CN105072311B - 红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列仿真方法，主要用来生成大量测试红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像场景。其方法实现包括：采集图像背景并仿真目标图像背景，创建目标模型，设置目标航迹，合成目标图像，设置抖动参数，生成抖动偏移量，计算抖动后成像行数，计算抖动后成像信号，生成抖动目标图像，输出红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列。本发明具有计算量小，红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像真实度高，纹理细节特征丰富并且红外弱小目标大小，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，红外扫描相机抖动参数可控制的优点。
Description
技术领域
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一种红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列仿真方法。本发明可为红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像的性能评估提供大量测试红外扫描相机抖动红外弱小目标图像序列，用来验证红外弱小目标检测算法的有效性。
背景技术
红外扫描相机已被广泛应用于现代武器装备中，红外扫描相机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图像抖动程度，并且获得大量不同红外背景下的抖动红外弱小目标图像序列具有较大难度。但是验证红外扫描相机抖动对红外弱小目标检测性能时需要大量已知红外弱小目标图像抖动程度的抖动红外弱小目标图像序列。解决该问题须使用抖动红外弱小目标图像序列仿真技术。
目前，通过计算机建模仿真软件生成相应的抖动红外弱小目标图像序列是一种有效的技术方法。该方法生成的抖动红外弱小目标图像序列缺失纹理细节信息，抖动参数不可控制，与真实的抖动红外弱小目标图像序列存在较大误差。无法为红外扫描相机抖动对红外弱小目标检测性能评估提供抖动参数可控的抖动红外弱小目标图像序列。
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和不同抖动参数下的抖动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。
展讯通信(上海)有限公司所申请的专利“图像抖动方法和系统”(专利申请号201380001045.4，申请公布号CN 104303226 A)公开了一种图像抖动方法，所述方法包括分析所述图像的多个像素的各个像素，所述各个像素具有整数值N位的颜色深度；确定所述图像的各个像素的索引值、与所述图像各个像素的特定颜色分量相关的数值、和与所述图像各个像素的特定颜色分量相关的阈值。其中，间隔着预定数量像素的所述图像的像素具有相同的阈值。所述方法还包括，基于所述确定，修订所述图像的各个像素以使其具有整数值M位的颜色深度，所述整数值M小于所述整数值N，该方法存在的不足是：当仿真生成红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列时，遍历红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像的所有像素的计算量大，并且该方法无法控制仿真红外弱小目标图像抖动程度。
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：当仿真生成红外抖动目标图像时，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，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，并且该方法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
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种红外扫描相机抖动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，控制抖动程度，仿真方法简单实用。
为实现上述目的，本发明的具体步骤如下：
(1)采集红外图像背景：
(1a)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；
(1b)将原始红外图像背景序列的帧数i赋值为1；
(2)仿真红外弱小目标图像背景：
(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≤R,R表示原始红外图像背景序列总帧数；
(2b)设置第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行和起始列；
(2c)裁剪第i帧原始红外图像背景，得到大小为M×N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≤M≤A，0≤N≤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；
(3)对仿真红外弱小目标图像背景边缘进行镜像扩展；
(4)创建红外弱小目标模型：
(4a)设置红外弱小目标信噪比D，D在0＜D≤20范围内取整数值；
(4b)按照下式，计算红外弱小目标像素灰度值：
s＝D×e+c
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，e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，c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；
(4c)将红外弱小目标的大小设置为m×m像素，其中，m在0＜m≤10范围内取整数值；
(5)设置红外弱小目标航迹：
(5a)将红外弱小目标运动速度设置为Δx像素/帧，其中，Δx在0<Δx<10范围内取值；
(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；
(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)；否则，执行步骤(5e)；
(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x1,0＜x1≤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：
y1＝ax1+b
其中，y1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，0＜y1≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数，x1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,0＜x1≤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＜ax1+b≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
(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：
