2011年 4卷 第5期
2011, 4(5): 429-430.
摘要
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摘要:
本期《中国光学》成组呈现在读者面前的16篇论文,计有发展趋势1篇,方法论1篇,硬件2篇,软件11篇,像质评价1篇,构成一期覆盖面较全的视频图像处理专集。
本期《中国光学》成组呈现在读者面前的16篇论文,计有发展趋势1篇,方法论1篇,硬件2篇,软件11篇,像质评价1篇,构成一期覆盖面较全的视频图像处理专集。
2011, 4(5): 431-440.
摘要:
介绍了图像处理的发展趋势,对图像处理智能化的理论研究、智能高效的算法和并行处理的硬件系统等几个有关智能图像处理的问题进行了综述与评论。指出无论从军事自动目标识别(ATR)的需求考虑,还是从光学成像仪器的发展,网络视频通信,以及各种高技术的发展来看,图像处理的智能化都具有极其重要的意义,是今后图像处理领域的发展趋势。最后建议近期的工作应围绕在复杂背景下的目标自动捕获(ATA)方面开展研究。
介绍了图像处理的发展趋势,对图像处理智能化的理论研究、智能高效的算法和并行处理的硬件系统等几个有关智能图像处理的问题进行了综述与评论。指出无论从军事自动目标识别(ATR)的需求考虑,还是从光学成像仪器的发展,网络视频通信,以及各种高技术的发展来看,图像处理的智能化都具有极其重要的意义,是今后图像处理领域的发展趋势。最后建议近期的工作应围绕在复杂背景下的目标自动捕获(ATA)方面开展研究。
2011, 4(5): 441-447.
摘要:
针对传统的采样方法得到的图像数据量巨大,给图像信息的后续处理造成极大压力的问题,对压缩感知理论(Compressed Sensing,CS)进行了研究。压缩感知理论使采集很少一部分数据并且从这些少量数据中重构出更大量信息的想法变成可能,突破了奈奎-斯特采样定理的限制。综述了CS理论及关键技术问题,并着重介绍了CS理论在成像系统、图像融合、图像目标识别与跟踪等方面的应用与发展状况。文章指出CS理论开拓了信息处理的新思路,随着该理论的进一步完善,会有更广泛的应用领域。
针对传统的采样方法得到的图像数据量巨大,给图像信息的后续处理造成极大压力的问题,对压缩感知理论(Compressed Sensing,CS)进行了研究。压缩感知理论使采集很少一部分数据并且从这些少量数据中重构出更大量信息的想法变成可能,突破了奈奎-斯特采样定理的限制。综述了CS理论及关键技术问题,并着重介绍了CS理论在成像系统、图像融合、图像目标识别与跟踪等方面的应用与发展状况。文章指出CS理论开拓了信息处理的新思路,随着该理论的进一步完善,会有更广泛的应用领域。
2011, 4(5): 448-452.
摘要:
介绍了无人机载设备的技术特点及机载小型图像处理器的组成。采用TI公司的数字信号处理器芯片为核心处理器,配合现场可编程逻辑器件(FPGA)与外部管理微控制单元(MCU)来实现目标数据的采集与处理,设计了适用于无人机光电载荷的超小型图像处理器系统。针对机载设备的特点,设计时充分考虑了体积、重量、功耗等要求。该系统已应用于多台套机载光电载荷中,工作稳定可靠,满足无人侦察机对捕捉和定位目标的要求。
介绍了无人机载设备的技术特点及机载小型图像处理器的组成。采用TI公司的数字信号处理器芯片为核心处理器,配合现场可编程逻辑器件(FPGA)与外部管理微控制单元(MCU)来实现目标数据的采集与处理,设计了适用于无人机光电载荷的超小型图像处理器系统。针对机载设备的特点,设计时充分考虑了体积、重量、功耗等要求。该系统已应用于多台套机载光电载荷中,工作稳定可靠,满足无人侦察机对捕捉和定位目标的要求。
2011, 4(5): 453-460.
摘要:
采用MI-MV13和LUPA-1300-2两种不同厂家型号的高速CMOS图像传感器,设计了分辨率为1 2801 024的300～500 frame/s高速数字工业相机,并在实验室条件下对设计相机进行了关键性能指标对比测试,得到了光谱响应及量子效率、增益、动态范围、暗电流、读出噪声、光电响应非均匀性等测试结果。测试分析显示,LUPA-1300-2的峰值量子效率为50%,比MI-MV13的峰值量子效率高12%,与厂家的参考指标基本一致。测试结果证明:该测试方法正确,对两种高速CMOS图像传感器的关键性能指标的测试客观可信,所设计的高速CMOS摄像机的性能基本满足高帧频摄像的要求。
采用MI-MV13和LUPA-1300-2两种不同厂家型号的高速CMOS图像传感器,设计了分辨率为1 2801 024的300～500 frame/s高速数字工业相机,并在实验室条件下对设计相机进行了关键性能指标对比测试,得到了光谱响应及量子效率、增益、动态范围、暗电流、读出噪声、光电响应非均匀性等测试结果。测试分析显示,LUPA-1300-2的峰值量子效率为50%,比MI-MV13的峰值量子效率高12%,与厂家的参考指标基本一致。测试结果证明:该测试方法正确,对两种高速CMOS图像传感器的关键性能指标的测试客观可信,所设计的高速CMOS摄像机的性能基本满足高帧频摄像的要求。
2011, 4(5): 461-467.
