水下二维及三维距离选通成像去噪技术研究

相比传统水下摄像机,水下距离选通成像的作用距离可提高两三倍,同时基于该技术可实现快速高分辨率三维成像,在水底详查、避障导航、海洋科学研究、矿藏开发等方面具有广泛应用前景。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制水体的后向散射噪声,实现感兴趣区较高质量的成像,但是,在选通图像中仍不可避免地存在空间切片水体的后向散射噪声,导致图像信噪比和对比度降低,尤其是对于远距离目标或低反射率目标。介绍了针对水下距离选通二维成像及三维成像去噪方面的技术研究。在二维成像方面,一是采用双平台自适应增强算法提高图像对比度,更好地满足人眼视觉要求;二是采用参考水体去噪算法实现含目标图像的水体去噪,提高信噪比。在三维成像方面,针对距离能量相关三维成像,一是利用参考水体去噪算法实现去噪三维重建,二是采用双边滤波法对三维图像中数据空洞进行修复,提高三维图像质量。所述四种方法可独立或联合用于水下距离选通成像的去噪增强,提高水下距离选通成像技术的性能。     

低慢小目标面阵推进式激光成像探测方法研究

为了解决空中低慢小目标探测存在“发现难、识别难、跟踪难”的问题,提出了一种面阵推进式激光成像探测方法。采用面阵探测器对场景选通成像,通过车载成像系统的行进来实现多帧不同场景图像的获取,并运用一种特定的距离映射关系来实现对观测场景的3维重构。以低空小型飞行物为目标,设计了成像探测系统的基本参量,并从激光二极管阵列单元、脉冲宽度与重复频率、大气衰减、信噪比和脉冲峰值功率等方面分析了成像探测系统的基本性能。结果表明,在低空范围内,面阵推进式激光成像探测方法可有效对大面积空域进行快速3维成像,缩短图像生成时间,为下一步的系统工程实现提供了理论和技术指导。     

低慢小目标面阵推进式激光成像探测方法研究

为了解决空中低慢小目标探测存在"发现难、识别难、跟踪难"的问题,提出了一种面阵推进式激光成像探测方法。采用面阵探测器对场景选通成像,通过车载成像系统的行进来实现多帧不同场景图像的获取,并运用一种特定的距离映射关系来实现对观测场景的3维重构。以低空小型飞行物为目标,设计了成像探测系统的基本参量,并从激光二极管阵列单元、脉冲宽度与重复频率、大气衰减、信噪比和脉冲峰值功率等方面分析了成像探测系统的基本性能。结果表明,在低空范围内,面阵推进式激光成像探测方法可有效对大面积空域进行快速3维成像,缩短图像生成时间,为下一步的系统工程实现提供了理论和技术指导。     

水下激光距离选通成像系统的模型与极限探测性能研究

为了改善现有水下激光距离选通成像建模方法在收发时序和器件特性方面的不足,提出了一种改进的系统模型。该模型以一维(1D)方波信号为研究对象,通过计算该信号的输出信噪比来评价成像系统的性能。模型考虑了水下激光脉冲的时域展宽和增强型电荷耦合装置(ICCD)的增益噪声特性以对现有模型的不足进行改进。通过模拟计算与实际水下激光距离选通成像系统所采集的图像相对比的方法验证了模型正确性,又通过对系统在不同水质下极限探测距离的仿真计算表明距离选通技术对人形暗目标的探测、识别和认清距离达到了9,7.5和7个衰减长度,从而证明了距离选通技术能够有效探测劣质水况下的中小目标。     

利用时间切片序列图像的三维成像距离信息计算方法

距离选通激光主动成像技术进行三维成像的方法之一是通过延迟时间步进变化获得不同距离切片序列图像,通过处理序列二维图像获取目标点的三维信息,其关键是数据处理方法。在分析应用延时步进方法进行距离选通三维成像基本理论的基础上,针对系统激光脉宽、ICCD快门时间、延时步进等参数值较大时获得的灰度值序列特征,提出一种改变参与计算的图像帧数的目标距离计算改进方法,实验结果表明:该方法在减小运算量的同时可有效提高三维成像的距离精度。     

基于DM642的激光水下图像处理系统设计与实现

搭建了一种距离选通激光水下成像系统,分析了水下光电图像的特点,采用DM642数字信号处理芯片为核心设计了数字图像处理系统,给出了利用平台直方图均衡化实现水下图像增强算法原理以及该算法在设计的图像处理系统中的实现方法,并给出了利用该方法对水下25 m和40 m处目标所成图像的处理结果。实验结果表明,利用文中搭建的距离选通水下成像系统和设计的图像处理系统可以有效实现对水下目标的成像探测并能提高目标图像的对比度。     