其中，xi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，0＜xi≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，xi-1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，0＜xi-1≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，Δx表示红外弱小目标运动速度，Δx在0<Δx<10范围内取值，yi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，0＜yi≤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率，b表示红外弱小目标航迹的直线模型的截距，a和b的取值范围为：0＜axi+b≤M；
(6)合成仿真红外弱小目标图像：
(6a)按照下式，设置仿真红外弱小目标图像序列总帧数：
0＜L≤min((N-x1)/Δx,R)
其中，L表示仿真红外弱小目标图像序列总帧数，min(·)表示最小值操作，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，x1表示红外弱小目标在仿真红外弱小目标图像序列第1帧中的横坐标值，Δx表示红外弱小目标运动速度，Δx在0<Δx<10范围内取值，R表示原始红外图像背景序列总帧数；
(6b)将步骤(4b)中红外弱小目标像素灰度值s赋值给m×m像素块内像素，m×m像素块是以(xi，yi)为红外弱小目标型心的像素块，m在0＜m≤10范围内取整数值，得到仿真红外弱小目标图像，xi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，0＜xi≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，yi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，0＜yi＜M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
(7)创建红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵：
(7a)创建大小为M×N的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵P，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；
(7b)将第i帧仿真红外弱小目标图像行数j赋值为1，1≤j≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
(8)设置红外扫描相机抖动参数：
(8a)设置红外扫描相机抖动参数中的均值为μ，0≤μ≤2；
(8b)设置红外扫描相机抖动参数中的标准差为σ，0.5≤3σ≤2；
(9)生成抖动偏移量：
生成服从均值为μ，标准差为σ的正态分布函数的第i帧仿真红外弱小目标图像第j行的抖动偏移量hj；
(10)按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数：
Qj＝j+hj
其中，Qj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数，j表示第i帧仿真红外弱小目标图像行数，hj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量；
(11)计算抖动后成像信号：
(11a)判断第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量hj是否大于0，若是，执行步骤(11b)；否则，执行步骤(11c)；
(11b)按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号：
Pj＝Vk×(1-z)+Vk+1×z
其中，Pj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号，Vk表示第i帧仿真红外弱小目标图像第k行成像信号，k表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的整数部分,z表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的小数部分，Vk+1表示第i帧仿真红外弱小目标图像第(k+1)行成像信号；
(11c)按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号：
Pj＝Vk×(1-z)+Vk-1×z
其中，Pj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号，Vk表示第i帧仿真红外弱小目标图像第k行成像信号，k表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的整数部分,z表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的小数部分，Vk-1表示第i帧仿真红外弱小目标图像第(k-1)行成像信号，
(12)将第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号Pj赋值给红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵P第j行；
(13)对第i帧仿真红外弱小目标图像行数j进行累加1操作；
(14)判断第i帧仿真红外弱小目标图像行数j是否等于M+1，若是，执行步骤(15)；否则，执行步骤(9)；其中，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
(15)存储红外扫描相机抖动的仿真红外弱小目标图像矩阵P；
(16)对仿真红外弱小目标图像背景帧数i进行累加1操作；
(17)判断累加1后仿真红外弱小目标图像背景帧数是否等于仿真红外弱小目标图像序列总帧数L，如果是，执行步骤(18)；否则，执行步骤(2)；
(18)输出红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明中每一帧图像的每一行生成一个抖动偏移量，并且抖动偏移量服从均值为μ，标准差为σ的正态分布函数，克服了现有技术中当仿真生成红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列时，遍历红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像的所有像素的计算量大，并且无法控制仿真红外弱小目标图像抖动程度的缺陷，使得本发明具有红外扫描相机抖动参数可控制的优点。
第二，由于本发明使用高性能红外热像仪采集真实红外图像背景序列作为原始红外图像背景序列和建模仿真方法，克服了现有技术中当仿真生成红外抖动目标图像时，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，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，并且该方法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，红外弱小目标航迹的缺陷，使得本发明具有仿真生成红外抖动目标图像真实度高，纹理细节特征丰富，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，红外弱小目标航迹可控制的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的第50帧原始红外图像背景图；
图3为本发明仿真红外弱小目标的航迹示意图；
