CN107421439A - 一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，包括光源、空间光调制装置、透镜、探测器与处理器模块，其中空间光调制装置用于调制光源发射的光并照射至目标处，透镜用于汇聚目标的反射光，桶探测器用于探测反射光的强度，处理器用于采集桶探测器的数据及对目标进行无成像目标显著性检测与坐标跟踪。本发明还提供一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪方法。本发明提供的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统及方法，将获取的傅里叶系数矩阵直接计算目标的显著性区域，不进行恢复图像，通过谱残差理论实现无成像的目标跟踪，无成像减少了成像过程的计算量。
Description
技术领域
本发明涉及计算关联成像与图像处理领域，具体涉及一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统及方法。
背景技术
目标跟踪在现实生活中有重要的应用，在诸如军事探测、智能监控、生物医学等各个方面都有着重要的应用。关联成像，又称鬼成像，作为一种新的光学成像方式，近年来引起广泛的关注，并取得了极大的发展。相比于传统成像，它能够突破衍射极限实现高分辨率成像，实现弱光成像和单像素成像，抗干扰和散射介质能力强，受云、雾等气象因素等优势，在实际应用中发挥越来越重要的功用近年来，鬼成像研究的重点已经从基础理论研究转向实际应用。
鬼成像与其他交叉学科相结合已经发挥出了一些优势，传统的目标跟踪方案，都是先对目标成像，后实现跟踪。成像的过程增加了不必要的运算。
发明内容
如果在目标跟踪过程中不进行图像恢复，也就是无成像目标跟踪，就可以减少成像过程的计算量，也减少成像对目标跟踪造成的误差。
在谱残差理论中，利用傅里叶变换获取图像的傅里叶系数矩阵可以得到图像的显著性区域。谱残差理论与傅里叶鬼成像结合可以直接在无成像的情况下得到目标的显著性区域，进一步计算可以得到目标的坐标，实现无成像目标跟踪。
为了能够采用谱残差进行无成像目标跟踪，需要获得图像的傅里叶谱，因此需要采用四步正弦相移结构光分布的光场，通过差分测量可以直接获得图像的傅里叶谱，也就是通过调制预知的正弦结构光谱取代随机的散斑图，用一个桶探测器接收光强，通过差分测量的方式可以直接得到目标图像的傅里叶系数矩阵，这种直接获取目标图像傅里叶系数矩阵的方式在鬼成像中得以实现。
因此，鉴于现有技术中存在的问题，根据上面的方法提供一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，将获取的傅里叶系数矩阵直接计算目标的显著性区域，不进行恢复图像，通过谱残差理论实现无成像的目标跟踪，无成像减少了成像过程的计算量；无需空间阵列探测器，通过桶探测器得到目标的傅里叶系数矩阵，最终实现了无成像情况下对目标的显著性检测与坐标跟踪。这种技术在军事侦查，探测，遥感等领域中都有着重要的意义。
本发明提供一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，包括光源、空间光调制装置、透镜、探测器与处理器模块，其中空间光调制装置用于调制光源发射的光并照射至目标处，透镜用于汇聚目标的反射光，探测器用于探测反射光的强度，处理器模块用于采集探测器的数据及对目标进行无成像目标显著性检测与坐标跟踪。
进一步地，空间光调制装置使用预置调制信息进行光场调制，生成空间光场为四步正弦相移结构光分布的光场。
进一步地，探测器为阵列探测器或桶探测器。
进一步地，处理器用于同步控制，用于同步空间光调制装置与探测器。
进一步地，处理器分别与空间光调制装置、探测器连接。
进一步地，探测器与空间光调制装置以相同的频率进行光场强度值采集，处理器进行解同步操作。
进一步地，对目标进行无成像目标显著性检测与坐标跟踪采用谱残差获取目标的显著性区域。
进一步地，光源为单色LED或热光源。
进一步地，空间光调制装置为空间光调制器或数字投影仪。
进一步地，透镜为凹透镜或凸透镜。
进一步地，桶探测器为光电二极管或光电倍增管。
本发明还提供一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪方法，无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统包括光源、空间光调制装置、透镜、探测器与处理器模块，无成像目标显著性检测与坐标跟踪方法包括以下步骤：
-空间光调制装置调制光源发射的光并照射至目标处；
-透镜汇聚目标的反射光；
-处理器模块采集探测器探测的反射光的强度；
-通过差分测量获得目标的傅里叶系数矩阵；
-通过谱残差，获取目标的显著性区域；
-获得目标的坐标，实现无成像的目标跟踪。
进一步地，空间光调制装置调制光源发射的光，包括以下步骤：
-空间光调制装置使用预置调制信息进行光场调制，生成空间光场为四步正弦相移结构光分布的光场。
与现有技术相比，本发明提供的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统及方法，具有以下有益效果：
