CN103839218B - 一种二维图像数据转换一维脉冲数据方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维图像数据转换一维脉冲数据方法，利用扫描方法对红外图像进行扫描，把图像的灰度信息转换成脉冲信息。通过该方法可以达到两种目的：一是可以利用现有的红外图像数据库对点源体制的红外制导系统的目标检测与跟踪算法进行测试、评估；二是便于通用化的目标特性数据库的建立，便于不同体制的制导系统进行性能评比。本发明的优点和有益效果是：点源体制的目标特性数据库建立的成本低、周期短，有利于红外制导系统的先期研究、中期研制和后期评估；便于搭建通用化的信息处理评估平台，有利于系统、全面的评估不同体制的红外制导系统的性能。

Description

一种二维图像数据转换一维脉冲数据方法

技术领域

本发明涉及红外制导技术，具体地说是一种将二维的红外图像序列目标特性数据转为一维的红外脉冲目标特性数据的方法。

背景技术

红外精确制导武器已成为现代战争中最主要的攻防手段之一，是世界各国正在大力研发的一项高新技术。如何有效的评价红外制导系统的应用性能就成为红外导引头研制过程中的一个重要问题。仿真技术是降低武器系统研制成本、缩短研制周期、提高耗费比的关键，而仿真的关键环节是生成包含目标的动态红外目标特性数据库。数据库的建设的主要手段包括外场数据采集与实验室仿真建模两种，所生成的数据库都是包含目标和背景的二维的红外图像信息。

目前，基于红外图像数据的半实物仿真主要有两种方式，景象投影方式和信号注入方式。在景象投影方式下，红外场景信号经过投影系统转换成相应频段的红外动态图像，然后提供给红外导引系统的光学及传感器部分，供导引头进行探测和识别。西北工业大学的张凯在2011年的红外与激光工程上发表的论文《红外动态场景目标模拟系统设计》，采用1280×1024规模的微反射镜阵列（DMD）为核心器件，通过电子方法开关这些反射镜，设计开发了基于DMD的红外动态目标模拟系统，把红外图像数据投射产生动态图像显示。另外，中国空空导弹研究院的张二磊在2011年的电子科技上发表的论文《基于DMD的动态红外场景生成系统》也利用类似的方案把软件生成的红外图像，利用DMD技术对黑体红外辐射进行反射调制，并由光学准直系统投射产生动态红外场景图像。景象投影方式的难度大、系统造价昂贵，难以广泛的采用。

信号注入方式，是把计算机生成的目标/背景信号直接注入到被测系统的信号处理器，绕过了传感器部件和光学系统。中国电子科技集团第二十七所的尹哲春在2010年的电子设计工程上发表的论文《基于DSP的成像制导仿真图像生成技术研究》，以及西北工业大学的晁鲁静在2011年的飞行器测控学报上发表的论文《基于RT-LAB的半实物仿真系统研究》等，都介绍了把仿真图像直接注入到信息处理模块进行目标检测、识别和跟踪的仿真测试。这种方式的优点是简单，能够真实的测试出制导系统的信息处理算法的性能，容易被大范围的采用。然而，点源红外制导系统的图像处理是不同于成像导引头的，由于点源是将两维的红外图像转换为一维的信号进行脉冲的检测和识别，所注入的红外图像数据不能被直接的进行信息处理，因而制约着信号注入方式半实物仿真在点源体制制导系统的应用。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供一种二维图像数据转换一维脉冲数据方法，利用这种方法，不管是由外场数据采集、飞行试验、还是由实验室仿真建模所生成的红外图像数据库，都可以通过注入式的方式代入到红外制导系统的整个仿真模块，为研究目标检测、跟踪与识别算法以及测试导引头信息处理机的性能提供测试源。

