专利名称：一种图谱一体化的时变对象光谱信息获取方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于遥感、监视和光谱数据采集领域，具体涉及时变对象的光谱数据采集
方法与装置。
背景技术：
光谱数据采集技术主要研究采集场景或感兴趣目标的光谱数据的方法和技术。该 技术广泛应用于遥感领域，为研究各种目标背景的光谱特性，进而对场景进行分类、监视与 目标探测识别提供数据基础。 通常对场景光谱数据的采集使用多光谱/超光谱成像传感器。多光谱/超光谱成 像传感器具有一定的视场、角分辨率、谱分辨率，多光谱/超光谱成像传感器进行一次数据 采集的过程即是对其视场内的每一个像素对应的场景区域采集特定波长范围的光谱数据， 其每次采集的数据形成一个图像立方体，该立方体具有两个空间维度和一个光谱维度。
在许多实际应用中，需要利用光谱特性对动态场景进行监视或者进行机动目标自 动检测识别，此时光谱数据采集过程关注的是时变对象。时变对象即具有时间变化特性的 目标，例如海面运动的船舶、火灾等突发事件、运动的车辆、飞行中的飞机等。对时变对象进 行光谱数据采集要求传感器反应速度足够快，能够实时采集随时间变化的目标光谱数据。
对于时变对象光谱数据采集，现有的多光谱/超光谱成像传感器存在两个缺点 (一)价格昂贵；(二)因为需要在每个象素、每个精细谱线处采集数据，故其积分时间长， 反应速度慢，不适合时变对象的光谱数据采集。 为克服上述两个缺点，本发明提出了图谱一体化的光谱信息获取方法，并设计了 实现该方法的宽谱成像传感器与非成像光谱传感器相结合的装置方案，以采集时变对象的 光谱数据。首先由宽谱成像传感器获取场景图像，其次使用图像处理方法自动确定场景中 时变对象所在的感兴趣区，或人工判决确定时变对象感兴趣区，然后由非成像光谱传感器 逐一快速获取所有感兴趣区的光谱数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图谱一体化的时变对象光谱信息获取方法，反应速度 快，成本低，适合时变对象光谱数据的智能化采集，提高了采集光谱数据的效费比。
本发明还提供了实现上述方法的装置。 —种图谱一体化的时变对象光谱信息获取方法，按照以下步骤进行
(1)采用成像传感器获取场景的当前帧图像； (2)在当前帧图像内提取至少一个的候选感兴趣区，各候选感兴趣区分别包含了 一个时变对象； (3)若当前时刻位于数据获取初始阶段，则直接将当前帧图像中各候选感兴趣区 确认为感兴趣区，并对各感兴趣区分别赋予标识初值；否则，分别将当前帧图像中的各候选 感兴趣区与上一帧图像获取的各感兴趣区进行关联，将关联成功的候选感兴趣区确定为感兴趣区，并将其标识赋值为与其关联成功的上一帧图像感兴趣区的标识；
(4)采用非成像光谱传感器获取当前帧图像各感兴趣区的光谱数据。
(5)重复步骤(1) (4)直到采集过程结束。
步骤(2)中候选感兴趣区按照如下方式确定 (21)对当前帧图像作图像增强处理，以突出潜在的候选感兴趣区；
(22)对图像增强后的当前帧图像进行二值分割，得到候选感兴趣区；
(23)提取各候选感兴趣区的特征。 —种时变对象光谱信息获取方法的装置，包括主控单元、成像传感器、光谱传感
器、红外分光镜头、跟踪反射镜和跟踪扫描转台，跟踪反射镜放在跟踪扫描转台上，主控单
元分别连接成像传感器、光谱传感器和跟踪扫描转台，成像传感器、光谱传感器还分别通过
红外分光镜头连接跟踪反射镜。 本发明的技术效果体现在( — )通过自动或人工参与确定场景中的感兴趣区，避免在不感兴趣区域采集光 谱数据，节省了同一场景光谱数据采集的时间，提高了反应速度。时变对象对光谱数据采 集装置的反应时间要求较高，而通常的多光谱/超光谱成像传感器采集数据需要较长的时 间，因此不适合时变对象光谱数据的采集。而本发明反应速度快，适合于时变对象的光谱数 据采集； ( 二 )多光谱/超光谱成像传感器价格昂贵，采集光谱数据的成本很高，本发明设
计了宽谱成像和非成像光谱传感器相结合的方案，降低了采集光谱数据的成本。
