基于偏微分算法的弱小目標(biāo)檢測

聶素麗

摘 要

針對復(fù)雜背景中弱小目標(biāo)檢測難的問題，提出一種偏微分算法。該算法對紅外圖像進(jìn)行理論分析、偏微分方程法背景抑制、圖像分割進(jìn)行分析，并在DSP硬件平臺上，完成背景抑制、目標(biāo)聚類等功能。

【關(guān)鍵詞】偏微分 閾值 弱小目標(biāo)

1 引言

由于紅外探測系統(tǒng)探測到的弱小目標(biāo)往往對比度較低，目標(biāo)所占像素較少形狀結(jié)構(gòu)不完整，大大增加了紅外目標(biāo)檢測與跟蹤的難度。

為此，針對復(fù)雜背景中弱小目標(biāo)檢測難的問題， 本研究提出一種偏微分算法，對低信噪比的小目標(biāo)快速檢測并用DSP硬件平臺完成背景抑制、目標(biāo)聚類等功能。

2 偏微分算法

2.1 紅外弱小目標(biāo)圖像模型分析

圖像中的信息主要由圖像背景、目標(biāo)和噪聲組成。

I（x，y）=S（x，y）+B（X，Y）+N（x，y） （1）

其中：I（x，y）表示紅外圖像，S（x，y）表示圖像中的目標(biāo)，B（X，Y）表示圖像中的背景部分，N（x，y）代表圖像中的噪聲，它是隨機(jī)出現(xiàn)。在誤差允許的范圍內(nèi)白噪聲概率密度為：

其中σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖1是天空中的無目標(biāo)紅外圖像，圖2是有目標(biāo)的空中紅外圖像，從圖2中看到目標(biāo)在圖像中的亮度雖然不是最高的，但是目標(biāo)和背景的灰度值差別還是很大的。

2.2 偏微分方程法背景抑制

在處理紅外圖像時，偏微分方程法用八種不同的模型（圖3中1～8）分別表示圖像中的特征信息。

其中，I和u分別為原始圖像和背景抑制后圖像。H為局部自適應(yīng)算子，加權(quán)系數(shù)λN、λw、λS、λE為一階鄰域內(nèi)四個方向上的擴(kuò)散量。由式（4）和（5）可以看出，采用非線性處理方法抑制背景、提高圖像的信噪比，并且不會削弱或去除圖像中的主要特征信息。

2.3 紅外圖像分割

紅外圖像經(jīng)過前期的背景抑制以后，圖像中的信噪比得到了極大的提高，有利于圖像的分割。

本研究中就是使用最大類間方差法對圖像進(jìn)行閾值分割。

運算步驟如下：

（3）在1～M中，循環(huán)計算σ2（k），當(dāng)計算的方差值最大時，此時找到最大的類間方差對應(yīng)的k，即為我們尋找的最佳閾值。

根據(jù)圖5可以看出目標(biāo)被精確的檢測出來，并沒有誤檢出噪聲，具有較好的檢測效果。

2.4 目標(biāo)聚類

在本系統(tǒng)處理紅外弱小目標(biāo)時，采用兩步聚類算法。避免了將同一目標(biāo)不同的幾個部分將會被看作多個目標(biāo)。二次聚類，將相鄰的很近的幾個區(qū)域聚類在一起，作為同一個目標(biāo)，降低了對目標(biāo)的誤檢率。

3 DSP模塊介紹

本系統(tǒng)中采用TMS320C6414芯片為核心，對目標(biāo)完成檢測和跟蹤算法，系統(tǒng)框圖如圖6所示。

DSP芯片主要完成如下功能：

（1）通過EMIFA口，存儲待處理的圖像數(shù)據(jù)。

（2）從外部數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中調(diào)入圖像數(shù)據(jù)，對運動目標(biāo)進(jìn)行檢測并確定其定位。

（3）負(fù)責(zé)從FPGA獲取圖像數(shù)據(jù)，通過背景抑制、閾值分割、目標(biāo)跟蹤等算法完成對目標(biāo)的檢測和定位。

4 試驗結(jié)果

輸入一幀原始圖像，在二級緩存中開辟空間，將圖像存儲在L2中。

進(jìn)入算法程序之后，首先對輸入圖像進(jìn)行背景抑制并采取閾值分割二值化處理，結(jié)果如下：圖像中出現(xiàn)7個目標(biāo)，目標(biāo)個數(shù)存在All_Loc[0]中，坐標(biāo)位置以圖像左下角為坐標(biāo)原點，[1][2]、[3][4]、[5][6]、[7][8]、[9][10]、[11][12]、[13][14]分別為7個目標(biāo)坐標(biāo)。其中真實目標(biāo)出現(xiàn)2個坐標(biāo)點，分別為（11，105），（10，107）。

經(jīng)過二次形心聚類，得到聚類后目標(biāo)個數(shù)及坐標(biāo)位置，目標(biāo)個數(shù)5個，真實目標(biāo)坐標(biāo)變?yōu)椋?0，106）。

5 結(jié)論

本文主要研究了基于偏微分方程和自適應(yīng)閾值分割方法實現(xiàn)對運動目標(biāo)的檢測，以此為載體充分分析了弱小目標(biāo)檢測過程中的每一個步驟，進(jìn)行了仿真計算并對仿真結(jié)果進(jìn)行了一定的總結(jié)，有效的解決了復(fù)雜背景下的弱小目標(biāo)檢測難的問題，有著現(xiàn)實的意義。

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