图4为本发明第50帧红外弱小目标图像中以红外弱小目标型心为中心的9×9大小邻域示意图；
图5为本发明第50帧仿真红外弱小目标图像示意图；
图6为本发明第j行向(j+1)行方向抖动示意图；
图7为本发明第j行向(j-1)方向抖动示意图；
图8本发明第50帧红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像中以红外弱小目标型心为中心的9×9大小邻域示意图；
图9为本发明第50帧红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参照附图1，本发明的具体步骤如下。
步骤1，采集红外图像背景。
第1步，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。
本发明的实施例中，真实红外图像背景序列为红外天空背景图像序列。图2所示的为红外天空背景图像序列中第50帧红外天空背景图像，图2所示天空背景具有丰富纹理特征。
第2步，将原始红外图像背景序列的帧数i赋值为1。
步骤2，仿真红外弱小目标图像背景。
第1步，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≤R,R表示原始红外图像背景序列总帧数。
本发明的实施例例中，原始红外图像背景序列总帧数R为1000。
第2步，设置第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行和起始列，第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行大于0小于原始红外图像背景的行数，第i帧原始红外图像背景裁剪的起始列大于0小于原始红外图像背景的列数。
本发明的实施例中，设置第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行为150，设置第i帧原始红外图像背景裁剪的起始列为150。
第3步，裁剪第i帧原始红外图像背景，得到大小为M×N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≤M≤A，0≤N≤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。
本发明的实施例例中，裁剪第i帧大小为480×625的原始红外图像背景，得到大小为256×256的仿真红外弱小目标图像背景。
步骤3，对仿真红外弱小目标图像背景边缘进行镜像扩展。
第1步，将镜像扩展图像矩阵初始化为(M+2t)×(N+2t)，得到扩展图像矩阵，其中，t表示仿真红外弱小目标图像背景扩展的宽度,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，0<t<min(M/4,N/4)，min(·)表示最小值操作。
本发明的实施例中，将镜像扩展图像矩阵初始化为276×276，得到大小为276×276扩展图像矩阵。
第2步，将仿真红外弱小目标图像背景赋值到扩展图像矩阵的第t+1行至t+M行，第t+1列至t+N列的范围内，将扩展图像矩阵第2t至t+1行数据分别赋值到扩展图像矩阵第1至t行，将扩展图像矩阵第M+1至t+M行数据分别赋值到扩展图像矩阵第2t+M至t+M+1行，将扩展图像矩阵第2t至t+1列数据分别赋值到扩展图像矩阵第1至t列，将扩展图像矩阵第N+1至t+N列数据分别赋值到扩展图像矩阵第2t+N至t+N+1列，得到扩展仿真红外弱小目标图像背景，其中，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,t表示仿真红外弱小目标图像背景扩展的宽度，0<t<min(M/4,N/4),min(·)表示最小值操作。
本发明的实施例中，将仿真红外弱小目标图像背景赋值到扩展图像矩阵的第11行至266行，第11列至266列的范围内，将扩展图像矩阵第20至11行数据分别赋值到扩展图像矩阵第1至10行，将扩展图像矩阵第257至266行数据分别赋值到扩展图像矩阵第276至267行，将扩展图像矩阵第20至11列数据分别赋值到扩展图像矩阵第1至10列，将扩展图像矩阵第257至266列数据分别赋值到扩展图像矩阵第276至267列，得到大小为276×276的扩展仿真红外弱小目标图像背景。
步骤4，创建红外弱小目标模型。
第1步，设置红外弱小目标信噪比D，D在0＜D≤20范围内取整数值。
本发明的实施例中，设置红外弱小目标信噪比为6。
第2步，按照下式，计算红外弱小目标像素灰度值：
s＝D×e+c
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，e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，c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。
本发明的实施例中，以红外弱小目标型心为中心的局部邻域大小为9×9，包括81个像素，e表示以红外弱小目标型心为中心的9×9范围内所有像素的标准差，c表示以红外弱小目标型心为中心的9×9范围内所有像素的均值。
第3步，将红外弱小目标的大小设置为m×m像素，其中，m在0＜m≤10范围内取整数值。
本发明的实施例中，将红外弱小目标的大小设置为3×3像素。
步骤5，设置红外弱小目标航迹。
第1步，将红外弱小目标运动速度设置为Δx像素/帧，其中，Δx在0<Δx<10范围内取值。
本发明的实施例中，红外弱小目标图像序列中相邻两帧间红外弱小目标横坐标的差值，将红外弱小目标运动速度设置为1像素/帧。
第2步，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。
第3步，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5中第4步；否则，执行步骤5中第5步。
第4步，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x1,0＜x1≤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：
y1＝ax1+b
其中，y1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，0＜y1≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数，x1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,0＜x1≤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＜ax1+b≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数。
本发明的实施例中，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30，仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型的斜率为1，仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型的截距为10，第1帧仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型为y1＝x1+10，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坐标为(30，40)，步骤5中第4步结束后执行步骤6。
第5步，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：