反应时间分析设宽谱成像图像大小为MAN像素，采集一帧图像的时间为t。秒，图 像中平均感兴趣区数为d个，非成像光谱传感器采集一次光谱数据的时间为tj少。具有相 同空间分辨率的超光谱成像传感器，其每次成像时间^秒，波段数为P个。对同一场景，使 用本发明采集光谱数据的时间约为t。+d ，tp超谱成像时间t2秒，令n。 = t"tp则本发明 采集数据时间与超光谱成像传感器采集数据时间之比为ratio = (t。+d t》/( n。
t》，令 1 = t。/、，贝U ratio = ( l+d)/ ilo。 —般地，同一场景中关注的时变对象个数d《5 ;在我们的方案中，Bruker公司的 IRcube傅立叶光谱仪参数波长范围1. 5 5微米(波数10000cm—1 1818cm—0 ，波谱分 辨率为100cm—、谱段数为82，其扫描速度为10000Hz，因此其获取一个感兴趣区光谱数据的 时间为0. 0082秒；对比TEL0PS公司的FIRST-丽E超光谱成像仪，当选择其波谱分辨率与 IRcube相同(100cm—0 ，其测量频率约为0. 5Hz，即其获取一个场景的数据需要的时间为2 秒，此时n。> 240。通常采集一帧宽谱图像的时间远小于采集一次光谱数据的时间，即l < l，此时ratio < 0.025。因此， 一般可认为ratio的值在0. 1以下，即本装置反应时间相 比通常的超谱成像传感器下降一个数量级。 成本分析超光谱成像传感器80万美元以上，我国尚不能生产；本发明主要成本 由四部分构成， 一种方案为傅立叶光谱仪7万美元，非制冷长波红外成像仪3万美元，光学 系统4万美元，其它部件(包括软件)2万美元，总成本约16万美元，在此方案中，本发明的 成本仅约为超光谱成像传感器的20%，即成本下降80%，可立足于我国技术生产。
理论计算和仿真试验表明，本发明采集时变对象的光谱数据需要的时间比通常的 超光谱成像传感器下降幅度超过一个数量级。装置成本下降幅度超过80%。
图1为图谱一体化的时变对象光谱信息获取方法；
图2为图谱一体化的时变对象光谱信息获取装置； 图3为三帧长波红外宽谱(8 12iim)图像，图3 (a) 、 (b) 、 (c)分别为7:00、4:00
和22:00时刻图像示意图； 图4为多级滤波方法示意图； 图5为三帧宽谱图像的多级滤波结果，图5(a) 、 (b) 、 (c)分别为图3(a) 、 (b) 、 (c) 的滤波结果； 图6为宽谱图像的分割结果和感兴趣区标识结果，图6(a)、 (b) 、 (c)分别为图 3(a)、(b)、(c)中三帧宽谱图像的分割结果示意图，6(a' )、(b' )、(c')分别为图3(a)、
(b) 、 (c)中三帧宽谱图像的感兴趣区标识结果示意图； 图7为时变对象1各部分在时间为7:00时的波谱数据(3 14ym)示意图，7(a) 为上层建筑和甲板的波谱，7(b)为烟囱和动力舱的波谱； 图8为时变对象1各部分在时间为14:00时的波谱数据(3 14 y m) 。 8 (a)为上 层建筑和甲板的波谱，8(b)为烟囱和动力舱的波谱； 图9为时变对象1各部分在时间为22:00时的波谱数据(3 14ym)示意图；
图10为海水的波谱数据(3 14ii m)示意图。
具体实施例方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步的说明。 工作方式有人工工作方式和自动工作方式两种。在初始阶段通过人工方式确定感 兴趣区，以后的阶段转入自动工作方式；初始阶段持续时间可以根据不同的数据采集任务 设定，通常设定为进行前5次数据采集的时段。
本发明光谱信息获取方法具体为 (1)采用宽谱成像传感器对包含感兴趣区的场景成像。如图3所示，图3(a)、(b)、
(c) 为三个不同时刻的长波红外宽谱(8 12ym)图像，时变对象为船舶。图3(a)、 (b)、 (c)的时间分别为7:00， 14:00和22:00，场景中有两个时变对象，在图3 (a) 、 (b)中，两个时 变对象是在运动中的；在图3(c)中，两个时变对象是停泊在海面上的。 (2)通过人为判断确定或者按照如下方式自动确定候选感兴趣区 ①首先对当前帧图像作图像增强处理，以突出潜在的感兴趣区；多级滤波方法如
