[發(fā)明專利]凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方法與系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810033429.5
• 申請(qǐng)日: 2008-02-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101226641A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘鳴;石勛;裴云天;馮翔;龍卓瑜;李建林;張榮鋒;侯麗偉;鄭新波;王鋼;謝巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): G06T7/20
• 分類號(hào): G06T7/20;G06T7/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空間目標(biāo)定位技術(shù)，具體指一種凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方法與系統(tǒng)，它用于對(duì)空間運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的定位。

背景技術(shù)

在工程應(yīng)用中，要求能夠在遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。此時(shí)，目標(biāo)在視場(chǎng)中是以點(diǎn)目標(biāo)形態(tài)出現(xiàn)。要提高點(diǎn)目標(biāo)的定位精度，首先考慮提高面陣探測(cè)器的像素分辨率。但是，由于制造工藝上的限制，面陣探測(cè)器的像素分辨率很難提高；另外，由于衍射效應(yīng)的限制，探測(cè)器的分辨率也不能無(wú)限提高。同時(shí)面陣探測(cè)器的填充因子不為100％，這些都對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的定位精度產(chǎn)生影響。現(xiàn)在還有一些提高分辨率的辦法，例如，徐超在文獻(xiàn)《一種改進(jìn)的凝視焦平面探測(cè)器亞像元成像處理算法》中提到(電子學(xué)報(bào)，Vol.35，No.8，P.1608-1611)，利用微掃描技術(shù)來(lái)提高焦平面陣列探測(cè)器的空間采樣率。該方法在保證系統(tǒng)信噪比的條件下，改善系統(tǒng)的傳遞特性，但是卻增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。車雙良在文獻(xiàn)《亞像元?jiǎng)討B(tài)成像技術(shù)中系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的數(shù)值分析》中提到(應(yīng)用光學(xué)，Vol.25，No.2，P.19-24)，利用分光棱鏡把光路等分成兩路，分別成像到兩個(gè)錯(cuò)開(kāi)半個(gè)像元的面陣探測(cè)器上，再對(duì)圖像進(jìn)行綜合處理以提高近一倍的空間分辨率。這種做法，除了會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，還會(huì)因?yàn)榻档土说竭_(dá)每個(gè)焦平面的能量，而降低信噪比。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單的凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位方法與系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的空間過(guò)采樣和多幀疊加來(lái)提高系統(tǒng)的空間分辨率，最終使得系統(tǒng)對(duì)空間運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的定位精度得到提高。

本發(fā)明所采用的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位系統(tǒng)采用凝視型相機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)成像，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過(guò)采樣，對(duì)圖像進(jìn)行多幀疊加來(lái)提高系統(tǒng)的空間分辨率。系統(tǒng)定位工作流程如附圖1所示，具體包含下列步驟：

步驟一：系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過(guò)采樣。由于目標(biāo)距離遠(yuǎn)，點(diǎn)目標(biāo)像點(diǎn)在面陣探測(cè)器平面上的移動(dòng)速度慢；另外，目前的凝視型相機(jī)使用的是面陣探測(cè)器，而目前面陣探測(cè)器的幀頻可以達(dá)到100Hz以上。因此，利用面陣探測(cè)器的高幀頻特性很容易對(duì)慢速的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空間過(guò)采樣。舉個(gè)例子，假如點(diǎn)目標(biāo)的平均速度為10個(gè)像素每秒，面陣探測(cè)器的幀頻為80Hz，這樣，我們可以每隔0.125個(gè)像元就對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)采集一幅圖像。一般情況下，幀間采集間隔最好小于0.5個(gè)像元。

步驟二：對(duì)采集到的序列圖像進(jìn)行多幀疊加。具體做法是，針對(duì)序列圖像每一幀，將其與該幀的前n幀和后n幀進(jìn)行疊加，n的取值根據(jù)圖像過(guò)采樣的程度而定，一般取值為1-4之間。例如，針對(duì)序列圖像中的第50幀，將其與它的前3幀和后3幀，共7幀圖像進(jìn)行疊加再求平均；序列中的其他幀圖像，依此類推。這樣做的好處在于：

1.多幀疊加將過(guò)采樣的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)變成了小目標(biāo)斑，而小目標(biāo)斑更能反應(yīng)此時(shí)點(diǎn)目標(biāo)的能量分布，相當(dāng)于提高了系統(tǒng)的空間分辨率。

2.由于成像過(guò)程中隨機(jī)空間噪聲和時(shí)間噪聲的存在，極大影響了圖像的信噪比。而經(jīng)過(guò)多幀疊加，可以減少隨機(jī)噪聲的影響，提高了圖像的信噪比，利于后續(xù)的圖像處理算法和點(diǎn)目標(biāo)精確定位。

3.由于面陣探測(cè)器填充率無(wú)法達(dá)到100％，多幀疊加可以避免點(diǎn)目標(biāo)中心落在兩個(gè)像元的間隙所產(chǎn)生的問(wèn)題。

步驟三：在多幀疊加的基礎(chǔ)上，檢測(cè)、提取小目標(biāo)斑。然后對(duì)小目標(biāo)斑使用亞像元處理方法(質(zhì)心法、插值法、曲線擬合法等)來(lái)求得中心點(diǎn)。在得到每一幀序列圖像的點(diǎn)目標(biāo)的中心點(diǎn)后，就能及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷出點(diǎn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

根據(jù)本發(fā)明提出的凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)精確定位系統(tǒng)，主要包括光學(xué)成像系統(tǒng)、面陣探測(cè)器、圖像采集模塊和圖像處理模塊四個(gè)部分。光學(xué)成像系統(tǒng)采用一般的望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)；面陣探測(cè)器可以是CCD、CMOS、IRFPA(紅外焦平面器件)等等，但它們的幀頻必須足夠高；圖像采集模塊除了一般的圖像采集功能外，還必須能夠根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合中的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的速度，設(shè)置合適的空間過(guò)采樣率；圖像處理模塊的內(nèi)容包括：針對(duì)采集到的序列圖像進(jìn)行多幀疊加，進(jìn)行小目標(biāo)斑檢測(cè)、提取以及使用亞像元方法求得點(diǎn)目標(biāo)的中心位置。圖像處理部分的內(nèi)容可以使用FPGA、DSP等器件進(jìn)行實(shí)時(shí)硬件化處理，也可以將序列圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上處理。

本發(fā)明充分利用了凝視型相機(jī)高幀頻的優(yōu)點(diǎn)，使用簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用簡(jiǎn)潔的方法，提高了系統(tǒng)的空間分辨率以及序列圖像的信噪比，從而提高了運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的定位精度。

附圖說(shuō)明

圖1為凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)定位系統(tǒng)工作流程圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例針對(duì)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)的速度大約為7個(gè)像素每秒。

所采用的凝視型相機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)精確定位系統(tǒng)，具體包括：