其中，xi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，0＜xi≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，xi-1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，0＜xi-1≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，Δx表示红外弱小目标运动速度，Δx在0<Δx<10范围内取值，yi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，0＜yi≤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率，b表示红外弱小目标航迹的直线模型的截距，a和b的取值范围为：0＜axi+b≤M。
本发明的实施例中,仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型的斜率为1，仿真红外弱小目标图像背景航迹的直线模型的截距为10，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：
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坐标为(xi，yi)，如图3所示为本发明仿真红外弱小目标的航迹示意图。
步骤6，合成仿真红外弱小目标图像。
第1步，按照下式，设置仿真红外弱小目标图像序列总帧数：
0＜L≤min((N-x1)/Δx,R)
其中，L表示仿真红外弱小目标图像序列总帧数，min(·)表示最小值操作，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，x1表示红外弱小目标在仿真红外弱小目标图像序列第1帧中的横坐标值，Δx表示红外弱小目标运动速度，Δx在0<Δx<10范围内取值，R表示原始红外图像背景序列总帧数。
本发明的实施例中，设置仿真红外弱小目标图像序列总帧数L为226。
第2步，将步骤(4b)中红外弱小目标像素灰度值s赋值给m×m像素块内像素，m×m像素块是以(xi，yi)为红外弱小目标型心的像素块，m在0＜m≤10范围内取整数值，得到仿真红外弱小目标图像，xi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，0＜xi≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，yi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，0＜yi＜M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数。
本发明的实施例中，将步骤(4b)中红外弱小目标像素灰度值s赋值给3×3像素块内像素，3×3像素块是以(xi，yi)为红外弱小目标型心的像素块。第50帧仿真红外弱小目标图像中红外弱小目标型心坐标为(79，89)。
图4为本发明第50帧红外弱小目标图像中以(79，89)为中心的9×9大小邻域示意图，以红外弱小目标型心为中心的3×3大小范围内9个像素的灰度值都为s。从图4可以看出，红外弱小目标为均值模型。
图5为本发明第50帧仿真红外弱小目标图像示意图，从图5中可以看出，本发明在图3的基础上仿真嵌入了红外弱小目标生成仿真红外弱小目标图像。
步骤7，创建红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵。
第1步，创建大小为M×N的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵P，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。
本发明的实施例例中，创建大小为256×256的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵P。
第二步，将第i帧仿真红外弱小目标图像行数j赋值为1，1≤j≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数。
步骤8，设置红外扫描相机抖动参数。
第1步，设置红外扫描相机抖动参数中的均值为μ，0≤μ≤2。
本发明的实施例中，设置红外扫描相机抖动参数中的均值μ为0。
第2步，设置红外扫描相机抖动参数中的标准差为σ，0.5≤3σ≤2。
本发明的实施例中，设置红外扫描相机抖动参数中的标准差σ为0.3。
步骤9，生成抖动偏移量。
生成服从均值为μ，标准差为σ的正态分布函数的第i帧仿真红外弱小目标图像第j行的抖动偏移量hj。
本发明的实施例中，生成服从均值为0，标准差为0.3的正态分布函数的第i帧仿真红外弱小目标图像第j行的抖动偏移量hj。
步骤10，按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数：
Qj＝j+hj
其中，Qj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数，j表示第i帧仿真红外弱小目标图像行数，hj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量。
步骤11，计算抖动后成像信号。
第1步，判断第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量hj是否大于0，若是，执行步骤11第2步；否则，执行步骤11第3步。
第2步，按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号：
Pj＝Vk×(1-z)+Vk+1×z
其中，Pj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号，Vk表示第i帧仿真红外弱小目标图像第k行成像信号，k表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的整数部分,z表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的小数部分，Vk+1表示第i帧仿真红外弱小目标图像第(k+1)行成像信号。
本发明的实施例中，第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量hj大于0，如图6所示，表示向第i帧仿真红外弱小目标图像第j行之后的行(即j+1，j+2，……，M)方向抖动。
第3步，按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号：
Pj＝Vk×(1-z)+Vk-1×z
其中，Pj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号，Vk表示第i帧仿真红外弱小目标图像第k行成像信号，k表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的整数部分,z表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的小数部分，Vk-1表示第i帧仿真红外弱小目标图像第(k-1)行成像信号。
本发明的实施例中，第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量hj小于0，如图7所示，表示向第i帧仿真红外弱小目标图像第j行之前的行(即j-1，j-2，……，1)方向抖动。
步骤12，将第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号Pj赋值给红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵P第j行。
