基于均值模型的红外弱小目标图像序列仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像处理技术领域，更进一步涉及红外图像处理技术领域中的基于均 值模型的红外弱小目标图像序列仿真方法。本发明可为针对高空远距离红外弱小目标检测 与跟踪算法的性能评估提供大量测试红外弱小目标图像序列，用来验证检测与跟踪算法的 有效性。
【背景技术】
[0002] 红外成像传感器已被广泛应用于现代武器装备中，红外成像传感器真实拍摄的红 外弱小目标图像序列无法提前已知红外弱小目标的具体位置，并且获得大量不同类型红外 背景下的红外弱小目标图像序列具有较大难度。但是验证红外弱小目标检测与跟踪算法的 性能时需要大量已知目标位置的红外弱小目标图像序列。解决该问题须使用红外弱小目标 图像序列仿真技术。
[0003] 目前，通过计算机建模仿真软件生成相应的红外弱小目标图像序列是一种有效的 技术方法。该方法生成的红外弱小目标图像序列缺失纹理细节信息，与真实的红外弱小目 标图像序列存在较大误差。无法为后续红外弱小目标检测与跟踪算法性能评估提供有效红 外弱小目标图像序列。
[0004] 通常进行外场实验要消耗大量的人力物力，稳定性和可重复性差，受天气影响较 大，通过计算机搭建半实物仿真平台，可以仿真红外弱小目标在不同红外背景下的红外弱 小目标图像序列，可以在实验室条件下实现，方便快捷，节省人力和物力。
[0005] 华中科技大学所申请的专利"一种基于景物分类的红外场景图像生成方法"（专利 申请号201110110316. 2,申请公布号CN 102270355 A)公开了一种基于景物分类的红外场 景图像生成方法，属于通过可见光遥感图像、地形数字高程模型及目标三维模型进行红外 场景图像的生成和仿真方法，该方法首先对场景进行分类并指定纹理类型；接着对分类后 的场景图像和数字高程模型建立场景三维模型；然后对场景三维模型的序列纹理文件进行 批量纹理材质自动映射并生成对应的序列纹理材质映射文件；最后载入大气参数模型、成 像模型和大气参数条件，完成红外场景图像的仿真输出，其中大气参数模型是通过成熟的 商业软件进行计算得到。本发明可为各型使用红外成像技术的飞行器提供模拟训练所需的 红外场景数据，降低飞行训练成本，同时也为红外成像制导武器系统的研制提供算法实验、 验证图像，提高研制效率，该方法存在的不足是：当仿真生成红外场景图像时，需要场景进 行分类并指定纹理类型，建立场景三维模型，生成映射文件，载入大气参数模型、成像模型 和大气参数条件，完成红外场景图像的仿真输出，步骤复杂，计算量大，并且生成的红外弱 小目标图像序列缺失纹理细节特征，与真实的红外弱小目标图像相比存在较大失真。
[0006] 中国科学院沈阳自动化研究所申请的专利"一种海天背景下多类目标的红外动态 场景实时仿真方法"（专利申请号201110447686. 5,申请公布号CN 103186906 A)公开了一 种海天背景下多类目标的红外动态场景实时仿真方法。该发明包括红外建模、场景构建、红 外计算、红外大气传输计算、红外场景实时生成、最后渲染生成红外场景实时仿真图像。该 方法仿真场景内容丰富，能在同一场景中包含海面、天空、舰船及多种型号的飞机。在复杂 场景情况下依然能满足实时要求，不仅根据当前数据实时构建动态场景，而且实时模拟声 场红外场景图像。该方法存在的不足是：无法控制红外弱小目标大小，红外弱小目标信噪 比，红外弱小目标运动速度，红外弱小目标航迹。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于均值模型的红 外弱小目标图像序列仿真方法，本发明可以显著丰富红外弱小目标图像的纹理细节特征， 控制红外弱小目标具体参数，仿真方法简单实用。
[0008] 为实现上述目的，本发明的具体步骤如下：
[0009] (1)采集图像背景：
[0010] (Ia)使用红外热像仪采集真实红外图像背景序列，得到原始红外图像背景序列；
[0011] (Ib)将原始红外图像背景序列的帧数i赋值为1 ;
[0012] (2)仿真红外弱小目标图像背景：
[0013] (2a)读入原始红外图像背景序列中第i帧原始红外图像背景，0 < i彡R，R表示 原始红外图像背景序列总帧数；
[0014] (2b)设置第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行和起始列为；
[0015] (2c)裁剪第i帧原始红外图像背景，得到大小为MXN的仿真红外弱小目标图像背 景，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数， 要求0彡M彡A，0彡N彡B，A表示原始红外图像背景序列中每一帧图像的行数，B表示原 始红外图像背景序列中每一帧图像的列数；
[0016] (3)对仿真红外弱小目标图像背景边缘进行镜像扩展；
[0017] (4)创建红外弱小目标模型：
[0018] (4a)设置红外弱小目标信噪比D，D在0 < D彡20范围内取整数值；
[0019] (4b)按照下式，计算红外弱小目标像素灰度值：
[0020] s = D X σ + μ
[0021] 其中，s表示红外弱小目标像素灰度值，D表示所设定的红外弱小目标信噪比，σ 表示以红外弱小目标型心为中心局部邻域内所有像素的标准差，μ表示以红外弱小目标型 心为中心局部邻域范围内所有像素的均值；
[0022] (4c)将红外弱小目标的大小设置为mXm像素，其中，m在0 <m彡10范围内取整 数值；
[0023] (5)设置红外弱小目标航迹：
[0024] (5a)将红外弱小目标运动速度设置为Δ X像素/帧，其中，Δ X在〇〈 Δ χ〈1〇范围 内取值；
[0025] (5b)将第i帧仿真红外弱小目标图像背景左上角顶点的像素点作为原点，水平向 右方向作为X轴，垂直向下方向作为y轴，建立第i帧仿真红外弱小目标图像背景航迹坐标 系；
[0026] (5c)判断仿真红外弱小目标图像背景帧数是否为1，如果是，执行步骤（5d);否 贝1J，执行步骤（5e);
[0027] (5d)将红外弱小目标在第1帧仿真红外弱小目标图像背景航迹坐标系中的横坐 标值设置为 Xl，〇 < X1S N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，按照下式，建立第1 帧仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型：
[0028] Y1= ax !+b
[0029] 其中，71表示红外弱小目标在第1帧仿真红外弱小目标图像背景航迹坐标系中的 纵坐标值，〇 < M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数，X 1表示红外弱小目标在第 1帧仿真红外弱小目标图像背景航迹坐标系中的横坐标值，〇 < X1S N，N表示仿真红外弱 小目标图像背景的列数，a表示仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型的斜率，b表示 仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型的截距，a和b的取值范围为：0 < aXl+b < M， M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
[0030] (5e)按照下式，建立除第1帧以外的仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模 型：
[0031]
[0032] 其中，^表示红外弱小目标在第i帧仿真红外弱小目标图像背景航迹坐标系中的 横坐标值，〇 < X1S N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，X i i表示红外弱小目标在 第（i-1)帧仿真红外弱小目标图像背景航迹坐标系中的横坐标值，〇 < X1 N，N表示仿真 红外弱小目标图像背景的列数，ΔΧ表示红外弱小目标运动速度，ΔΧ在〇〈Δχ〈1〇范围内取 值，71表示红外弱小目标在第i帧仿真红外弱小目标图像背景航迹坐标系中的纵坐标值，〇 < Y1彡M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数，a表示红外弱小目标航迹的直线模型 的斜