水下距离选通图像双平台直方图增强及其FPGA实时处理

水下激光距离选通成像中要对水下距离选通图像进行增强处理。水下图像通常具有噪声大、对比度差、照度不均匀的特点。通过分析水下图像的成像特点,针对引起图像降质的因素进行增强算法设计,提出了基于帧叠加去噪与双平台直方图变换相结合的视频增强算法。可实现目标信息增强的同时抑制背景,将目标和背景区别处理。算法以Xilinx公司的XC5VLX50T系列FPGA芯片为核心,使用到了软核Microblaze、片内BLOCKRAM、外部SRAM等资源设计硬件系统,并已在水下选通成像系统中得到有效应用。     

互相关算法在运动目标距离选通激光三维成像中的应用

在微光成像中,距离选通成像是一种获取目标三维信息的有效手段。对于静止目标而言,可以通过对目标切片成像,获得不同选通距离的目标图像,进而通过二值化算法或质心算法获得目标的三维图像。而对于运动目标而言,在切片成像的同时,目标的空间位置会发生变化,因此需要对不同选通距离的目标图像进行配准,而后才能获得目标的三维图像。搭建了基于像增强电荷耦合器件(ICCD)的距离选通实验系统,提出了一种基于像质评价的互信息配准算法配准激光图像目标的空间位置,然后对配准后的激光图像通过互相关算法获得三维图像,并在保证一定的三维精度基础上,逐渐减少激光图像的像幅数,最后与二值化算法和质心算法三维重构进行了实验对比,实验结果表明,互信息配准算法能够有效配准激光图像,互相关三维成像算法精度高于二值化法和质心法,最少采用2幅图像即可获得目标的三维点云图像,大大降低了对运动目标三维成像的难度。     

DPL固体激光成像雷达系统研究

介绍了DPL固体激光成像雷达的工作原理、系统组成,系统以高重频DPL固体激光器为光源,雪崩探测器直接探测体制,二维光机扫描成像,距离伪彩色3D成像方式,可以快速获取数千米远物体的三维图像.分析了大气衰减对作用距离的影响.该系统可用于目标侦察、地形测量、障碍物探测等应用领域.     

基于距离选通的水下偏振光成像系统的研究

光在水下传输受到吸收和散射的影响,限制了水下成像的成像距离和成像清晰度。为能抑制后向散射光的干扰,结合距离选通技术和偏振成像技术的各自的特点,提出了基于距离选通的偏振成像方式。基于距离选通的偏振成像一方面利用同步控制装置,时间上分离目标反射光,另一方面通过水体散射光和物体散射光解偏振度的差异来实现成像。本文分析了基于距离选通的偏振成像原理,具体给出了实验装置和实验过程。通过实验分析,得出基于距离选通的偏振成像技术运用于水下成像的可行性,且能大大提高图像的对比度,使其成像质量优于距离选通方式。     

远距离监视激光雷达动目标快速检测

激光雷达具有全天候工作、探测精度高、有效探测距离远、易获得三维信息等特点,但工作在远距离模式时,目标点云比较稀疏。当前便携条件下,基于深度学习的算法在激光雷达点云数据直接目标识别时,实时性和成功率尚不能达到远程监视实际工程的要求。针对实际工程中利用激光雷达检测运动目标进而实时引导高分辨率相机的需求,采用基于变化的检测方法,对远距离条件下激光雷达的运动目标检测方法进行了研究,利用点云数据的距离信息,给出三维单高斯模型和三维高斯混合模型检测动目标的过程和方法,提出了利用杂波图恒虚警率检测法处理点云数据的方法。实验表明,与二维图像动目标检测方法相比,三维单高斯模型法会很大程度提高检测准确性,降低虚警率,但仍然存在较高虚警率。为适应复杂三维场景,采用基于三维高斯混合模型的方法进一步降低了虚警率,但也降低了检测速度;而杂波图CFAR的方法具有很高的实时性,同时也具有较好的检测性能。     

蓝绿激光水下成像系统的探测灵敏度分析

为了分析水下激光成像探测系统的探测能力,根据水下蓝绿激光主动成像系统的成像过程,分析了目标与背景的辐射特性、海水后向散射特性、距离选通特性以及激光发射器和接收器的性能,提出了一种基于光束扩展函数(BSF)的探测灵敏度模型。该模型在海水散射系数与衰减系数之比介于0~1的范围内都适用。通过对给定参数的系统进行分析计算,进一步讨论了激光发散角、系统接收口径和图像传感器选通门宽等因素对系统探测能力的影响。结果表明:当选通门宽等于激光脉冲宽度时,系统的探测深度达到最大。模型的建立将为系统设计和系统参量的优化选择提供理论依据。     