步骤13，对第i帧仿真红外弱小目标图像行数j进行累加1操作。
步骤14，判断第i帧仿真红外弱小目标图像行数j是否等于M+1，若是，执行步骤15；否则，执行步骤9；其中，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数。
步骤15，存储红外扫描相机抖动的仿真红外弱小目标图像矩阵P。
本发明的实施例中，图8为本发明第50帧红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像中以红外弱小目标型心为中心的9×9大小邻域示意图，图9为本发明第50帧红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像示意图，从图9中可以看出，本发明在图3的基础上仿真嵌入了抖动红外弱小目标仿真生成红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像。
步骤16，对仿真红外弱小目标图像背景帧数i进行累加1操作。
步骤17，判断累加1后仿真红外弱小目标图像背景帧数是否等于仿真红外弱小目标图像序列总帧数L+1，如果是，执行步骤18；否则，执行步骤2。
步骤18，输出红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列。
本发明的实施例中，红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列总帧数为226，每帧仿真红外弱小目标图像大小为256×256。
下面结合附图对本发明的效果做进一步的描述。
1.仿真条件：
本发明仿真实验的运行系统为Intel(R)Core(TM)i3-4130@3.20GHz，32位Windows操作系统，仿真软件采用MATLAB R2012a软件。
2、实验内容：
为验证红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像仿真方法的有效性，选取原始红外图像背景序列总帧数为226帧的原始红外图像背景，进行仿真实验。
如图3所示，原始红外图像背景大小为480×625像素，在原始红外图像背景的第150行和第150列向原始红外图像背景右下方截取256×256像素的仿真红外弱小目标图像背景，红外弱小目标大小设置为3×3像素；红外弱小目标水平运动速度设置为1像素/帧，红外弱小目标信噪比设置为6；红外弱小目标运动水平起始点设置为30，红外弱小目标的航迹为直线模型，红外扫描相机抖动参数中的均值μ设置为0，红外扫描相机抖动参数中的标准差σ设置为0.3，如图9所示为红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像。
比较图3和图9，可见本发明有效实现了红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像的生成仿真，为后续研究红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像的性能评估提供了大量可测试红红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列。
综上所述，本发明提出的方法生成的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列具有更接近于真实红外场景、红外弱小目标参数和抖动参数可控制等优点，因此具有广泛的工程应用价值。
Claims (4)
1.一种红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列仿真方法，包括如下步骤：
(1)采集红外图像背景：
(1a)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；
(1b)将原始红外图像背景序列的帧数i赋值为1；
(2)仿真红外弱小目标图像背景：
(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≤R,R表示原始红外图像背景序列总帧数；
(2b)设置第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行和起始列；
(2c)裁剪第i帧原始红外图像背景，得到大小为M×N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≤M≤A，0≤N≤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；
(3)对仿真红外弱小目标图像背景边缘进行镜像扩展；
(4)创建红外弱小目标模型：
(4a)设置红外弱小目标信噪比D，D在0＜D≤20范围内取整数值；
(4b)按照下式，计算红外弱小目标像素灰度值：
s＝D×e+c
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，e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，c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；
(4c)将红外弱小目标的大小设置为m×m像素，其中，m在0＜m≤10范围内取整数值；
(5)设置红外弱小目标航迹：
(5a)将红外弱小目标运动速度设置为Δx像素/帧，其中，Δx在0<Δx<10范围内取值；
(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；
(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)；否则，执行步骤(5e)；
(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x1,0＜x1≤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：
y1＝ax1+b
其中，y1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，0＜y1≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数，x1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,0＜x1≤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＜ax1+b≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
(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：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>ax</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<mi>b</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，xi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，0＜xi≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，xi-1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，0＜xi-1≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，Δx表示红外弱小目标运动速度，Δx在0<Δx<10范围内取值，yi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，0＜yi≤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率，b表示红外弱小目标航迹的直线模型的截距，a和b的取值范围为：0＜axi+b≤M；