1、将获取的傅里叶系数矩阵直接计算目标的显著性区域，不进行恢复图像，通过谱残差理论实现无成像的目标跟踪，无成像减少了成像过程的计算量，也减少成像对目标跟踪造成的误差；
2、通过差分测量的方式获取目标的傅里叶系数矩阵，差分测量不仅能够直接获取目标的傅里叶系数矩阵，还能消除直流项与环境光噪声，克服现有技术中目标认证方式抗噪声能力低的缺点；
3、对光源要求简单，普通的光源就可以实现；
4、无需阵列探测器，只需要一个桶探测器，傅里叶压缩采样，采集数量小；
5、光路简单，易于操作，便于实现。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统的示意图；
图2为一张目标原图；
图3为图1所示的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统采用谱残差计算得到图2中的目标的显著性区域的示意图；
图4为另一张目标原图；
图5为图1所示的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统采用谱残差计算得到图4中的目标的显著性区域的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一个实施例的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，包括光源1、空间光调制装置2、透镜3、探测器4与处理器模块5，其中空间光调制装置2用于调制光源1发射的光并照射至目标6处，透镜3用于汇聚目标6的反射光，探测器4用于探测反射光的强度，处理器模块5用于采集探测器4的数据及对目标6进行无成像目标显著性检测与坐标跟踪。
处理器模块5用于同步控制，用于同步空间光调制装置2与探测器4。
本实施例中，处理器模块5分别与空间光调制装置2、探测器4连接，实现同步控制。
在其他的实施例中，探测器4可以与空间光调制装置2以相同的频率进行光场强度值采集，处理器模块5进行解同步操作，实现同步控制。
为了能够采用谱残差进行无成像目标跟踪，需要获得图像的傅里叶谱，因此需要采用四步正弦相移结构光分布的光场，通过差分测量可以直接获得图像的傅里叶谱。
使用预置调制信息，空间光调制装置2通过空间光调制装置进行光场调制，生成空间光场为四步正弦相移结构光分布的光场。
光源1为单色LED或热光源，本实施例中采用单色LED。
空间光调制装置2采用数字投影仪，当然也可以采用空间光调制器。本实施例中采用数字投影仪。
无成像目标显著性检测与坐标跟踪方法包括以下步骤：
-空间光调制装置2调制光源1发射的光并照射至目标6处；
-透镜3汇聚目标6的反射光；
-处理器模块5采集探测器4探测的反射光的强度；
-通过差分测量获得目标6的傅里叶系数矩阵；
-通过谱残差，获取目标6的显著性区域；
-获得目标6的坐标，实现无成像的目标跟踪。
空间光调制装置2调制光源1发射的光，包括以下步骤：
空间光调制装置2使用预置调制信息进行光场调制，生成空间光强度为四步正弦相移结构光分布的光场。
四步正弦相移结构光就是一种预先生成的具有特殊相移的正弦光，包括四组具有相位差的光源，因此称为四步正弦相移结构光。
获得四步相移正弦光的方法由下面公式给出：
其中，P0,Pπ/2,Pπ,P3π/2分别为具有相位差的正弦光，k，l，m，n，N，M为傅立叶变换中的变量，取值范围为0—32。
数字投影仪使用预置调制信息，生成空间光场为四步正弦相移结构光分布的光场。
处理器模块5控制数字投影仪将四步相移正弦结构光投影到目标6上，经过目标6反射后的光由透镜3汇聚，探测器4接收经透镜3汇聚的反射光。
透镜3采用凸透镜或凹透镜，本实施例中采用凸透镜，尺寸和焦距视探测距离与探测器灵敏度决定，一般情况下越大越好。
探测器4可以是阵列探测器，例如CCD相机，也可以是桶探测器，例如光电二极管、光电倍增管。
采用桶探测器，采集数量小，能够提高认证过程的效率。本实施例中，探测器4采用光电倍增管。
处理器模块5用于采集探测器4的数据并对目标6进行无成像目标显著性检测与坐标跟踪。
数字投影仪使用预置调制信息，生成空间光场为四步正弦相移结构光分布的光场。
本实施例中，每个傅里叶系数I采用差分测量获得：
I＝[D0-Dπ]+j*[Dπ/2-D3π/2] (5)
其中，j表示虚数单位，D0,Dπ/2,Dπ,D3π/2分别对应于P0,Pπ/2,Pπ,P3π/2正弦光的探测器的响应，也就是探测到的总光强值。
多个傅里叶系数I构成傅里叶系数矩阵。
从信息理论角度：信息可分为冗余部分和变化部分。
人们的视觉对变化部分更敏感，视觉系统的一个基本原则就是抑制对频繁出现的特征的响应，同时对非常规的特征保持敏感，那么就将图像H(image)分为如下两部分：
H(image)＝H(Innovation)+H(Prior knowledge) (6)
其中H(Innovation)为非常规部分，H(Prior knowledge)为常规部分。
根据谱残差(Spectral Residual)理论，可以计算得到残差谱R(f)：
A(f)＝R(F(I(x))) (7)
P(f)＝＝Ω(F(I(x))) (8)
L(f)＝log(A(f)) (9)
R(f)＝L(f)-hn(f)*L(f) (10)