为达到上述发明目的，本发明的一种二维图像数据转换一维脉冲数据方法，其包括如下步骤：

1)抽取红外图像数据库中的图像

红外图像源是红外目标特性图像数据库中的图像序列，对每帧图像进行一个周期的玫瑰线扫描，周期的大小由重复扫描频率确定；

2)对红外图像进行插值扩容

对图像扫描过程中目标能量的计算，保留图像较多的信息，对红外图像进行插值扩容处理；

3)对红外图像的扫描以及基准的建立

对红外图像的扫描方式由具体的红外制导系统的脉冲体制决定，对图像的扫描要映射到图像平面进行，完成图像的扫描以及转换生成的脉冲数据的解算需要建立基准信号；

4)脉冲幅值的自动增益控制

对图像进行扫描产生的脉冲信号，其幅度及宽度均有所不同，脉冲幅值的自动增益控制将所有背景噪声以及目标能量归一化处理；

5)脉冲位置解算

脉冲峰值时刻即为扫描系统经过目标的最接近中心位置时所形成的能量最大值点，根据基准信号和扫描方程即可计算出目标点的位置。

所述的步骤3中，基准信号的建立是驱动图像扫描以及目标位置唯一解算的基础，利用同频率方波信号的上升沿信号来进行控制。

通过建立基准信号，利用扫描方法对红外图像进行扫描，在扫描的过程中，计算瞬时视场所覆盖的图像像素的灰度值总和（即为目标或者背景的能量大小），把图像的灰度信息转换成随时间变化的脉冲信息。这样所建立起的脉冲信息包含了目标的能量信息以及由基准信号和扫描方程所确定的目标的位置信息，完成了把二维图像数据转换成一维脉冲数据的转换过程。

本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1)目标特性数据库建立的成本低、周期短；

2)有利于点源体制的红外制导系统的先期研究、中期研制和后期评估；

3)便于搭建通用化的信息处理评估平台，有利于系统、全面的评估不同体制的红外制导系统的性能。

因此，本发明在精确制导领域的研究中有着广泛的应用前景。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明方法的总体方案流程图；

图2 a、图2b是本发明扩容前、后的红外图像；

图3是对图像进行玫瑰线扫描的实施例示意图；

图4是本实施例玫瑰线扫描周期所生成的脉冲数据图。

具体实施方式

本发明方法的具体实施步骤通过结合附图进行详细说明。

如图1所示，是本发明方法的总体方案流程图，该方法对红外图像进行特定模式的扫描，在扫描的过程中计算瞬时视场内的图像像素的灰度值总和，把图像的灰度信息转换成随时间变化的脉冲信息。

1)抽取红外图像数据库中的图像

红外图像源是通过外场数据采集或者实验室仿真建模所产生的红外目标特性图像数据库中的图像序列，原则上对每帧图像进行一个周期的玫瑰线扫描，周期的大小由玫瑰线的重复扫描频率确定。

2)对红外图像进行插值扩容

红外目标特性数据库中的图像由各种方式建立，一般来说通过仿真建模的方式所生成的红外图像可以具有很高的分辨率，但是外场数据采集或者飞行试验所产生的红外图像受到采集系统的限制不能保持很高的分辨率。为了方便对图像扫描过程中目标能量的计算，希望图像能保留较多的信息，因此有必要对红外图像进行插值扩容处理。常规的插值算法包括最临近点插值、双线性插值、双三次插值、拉格朗日插值等算法。通常插值精度要求越高算法越复杂，而目标特性数据库中的红外图像序列可能会有上百帧甚至是几千帧，因此要在插值的精度和算法的复杂度中寻求一个合适的插值算法。如图2a为原始512×512像素的图像，图2b为采用双线性插值算法扩容后的1024×1024像素的图像。

3)对红外图像的扫描以及基准的建立

对红外图像的扫描方式应该由具体的红外制导系统的脉冲体制决定，如图3所示，本方法以玫瑰线扫描体制的红外制导系统为例对图像进行扫描，图中详细描述了扫描视场、瞬时视场以及目标在红外图像中的对应关系。玫瑰线扫描采用了瞬时视场沿玫瑰线对图像进行全视场扫描的方式，可以通过两个反向的按照不同频率进行圆锥扫描的系统合成玫瑰线扫描图案，玫瑰线轨迹是瞬时视场中心的运动轨迹，玫瑰线扫描轨迹方程为：

其中表示瞬时视场的中心位置坐标；ρ表示玫瑰线扫描半径，也就是扫描视场的半径；表示光学系统中次镜的旋转频率；表示光学系统中主镜的旋转频率。

对图像的玫瑰线扫描要映射到图像平面进行，其中最重要的步骤是扫描参数的确定。扫描视场ρ应该与目标特性数据库中所生成的图像视场对应起来，并且考虑到图像扩容对视场的影响。如图像数据库中的图像视场为4°，2倍扩容后图像对应的视场为8°，定义实际的玫瑰线扫描视场为2°，扩容后的图像的扫描视场则应为4°，对应的ρ取为扩容图像的尺寸的1/2。在对图像的扫描中，为了减小背景噪音，瞬时视场应尽可能的取小同时兼顾目标的尺寸，取得过小又不能保证对全视场的覆盖率而降低整个系统的性能。这里给出瞬时视场的经验值，取全视场的1/10。