(6)合成仿真红外弱小目标图像：
(6a)按照下式，设置仿真红外弱小目标图像序列总帧数：
0＜L≤min((N-x1)/Δx,R)
其中，L表示仿真红外弱小目标图像序列总帧数，min(·)表示最小值操作，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，x1表示红外弱小目标在仿真红外弱小目标图像序列第1帧中的横坐标值，Δx表示红外弱小目标运动速度，Δx在0<Δx<10范围内取值，R表示原始红外图像背景序列总帧数；
(6b)将步骤(4b)中红外弱小目标像素灰度值s赋值给m×m像素块内像素，m×m像素块是以(xi，yi)为红外弱小目标型心的像素块，m在0＜m≤10范围内取整数值，得到仿真红外弱小目标图像，xi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，0＜xi≤N，N表示仿真红外弱小目标图像背景的列数，yi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，0＜yi＜M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
其特征在于，还包括以下具体步骤：
(7)创建红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵：
(7a)创建大小为M×N的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵P，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；
(7b)将第i帧仿真红外弱小目标图像行数j赋值为1，1≤j≤M，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
(8)设置红外扫描相机抖动参数：
(8a)设置红外扫描相机抖动参数中的均值为μ，0≤μ≤2；
(8b)设置红外扫描相机抖动参数中的标准差为σ，0.5≤3σ≤2；
(9)生成抖动偏移量：
生成服从均值为μ，标准差为σ的正态分布函数的第i帧仿真红外弱小目标图像第j行的抖动偏移量hj；
(10)按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数：
Qj＝j+hj
其中，Qj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数，j表示第i帧仿真红外弱小目标图像行数，hj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量；
(11)计算抖动后成像信号：
(11a)判断第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动偏移量hj是否大于0，若是，执行步骤(11b)；否则，执行步骤(11c)；
(11b)按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号：
Pj＝Vk×(1-z)+Vk+1×z
其中，Pj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号，Vk表示第i帧仿真红外弱小目标图像第k行成像信号，k表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的整数部分,z表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的小数部分，Vk+1表示第i帧仿真红外弱小目标图像第(k+1)行成像信号；
(11c)按照下式，计算第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号：
Pj＝Vk×(1-z)+Vk-1×z
其中，Pj表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号，Vk表示第i帧仿真红外弱小目标图像第k行成像信号，k表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的整数部分,z表示第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像行数Qj的小数部分，Vk-1表示第i帧仿真红外弱小目标图像第(k-1)行成像信号；
(12)将第i帧仿真红外弱小目标图像第j行抖动后成像信号Pj赋值给红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像矩阵P第j行；
(13)对第i帧仿真红外弱小目标图像行数j进行累加1操作；
(14)判断第i帧仿真红外弱小目标图像行数j是否等于M+1，若是，执行步骤(15)；否则，执行步骤(9)；其中，M表示仿真红外弱小目标图像背景的行数；
(15)存储红外扫描相机抖动的仿真红外弱小目标图像矩阵P；
(16)对仿真红外弱小目标图像背景帧数i进行累加1操作；
(17)判断累加1后仿真红外弱小目标图像背景帧数是否等于仿真红外弱小目标图像序列总帧数(L+1)，如果是，执行步骤(18)；否则，执行步骤(2)；
(18)输出红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列。
2.根据权利要求1所述的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列仿真方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行和起始列的取值范围是，第i帧原始红外图像背景裁剪的起始行大于0小于原始红外图像背景的行数，第i帧原始红外图像背景裁剪的起始列大于0小于原始红外图像背景的列数。
3.根据权利要求1所述的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列仿真方法，其特征在于，步骤(3)中所述的仿真红外弱小目标图像背景边缘镜像扩展的具体步骤如下：
第1步，将镜像扩展图像矩阵初始化为(M+2t)×(N+2t)，得到扩展图像矩阵，其中，t表示仿真红外弱小目标图像背景扩展的宽度,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，0<t<min(M/4,N/4)，min(·)表示最小值操作；
第2步，将仿真红外弱小目标图像背景赋值到扩展图像矩阵的第t+1行至t+M行，第t+1列至t+N列的范围内，将扩展图像矩阵第2t至t+1行数据分别赋值到扩展图像矩阵第1至t行，将扩展图像矩阵第M+1至t+M行数据分别赋值到扩展图像矩阵第2t+M至t+M+1行，将扩展图像矩阵第2t至t+1列数据分别赋值到扩展图像矩阵第1至t列，将扩展图像矩阵第N+1至t+N列数据分别赋值到扩展图像矩阵第2t+N至t+N+1列，得到扩展仿真红外弱小目标图像背景，其中，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,t表示仿真红外弱小目标图像背景扩展的宽度，0<t<min(M/4,N/4),min(·)表示最小值操作。
4.根据权利要求1所述的红外扫描相机抖动的红外弱小目标图像序列仿真方法，其特征在于，步骤(5a)中所述的红外弱小目标运动速度是指，仿真红外弱小目标图像相邻两帧间红外弱小目标横坐标的差值。
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