图4所示。对对当前帧图像fin进行多级滤波，艮卩 f 。ut = (f in- (f in*LPl*Lp2*. Lpn)) *Lqi*Lq2*. Lq迈 其中LPl， Lp2， Lpn， LQl， Lq2， . . . Lqm均为低通滤波器，f。ut表示多级滤波结果，* 表示巻积，n和m都是可变的正整数。 图5(a) 、 (b) 、 (c)分别为图3(a) 、 (b) 、 (c)中三帧宽谱图像的多级滤波结果。② 然后对图像增强后的当前帧图像进行二值分割，得到候选感兴趣区； 大律法(0TSU)准则如下设图像灰度共有L级，像素共有N个，灰度级1，2，...， L所占的像素数依次为ni， n2，...，化，令
③提取各候选感兴趣区的特征。 设候选感兴趣区RGNV包含M个像素(Xl， y》，(x2， y2) ，. . . ， (xM， yM)，则提取各特征 的方法如下
形；|、— ZX。 S少'3
外接矩形高宽比^^『及='3=1-- - - —— 提取所有候选感兴趣区的特征后，从所有候选感兴趣区中排除虚假感兴趣区，方 法为预先设定感兴趣区的面积范围，将所有面积不在范围内的候选感兴趣区排除。
(3)在数据采集初始阶段时，直接将当前帧图像中各候选感兴趣区确认为感兴趣 区，并对各感兴趣区赋予一标识初值；初始阶段以后的数据采集过程中，则分别将当前帧图 像中的各候选感兴趣区与上一帧图像获取的各感兴趣区进行关联，将关联成功的候选感兴 趣区确定为感兴趣区，并将其标识赋值为与其关联成功的上一帧图像感兴趣区的标识。
感兴趣区关联方法用SET。OT = {RGNi4， i4 = 1，2，. . . n}表示当前帧中提取的所有 候选感兴趣区，用SETpre = {RGNi5，i5 = 1，2，. . .m}表示上一帧中提取的所有感兴趣区。对 SET。OT中的每一个候选感兴趣区，使用最近邻原则选择SETpre中与之相关联的感兴趣区。若 SETPM中某一感兴趣区RGN4是SET。m中多个候选感兴趣区的最近邻，则在SET。m中这多个候 选感兴趣区中选择距离RGN4最近者与RGN4进行关联，其余候选感兴趣区重新选择关联，直到SET。m中所有候选感兴趣区关联完毕。但在关联过程中可能出现以下两种特殊情形(a) SET。OT中出现了新的候选感兴趣区A，即SETPM中不存在与A关联成功的感兴趣区；(b) SETpM 中的感兴趣区B消失，即SET。m中不存在与B关联成功的候选感兴趣区。对于情形(a)，一 般对新出现的候选感兴趣区A赋予新的标识值，但是当总的候选感兴趣区A的个数大于实 际可能性，则抛弃不理；对于情形(b)，对感兴趣区B的数据采集过程结束。
图6(a)、 (b)、 (c)分别为图3(a)、 (b) 、 (c)中三帧宽谱图像的分割结果(左)和 感兴趣区标识结果(右)。图像中共两个时变对象，即两个在海面航行的船舶，时变对象1 在三帧图像中均处于下方，时变对象2均处于上方。
(4)对当前帧中提取的所有感兴趣区，由主控单元根据感兴趣区位置依次调整跟 踪扫描转台，使感兴趣区位于视场中心，并由非成像光谱传感器获取感兴趣区的光谱数据。
时变对象1的光谱数据实例如图7 9所示，光谱分辨率为0. 2 m，波谱范围3 14u m。 图7为时变对象1各部分在时间为7:00时的波谱数据。7(a)为上层建筑和甲板 的波谱，7(b)为烟囱和动力舱的波谱； 图8为时变对象1各部分在时间为14:00时的波谱数据。8(a)为上层建筑和甲板 的波谱，8(b)为烟囱和动力舱的波谱； 图9为时变对象1各部分在时间为22:00时的波谱数据。 注意到，时变对象1在7:00和14:00是正在运动的，而在22:00是停泊在海面上 的。 作为对比，图IO给出了典型背景——海水的波谱数据。因为海水的比热容很大， 在不同时相的温度比较稳定，所以其在不同时相的波谱数据是近似相同的，故图10中只给 出了一条波谱曲线。目标与背景波谱的统计数据如下(所有数据单位为W m—2 Sr—0 :