为了完成对图像的扫描以及保证转换生成的脉冲数据能够被唯一解算，必须建立基准信号，基准信号用来代表玫瑰线扫描系统的两个旋转频率、， 可以利用同频率方波信号的上升沿信号来进行控制。、决定了扫描系统的扫描速率、扫描重复频率（为和的最大公约数）、以及玫瑰线的花瓣数。

脉冲形成的关键在于图像扫描过程中的目标能量的计算。根据两个基准信号，可以把任意时刻扫描瞬时视场在图像中所对应的坐标计算出来，瞬时视场坐标内的所有像素的灰度值进行累加计算即可得到目标能量大小。如系统采用的扫描参数为、，得到扫描的帧频为，对应一个扫描周期为0.04s，当目标点处于扫描视场中心时，可以输出15个脉冲，如图4所示。

4)脉冲幅值的自动增益控制

对图像进行扫描产生脉冲信号，由于目标所占有的像素点以及灰度大小均有所不同，即使是对于同样的目标，扫过边缘和中心时，脉冲信号的幅度及宽度均有所不同。因此，需要确定一个阈值，当脉冲幅值大于阈值时认为是目标，脉冲幅值小于阈值时认为是背景噪声。脉冲幅值的自动增益控制就是为了将所有背景噪声以及目标能量归一化，以方便信息处理所进行的必要步骤。自动增益计算公式如下：

，其中

上式中，为构成脉冲点的值；为自动增益系数；为一个扫描周期中生成所有脉冲的幅值的平均值；为回差设计，便于脉冲幅值的稳定控制。

5)脉冲位置解算

脉冲峰值时刻即为扫描系统经过目标的最接近中心位置时所形成的能量最大值点，根据两个基准信号的差值即可计算出该目标点的位置，即为：

其中，为脉冲峰值时刻所对应的目标位置点，和为脉冲峰值时刻与两个基准信号时刻的差值。

通过本发明方法的5个步骤，即可完成对二维红外图像数据对一维红外脉冲数据的转换，相应的脉冲数据库便可以建立起来。

Claims (2)

1.一种二维图像数据转换一维脉冲数据方法，其特征在于包括如下步骤：

1）抽取红外图像数据库中的图像

红外图像源是红外目标特性图像数据库中的图像序列，对每帧图像进行一个周期的玫瑰线扫描，周期的大小由重复扫描频率确定；

2）对红外图像进行插值扩容

对图像扫描过程中目标能量的计算，保留图像较多的信息，对红外图像进行插值扩容处理；

3）对红外图像的扫描以及基准的建立

对红外图像的扫描方式由具体的红外制导系统的脉冲体制决定，对图像的玫瑰线扫描要映射到图像平面进行，完成图像的扫描以及转换生成的脉冲数据的解算需要建立基准信号；

玫瑰线扫描采用了瞬时视场沿玫瑰线对图像进行全视场扫描的方式，通过两个反向的按照不同频率进行圆锥扫描的系统合成玫瑰线扫描图案；

基准信号用来代表玫瑰线扫描系统的两个旋转频率、，根据两个基准信号，把任意时刻扫描瞬时视场在图像中所对应的坐标计算出来，瞬时视场坐标内的所有像素的灰度值进行累加计算即得到目标能量大小；

4）脉冲幅值的自动增益控制

对图像进行扫描产生的脉冲信号，其幅度及宽度均有所不同，脉冲幅值的自动增益控制将所有背景噪声以及目标能量归一化处理；

5）脉冲位置解算

脉冲峰值时刻即为扫描系统经过目标的最接近中心位置时所形成的能量最大值点，根据基准信号和扫描方程即可计算出目标点的位置，即为：

其中，为脉冲峰值时刻所对应的目标位置点，和为脉冲峰值时刻与两个基准信号时刻的差值，ρ表示玫瑰线扫描半径。

2.根据权利要求1所述的二维图像数据转换一维脉冲数据方法，其特征在于： 所述的步骤1）至步骤3）中，基准信号的建立是驱动图像扫描以及目标位置唯一解算的基础，利用同频率方波信号的上升沿信号来进行控制。