標(biāo)。相比于地基系統(tǒng)，具有不受地理位置和氣象條件限制等優(yōu)點，是進(jìn)行空間目標(biāo)監(jiān)視的一種重要技術(shù)手段，一直倍受各個航天大國的重視[1-5]。

如圖1所示，成像跟蹤系統(tǒng)典型的信號處理流程一般可粗分為單幀處理和幀間處理兩個部分，其中單幀處理包括空間濾波、圖像分割、區(qū)域標(biāo)記和特征提取等幾個環(huán)節(jié)，幀間處理包括軌跡關(guān)聯(lián)和目標(biāo)識別兩個環(huán)節(jié)。圖像分割是提取目標(biāo)信息的第一步，是所有后續(xù)處理環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。因此從某種意義上來說，分割算法的性能好壞直接決定了跟蹤系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。目前常用的圖像分割方法有三種：取閾值法、區(qū)域生長法和分水嶺法[6]。取閾值法由于計算簡單，運算效率高，成為圖像分割中廣泛采用的方法，特別適用于目標(biāo)和背景占據(jù)不同灰度級范圍的圖像。根據(jù)閾值的計算方式不同，取閾值法又可分為基于像素灰度和基于像素分布兩大類[7]。基于像素灰度即根據(jù)背景與目標(biāo)灰度值的差異，利用均值、方差等統(tǒng)計信息完成目標(biāo)分割?；谙袼胤植挤椒ㄖ?，直方圖分割是最常見的，通過統(tǒng)計像素灰度分布，在目標(biāo)灰度集中點和背景灰度集中點之間選取一個灰度分布極小值作為閾值。

本文將結(jié)合任務(wù)特點，對常用閾值分割算法進(jìn)行有針對性的深入分析，通過對仿真視頻的實際拍攝圖像進(jìn)行分割試驗，分析算法的性能與效率，最終選出適合空間目標(biāo)圖像分割的算法。

2 圖像特征分析

讓我們從分析圖像的特點開始討論分割算法的有關(guān)問題。圖2所示依次是搜索跟蹤過程中不同大小的目標(biāo)和波門內(nèi)的灰度統(tǒng)計直方圖。

可以看到：

1） 在距離較遠(yuǎn)的點目標(biāo)階段，由于目標(biāo)沒有充滿瞬時視場，圖像中的目標(biāo)不但像素少，灰度也比較低，波門內(nèi)的直方圖完全是以背景灰度的單峰分布為主。

2） 當(dāng)目標(biāo)逐漸變大以后，亮度隨之增加（充滿瞬時視場后不再增加），波門內(nèi)的直方圖慢慢呈現(xiàn)出一個典型的雙峰分布，而且兩峰之間有一個較寬的波谷，幾乎就是圖像分割中最容易處理的圖像。背景的均值沒有變化，只是起伏有所增加。需要說明的是，背景的灰度峰中存在著“子雙峰”，這是由于在仿真的過程中增加了強側(cè)照光來模擬雜散光的緣故。真實太空環(huán)境下的雜散光非常弱，不足以產(chǎn)生灰度子峰。而目標(biāo)灰度峰中的“子峰”則真實地反映了目標(biāo)不同部位的灰度差異。

可以這樣來總結(jié)上面的分析：1） 目標(biāo)亮度高于背景；2） 在空間環(huán)境下，目標(biāo)由于距離、姿態(tài)和光照條件等的變化，會造成圖像中目標(biāo)的灰度發(fā)生很大的變化，而且面目標(biāo)內(nèi)部不同部位的灰度也會有較大的差別，相比之下，由探測器的暗信號和極少量的雜散光形成的背景圖像卻十分穩(wěn)定，在直方圖中表現(xiàn)為一個均值不變的波峰，而且左右近乎對稱。因此分割的關(guān)鍵在于對背景的準(zhǔn)確估計，包括均值、方差和起伏等。

3 算法特點分析

5 結(jié)論

通過成像試驗可以看到，雖然Otsu算法使用窮盡的方法來得到最佳閾值，運算量比較大，但是它在目標(biāo)大小的不同階段，直方圖呈單峰分布或雙峰分布，都可以給出非常好的分割結(jié)果，而算法的魯棒性恰恰是在航天應(yīng)用中最需要考慮的一個因素。

參考文獻(xiàn)：

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