其中I(x)为输入图像，对输入图像进行傅里叶变换，得到振幅谱A(f)；P(f)为输入图像的相位谱，L(f)为log振幅谱。
计算目标6的显著性区域：
S(f)＝abs(ifft2(exp(R(f)+i*P(f))))^2 (11)
S(f)经过高斯滤波，得到的就是显著性区域。
根据目标的显著性区域经过计算确定目标的坐标，实现无成像对目标的跟踪。
具体地，得到目标显著性区域后，设置显著性区域的门限，将大于门限的设置为1，小于门限的设置为0。其中，门限为显著性区域均值的2.5倍。
得到的矩阵就是显著性区域就全部为1，而其他区域均为0，进而只需要用搜索算法可以得到显著性区域的坐标。显著性区域的坐标即为感兴趣的目标的坐标，从而实现目标的坐标跟踪。
目标原图如图2所示，计算出的显著性区域如图3所示，具体地计算出的坐标为：
在64*64压缩采样中的坐标：
Top：45
Bottom：62
Left：1
Right： 15
在原图中的尺寸的坐标：
Top：343.8281
Bottom：473.7188
Left：11.2188
Right： 168.2813
目标原图如图4所示，计算出的显著性区域如图5所示，具体地计算出的坐标为：
在64*64压缩采样中的坐标：
Top：12
Bottom：30
Left：35
Right： 49
在原图中的尺寸的坐标：
Top： 91.6875
Bottom：229.2188
Left：393.7500
Right： 551.2500
将获取的傅里叶系数矩阵直接计算目标的显著性区域，不进行恢复图像，通过谱残差理论实现无成像的目标跟踪，无成像减少了成像过程的计算量，也减少成像对目标跟踪造成的误差。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (13)
1.一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，所述无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统包括光源、空间光调制装置、透镜、探测器与处理器模块，其中所述空间光调制装置用于调制所述光源发射的光并照射至目标处，所述透镜用于汇聚所述目标的反射光，所述探测器用于探测所述反射光的强度，所述处理器模块用于采集所述探测器的数据及对目标进行无成像目标显著性检测与坐标跟踪。
2.如权利要求1所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，空间光调制装置使用预置调制信息进行光场调制，生成空间光场为四步正弦相移结构光分布的光场。
3.如权利要求1所述的基于计算关联成像的无成像目标认证系统，其特征在于，探测器为阵列探测器或桶探测器。
4.如权利要求1所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，所述处理器用于同步控制，用于同步空间光调制装置与探测器。
5.如权利要求4所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，所述处理器分别与空间光调制装置、所述探测器连接。
6.如权利要求4所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，所述探测器与所述空间光调制装置以相同的频率进行光场强度值采集，所述处理器进行解同步操作。
7.如权利要求1所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，对目标进行无成像目标显著性检测与坐标跟踪采用谱残差获取目标的显著性区域。
8.如权利要求1所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，光源为单色LED或热光源。
9.如权利要求1所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，空间光调制装置为空间光调制器或数字投影仪。
10.如权利要求1所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，透镜为凹透镜或凸透镜。
11.如权利要求3所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统，其特征在于，桶探测器为光电二极管或光电倍增管。
12.一种无成像目标显著性检测与坐标跟踪方法，其特征在于，无成像目标显著性检测与坐标跟踪系统包括光源、空间光调制装置、透镜、探测器与处理器模块，所述无成像目标显著性检测与坐标跟踪方法包括以下步骤：
-空间光调制装置调制光源发射的光并照射至目标处；
-透镜汇聚所述目标的反射光；
-处理器模块采集探测器探测的所述反射光的强度；
-通过差分测量获得目标的傅里叶系数矩阵；
-通过谱残差，获取目标的显著性区域；
-获得目标的坐标，实现无成像的目标跟踪。
13.如权利要求12所述的无成像目标显著性检测与坐标跟踪方法，其特征在于，空间光调制装置调制光源发射的光，包括以下步骤：
-空间光调制装置使用预置调制信息进行光场调制，生成空间光场为四步正弦相移结构光分布的光场。
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