[发明专利]基于高斯模型的红外弱小目标图像仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于红外图像处理领域，尤其涉及一种基于高斯模型的红外弱小目标图像仿真方法，生成的红外图像可以用于红外弱小动目标检测与跟踪算法的性能评估、原理验证等应用。

背景技术

因为红外探测有着全天候、被动探测等优点，由红外器件组成的侦查告警系统有着雷达等系统等无可比拟的优势，从而被广泛应用在各类侦查告警系统中。为尽快完成目标的检测与跟踪，则需要在距离较远处完成该操作。此时，目标信号强度较弱，信噪比较低；形状较小，在图像中仅占几个像素，这使目标表现为红外弱小目标。有效的检测跟踪算法是红外告警系统的核心技术。

通常，为给检测跟踪算法的仿真验证提供精确、可控和可重复的设计依据和实验条件，需要大量已知目标位置和目标特性的红外弱小目标图像序列。当前，红外弱小图像序列的获取主要方式为实地拍摄的方法和仿真的方法。采用实地拍摄的方法即是通过红外热像仪对真实的弱小目标进行拍摄采集来获取图像，通常目标的运动特性和辐射特性难以控制。并且，标定目标坐标位置也将花费较多的精力和时间，这使得该方法并不适合实验室中的大量仿真验证。所以，通过仿真来生成红外目标图像是进行研究分析的一条有效的技术手段，是实地拍摄方法的有效的技术补充。

目前，红外图像仿真方法主要有计算仿真和半实物仿真的方法。其中，计算仿真的方法通过已标定的物体的红外光谱辐射特性曲线，按照严格的映射关系，将物体的红外辐射数值映射到物体的形状模型上来获得仿真的红外图像。如周强等人在《光学技术》2015年第41卷第1期上发表的《基于可见光图像的近红外场景仿真》中，提出了一种利用典型地物的光谱反射率和经过定标后的CMOS相机采集的典型地物的图像，来仿真计算红外场景的仿真技术。该方法通过结合相机辐射定标结果和地物目标的反射率建立了可见光、近红外图像灰度值的映射关系，通过对简单场景进行图像分割，并利用查找表即可快速的将可见光图像转化为近红外图像。由于该方法采用了可见光相机进行采集，所以该方法可以获得内容丰富的图像场景。但因为其依赖于获得精确的物体红外光谱反射率和准确的可见光/红外映射模型，这使得其对图像纹理等细节处难以有效的进行仿真，使得仿真图像的细节处与真实的红外图像相比存在较大失真，进而使嵌入的目标信息与真实目相比吻合度较低。

半实物仿真的方法，是通过红外探测器对模拟的红外弱小目标进行成像，来获得红外弱小目标仿真图像。如武迪等人在《红外技术》2015年第37卷第1期上发表的《一种红外场景/点源目标模拟器技术研究》中，提出了一种红外场景/点源目标模拟器，该模拟器包括点源目标/干扰通道、中继光学系统、成像通道、多目标复合系统、运动控制系统和机械支撑及连接结构，可以同时模拟一路点源目标，四路点源干扰和一路红外场景。由于该仿真装置采用了真实的红外探测器对场景进行采集，所以其获得的红外图像有着较高的图像分辨率和丰富的细节特征。但由于该装置由了多个系统和连接装置组成，使得其结构复杂，制作成本高，实现难度较大。此外，由于该装置仅采用点光斑的方法仿真红外目标，使得目标的辐射特性和运动特性无法按需调整。并且采集到的红外图像中的目标位置仍需进行再次定位，增量了算法仿真的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于高斯模型的红外弱小目标图像仿真方法，用于解决现有仿真方法不能同时实现仿真图像的细节丰富、仿真装置结构简单和仿真目标参数可以控制的问题。

本发明的技术思路是，根据高斯分布可以有效的反应红外弱小目标辐射分布的特性，通过二维离散高斯模型对红外弱小目标进行建模来获得仿真的红外弱小目标模型，再采用真实拍摄的红外背景图像序列作为仿真用的背景图像序列，通过所需的红外弱小目标运动航迹类型，将仿真的红外弱小目标映射到背景图像序列，进而获得仿真的红外弱小目标图像序列。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：

1.一种基于高斯模型的红外弱小目标图像仿真方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)获取红外背景图像序列：

(11)使用红外热像仪对真实红外背景进行连续采集，得到原始红外背景图像序列；

(12)对得到的原始红外背景图像序列进行裁剪；

(13)对经过裁剪的原始红外背景图像序列的边缘进行镜像扩展，使该图像序列的边缘处也可以产生精确的仿真目标；

(2)获取仿真的红外弱小目标模型：

(21)设置仿真的红外弱小目标参数，包括仿真的红外弱小目标大小和信噪比SNR；

(22)计算仿真的红外弱小目标的像素峰值s，即