[發明專利]基于自動目標提取的全聚焦合成孔徑成像方法

有效

• 申請號: 201610044313.6
• 申請日: 2016-01-22
• 公開（公告）號: CN105741318B
• 公開（公告）日: 2018-08-31
• 發明（設計）人: 裴炤;陳希達;馬苗;劉侍剛;彭亞麗
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: G06T7/215
• 分類號: G06T7/215;G06T7/90
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種基于自動目標提取的全聚焦合成孔徑成像方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、利用相機陣列從不同視角同時捕獲的信息對非聚焦區域進行重建；通過圖像片段從不同視角選取像素值；將非聚焦區域估計問題等價于最優標記問題并通過能量最小化計算，其中標記表示用以重建非聚焦區域的像素的相機序號；

W₁，...W_k，...W_N表示N個相機視角采集的圖像，M表示某相機視角采集圖像中的像素集，m表示第k個相機采集圖像中的像素，m∈M，W_k(m)為其像素值；F＝{f_m}_m∈M表示輸出像素標記的集合，I表示集合中像素所在圖像的相機序號；估計的非聚焦區域由各相機采集圖像的像素得到，其中為最小代價標記，為像素m在非聚焦區域中的成像，為標記代價最小的像素m的成像；

定義標記F的能量函數E(F)，包括數據項和平滑項；

式中，表示臨近像素對的集合；D_m(f_m)為像素m分配標記f_m的代價，V_mn(f_m，f_n)為臨近像素對(m，n)分配標記f_m，f_n的代價；

計算單像素標記代價D_m(f_m)

式中，表示色彩穩定項，表示運動邊界的連續項；色彩穩定項代價的計算基于與第f_m幀臨近各幀中的像素m的像素值W_f(m)；令表示從f₁幀到f₂幀中像素值I_f(m)的平均值，計算

式中，r表示被認為可用于計算色彩穩定項的第f_m幀前后的幀數；

假設第f_m幀為背景圖像，其他幀為f；設第f_m幀與第f幀的圖像差為當與I_f從匹配度由高變為低時，其梯度較大，因此在第f幀的該區域中背景去除算法需添加一個運動邊界；連續項的計算需要該區域的邊緣強度；采用較大的運動梯度與較小的強度梯度計算該區域的懲罰，計算

其中

當且僅當第f_m幀的像素m在第f幀中應用運動邊界，且第f幀中沒有強度邊緣時，第f幀的連續項代價較大，ε²為一常數，保證當不存在運動梯度與強度梯度時結果不為0；

應用公式(5)計算對稱代價V_mn(f_m，f_n)

當f_m與f_n匹配良好時，該項包含兩幅幀中均可見的背景區域，理想狀態為從一幀復制到另一幀；當f_m≠f_n時，若使用連續代價，則需一個復制轉換的懲罰；

在包含運動物體的區域，V_mn(f_m，f_n)將較大，反之，若物體暫時靜止，則V_mn(f_m，f_n)與均較小；依據連續項代價來避免物體被分割移除；常量β，λ用以改變運動邊界的穩定項和連續項以及無縫分割的權重；通過初始化所有標記以及迭代計算，最終得到能量函數E(F)的最小值，并得到對應標記F；

采用上述估計模型，獲得一個清晰的非聚焦區域

步驟二、采用基于二值像素標記的合成孔徑成像方法，在聚焦到期望平面的結果圖像中，每個像素通過從不同視角獲取的對應且不受遮擋的像素的平均值求得；假設選取一個連續的平面集，這些平面平行于相機平面，深度在被遮擋目標的深度范圍之內；設P_η為平行于相機平面，深度為η的焦平面；

能量函數E(f)包含數據項和平滑項，

E(f)＝E_d+8E_s， (6)

式中，f為標記，能夠為每個像素W_k(m)分配一個標記L為0或1，W表示某圖像，k表示相機序號，m表示任意像素點；

在一個像素集中，通過計算聚焦深度為η的平面中位于m處對應像素的強度方差得到每個像素的代價，數據項E_d是這些像素代價的加和

其中

以及

minvar_η=argmin_m∈s(var_η(m)) (10)

minvar_η=argmin_m∈s(var_η(m)) (11)

式中，S為合成孔徑成像圖像；

依據參考圖像W_rη中相鄰像素的色彩相似性，平滑項E_S基于標準的4鄰居系統得到，

式中，為一標準的4鄰居系統，S_η(m),S_η(n)為合成孔徑成像圖像中相鄰的兩像素點；

若一個像素m屬于遮擋物，因遮擋物不在焦平面上，m將出現在變換后圖像中的不同位置，因此，用于計算合成圖像的像素集的方差將會較大；相反，若m屬于被遮擋物體，因該物體位于焦平面上，像素集的方差將會較小；對于平滑項，若相鄰像素的色彩相似，則這些像素更有可能屬于同一物體；若公式(12)給出一個較小的懲罰結果，則表示它們可能屬于遮擋物，反之，結果將較大；

步驟三、利用步驟二的標記結果，每個相機的視角被分為受到遮擋或不受遮擋；當這些圖像通過計算平均值進行融合時，只有被標記為不受遮擋的像素被使用；公式(14)的計算除去了來自遮擋物像素的影響，因此，被標記的合成圖像將更清晰；

在結果圖像中可觀察到若干黑色區域，因為在這些區域缺少色彩相似性；為解決該問題，使用估計的背景來填補在合成孔徑成像中被標記為黑色的區域；

步驟四、由上述方法計算出之后，使用公式(15)計算模糊系數α；

式中，為待觀察的輸入圖像；A表示的前景，B表示其背景；α_m是像素m的透視系數；應用色彩線性模型，得到且有

式中，w表示一個尺寸為3×3的窗口，c表示RGB色彩空間的通道；

色彩線性模型通過一個最小化代價函數得到一個關于α，a和b的閉合式解決方案

式中，w_m為一個中心位于像素m的窗口，i為窗口內任意像素，a^c和b可從代價函數中排除，在α中產生一個未知的二次代價，ε為數據穩定系數；

步驟五、根據透視系數α_m，應用公式(18)計算得到全聚焦合成孔徑成像結果；

式中，表示像素m處最終的全聚焦合成孔徑成像結果，表示像素m處的被遮擋目標，表示像素m處的非聚焦估計區域。