基于水平集算法后向散射的运动目标轮廓提取

基于距离选通的激光主动成像系统在大气条件下对运动目标成像时,为了在更大范围内搜索跟踪目标,距离选通初始门宽通常在微秒量级,进而引起后向散射,严重影响了系统对目标的识别与提取。文中首先分析了基于距离选通的激光主动成像系统,在此基础上引入距离信息实时跟踪运动目标,研究了不同选通门宽引起的后向散射对图像质量的影响,提出了一种基于Sobel 算子和 GAC 模型的目标轮廓提取算法,将 Sobel 边缘检测的结果引入水平集边界停止函数,为水平集的曲线演化提供参考依据。实验结果表明,提出的水平集算法能够克服严重后向散射干扰影响提取目标轮廓,目标提取精度在0.9以上,高于 GAC、LIF、LBF 等经典水平集算法。     

An Algorithm to Detect the Presence of 3D Target Motion from ISAR Data

We present an algorithm to detect the presence of 3D target motion from ISAR data. Based on the 3D point scatterer model, we first examine the effect of 3D motion on ISAR imaging. It is shown that existing motion compensation algorithms cannot properly focus targets exhibiting 3D motion during the imaging interval. An algorithm is then derived to blindly detect the degree of 3D target motion from raw radar data. It is based on measuring the linearity of phases between two or more point scatterers on the target. The phase estimation is implemented using the adaptive joint time-frequency technique. Examples are provided to demonstrate the effectiveness of the 3D motion detection algorithm with both simulation and real ISAR data. The detection results are corroborated with the truth motion data from on-board motion sensors and correlated with the resulting ISAR images.     

二维频域内的运动目标检测方法

传统频域内的运动目标检测算法通常需要设计三维时空滤波器组来实现,存在待选参数多、滤波器设计难度大等问题。文中提出了一种二维频域内的运动目标检测方法,通过对动态图像的行列分解,将三维频域内的运动检测问题转化到两组二维频域内进行,从而降低了滤波器设计的难度。给出了一种提取主运动能量的自适应滤波算法,通过剔除背景和噪声的频率成分,有效地检测出运动目标。仿真结果表明,该方法可有效降低背景配准误差和噪声的影响。     

距离选通超分辨率三维成像及其应用

距离选通超分辨率三维成像是一种新型非扫描三维成像技术,在水下成像、远距离侦察、自动导航等应用中具有重要意义。综述了距离选通超分辨率三维成像技术国内外研究进展,对于梯形距离选通超分辨率三维成像和三角形距离选通超分辨率三维成像从距离能量包络能量态、三维成像步长、信噪比、环境噪声敏感性、距离分辨率以及测距精度等角度进行了对比分析,介绍了距离选通超分辨率三维成像技术的最新研究进展,包括编码超分辨率三维成像、实时距离选通超分辨率三维成像、多脉冲延时积分超分辨率三维成像,并分析了在低对比度目标探测、识别、水下三维成像方面的应用情况,以及笔者实验室在距离选通超分辨率三维成像技术方面开展的研究工作。距离选通三维成像技术的发展趋势为获取更高的三维成像景深分辨率比,实现快速高分辨率三维成像。     

3D saliency detection based on background detection

Unlike 2D saliency detection, 3D saliency detection can consider the effects of depth and binocular parallax. In this paper, we propose a 3D saliency detection approach based on background detection via depth information. With the aid of the synergism between a color image and the corresponding depth map, our approach can detect the distant background and surfaces with gradual changes in depth. We then use the detected background to predict the potential characteristics of the background regions that are occluded by foreground objects through polynomial fitting; this step imitates the human imagination/envisioning process. Finally, a saliency map is obtained based on the contrast between the foreground objects and the potential background. We compare our approach with 14 state-of-the-art saliency detection methods on three publicly available databases. The proposed model demonstrates good performance and succeeds in detecting and removing backgrounds and surfaces of gradually varying depth on all tested databases.     

复杂海天背景下红外舰船目标实时检测算法

针对复杂海空背景条件下的低信噪比舰船目标检测问题,在分析海面背景舰船目标红外图像特点的基础上,提出首先进行红外图像预滤波以抑制噪声背景增强目标,然后通过检测图像水平与垂直边缘得到潜在目标区域,最后通过小范围的图像分割检测舰船目标。实际录取数据实验结果表明,算法针对各种海面场景与目标类型均能准确检测目标,实时性好。