时相波谱特征甲板上层建筑烟囱动力舱海水
7: 00均值1.141.0984,9236.831.07
标准差0.560.5564.9525:670.55
14: 00均值1.312.8184.9236.831.07
标准差0.62Ul64.9525.670.55
22: 00均值1.171.311.720.691.07
标准差0.570.630.760.330.55 (5)重复(1) (4)，直到光谱数据采集过程结束。 图2给出了实现上述方法的装置，装置包括主控单元、成像传感器(红外成像仪)、 光谱传感器、红外分光镜头和跟踪扫描转台。 主控单元负责通过跟踪扫描转台控制跟踪反射镜，并收集同一视场内的图像和感 兴趣区的光谱信号。在光谱数据采集过程中，主控单元负责控制宽谱成像传感器与非成像 光谱传感器的交互，并标识感兴趣区，分别记录各个感兴趣区在多个时刻的特征数据和光
7谱数据。光谱数据采集的时间可以预先设定，也可随时由人工介入结束采集过程。 跟踪扫描转台接受主控单元的俯仰和偏航控制指令，根据指令调整跟踪反射镜的
俯仰和偏航角度，使得特定感兴趣区位于视场中心。 镜头组负责光路的初级汇聚，要求高透过率，并和大气窗口的透过波段相符；分光 系统把红外光分为两路，要求两路光能量均衡，两条光路共轴并且具有相同的中心视场；镜 头组将一路红外光汇聚到红外成像仪焦平面上；镜头组将另一路红外光汇聚到光谱传感器 里。 光纤固定在视场中心，收集3X3个像素的小区域内的光进入谱特性分析仪进行 光谱测量。 该装置通过跟踪反射镜的俯仰和偏航转动控制视场，使感兴趣区的影像移到视场 中心，从而可获取其光谱数据。
权利要求
一种图谱一体化的时变对象光谱信息获取方法，按照以下步骤进行(1)采用成像传感器获取场景的当前帧图像；(2)在当前帧图像内提取至少一个的候选感兴趣区，各候选感兴趣区分别包含了一个时变对象；(3)若当前时刻位于数据获取初始阶段，则直接将当前帧图像中各候选感兴趣区确认为感兴趣区，并对各感兴趣区分别赋予标识初值；否则，分别将当前帧图像中的各候选感兴趣区与上一帧图像获取的各感兴趣区进行关联，将关联成功的候选感兴趣区确定为感兴趣区，并将其标识赋值为与其关联成功的上一帧图像感兴趣区的标识；(4)采用非成像光谱传感器获取当前帧图像各感兴趣区的光谱数据。(5)重复步骤(1)～(4)直到采集过程结束。
2. 根据权利要求1所述的时变对象光谱信息获取方法，其特征在于，所述步骤(2)中候 选感兴趣区按照如下方式确定(21) 对当前帧图像作图像增强处理，以突出潜在的候选感兴趣区；(22) 对图像增强后的当前帧图像进行二值分割，得到候选感兴趣区；(23) 提取各候选感兴趣区的特征。
3. —种实现权利要求1所述时变对象光谱信息获取方法的装置，包括主控单元、成像 传感器、光谱传感器、红外分光镜头、跟踪反射镜和跟踪扫描转台，跟踪反射镜放在跟踪扫 描转台上，主控单元分别连接成像传感器、光谱传感器和跟踪扫描转台，成像传感器、光谱 传感器还分别通过红外分光镜头连接跟踪反射镜。
全文摘要
一种图谱一体化的时变对象光谱信息获取方法与装置，具体为获取场景的当前帧图像，在其内提取包含时变对象的候选感兴趣区，将各候选感兴趣区分别与上一帧图像获取的各感兴趣区进行关联，关联成功的被确定为感兴趣区，并将其标识赋值为与其关联成功的上一帧图像感兴趣区的标识，最后获取当前帧图像各感兴趣区的光谱数据。本发明还设计了实现上述方法的装置，包括主控单元、成像传感器、光谱传感器、红外分光镜头、跟踪反射镜和跟踪扫描转台。本发明提出了宽谱成像和非成像光谱获取相结合的数据采集方法，与常规对整个场景所有区域采集光谱数据的方法相比，反应速度快，成本低，适合时变对象光谱数据的智能化采集，提高了采集光谱数据的效费比。
文档编号G01S7/481GK101702021SQ200910272679
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者孙协昌, 张天序, 张新宇, 徐利成, 方正, 易新建, 曹治国, 李成, 桑农, 郑珍珠, 郑璐璐 申请人:华中科技大学