摘要:
由于利用TMS320C6000系列的DSP底层结构可以提高图像压缩的实时性,本文在TMS320C6416平台上针对DSP底层结构对MPEG-4视频编码进行了优化,包括对8个运算单元能并行执行的特性进行汇编。针对DSP芯片两级高速缓存的工作特点,对编码器中代码和数据所占用的内存空间进行优化。利用EDMA级联特性在内存开辟双缓冲区,同时完成视频数据编码和传输的工作,从而有效地改善编码效率。实验结果表明:该编码器可以对512 pixel512 pixel大小的灰度图像,以30 frame/s帧频进行压缩,实现了对视频图像的实时编码。
由于利用TMS320C6000系列的DSP底层结构可以提高图像压缩的实时性,本文在TMS320C6416平台上针对DSP底层结构对MPEG-4视频编码进行了优化,包括对8个运算单元能并行执行的特性进行汇编。针对DSP芯片两级高速缓存的工作特点,对编码器中代码和数据所占用的内存空间进行优化。利用EDMA级联特性在内存开辟双缓冲区,同时完成视频数据编码和传输的工作,从而有效地改善编码效率。实验结果表明:该编码器可以对512 pixel512 pixel大小的灰度图像,以30 frame/s帧频进行压缩,实现了对视频图像的实时编码。
2011, 4(5): 468-473.
摘要:
介绍了一种通过提取红外与可见图像高频信息形成矢量模型的方法,该模型可用于可见和红外两种不同波段相同场景图像的配准。分析了红外与可见图像的共同特性,即边缘高频特性,并在作为模板的图像中提取这类高频信息。利用人工干预的方法形成矢量模型,该矢量模型可通过实时姿态信息进行实时三维变换,并重新投影为二维图形,据此可在另一图像中进行特征搜索,达到两者匹配的目的。利用实际数据进行了实验分析,结果显示,利用本文算法提取的矢量模型,经变换后能可靠地实现异源目标自动识别;实验证明此方法有效可行,并可推广应用于各种异源图像间的自动目标识别和配准处理。
介绍了一种通过提取红外与可见图像高频信息形成矢量模型的方法,该模型可用于可见和红外两种不同波段相同场景图像的配准。分析了红外与可见图像的共同特性,即边缘高频特性,并在作为模板的图像中提取这类高频信息。利用人工干预的方法形成矢量模型,该矢量模型可通过实时姿态信息进行实时三维变换,并重新投影为二维图形,据此可在另一图像中进行特征搜索,达到两者匹配的目的。利用实际数据进行了实验分析,结果显示,利用本文算法提取的矢量模型,经变换后能可靠地实现异源目标自动识别;实验证明此方法有效可行,并可推广应用于各种异源图像间的自动目标识别和配准处理。
2011, 4(5): 474-479.
摘要:
针对红外图像对比度低和边缘模糊的特点,提出了一种结合自适应平台直方图均衡化和拉普拉斯变换的方法。采用双数字信号处理器(DSP)并行处理,其中一片DSP采用自适应平台直方图均衡化的方法获得对比度增强后的图像;另一片DSP则进行拉普拉斯变换获得原始图像的边缘图像;最后由第二片DSP完成两幅图像按系数相乘后的叠加融合。实验结果表明:该算法增强效果和实时性较好,处理频率可达50 Hz,既提高了图像对比度又清晰了图像边缘,是提高图像对比度和边缘清晰度的高效算法。
针对红外图像对比度低和边缘模糊的特点,提出了一种结合自适应平台直方图均衡化和拉普拉斯变换的方法。采用双数字信号处理器(DSP)并行处理,其中一片DSP采用自适应平台直方图均衡化的方法获得对比度增强后的图像;另一片DSP则进行拉普拉斯变换获得原始图像的边缘图像;最后由第二片DSP完成两幅图像按系数相乘后的叠加融合。实验结果表明:该算法增强效果和实时性较好,处理频率可达50 Hz,既提高了图像对比度又清晰了图像边缘,是提高图像对比度和边缘清晰度的高效算法。
2011, 4(5): 480-488.
摘要:
为解决目标旋转形变、遮挡、光照变化等目标跟踪的难题,对粒子滤波和尺度不变特征变换(SIFT)算法进行了改进,结合两种算法提出了决策主导模式的多模跟踪技术。该技术采用粒子滤波预测目标位置进行粗定位,SIFT特征匹配进行精定位的方法,在解决上述难题上有很好的鲁棒性。将该技术应用于轮式侦察车图像处理器,并进行了各种实验验证,结果证明了提出算法的有效性。
为解决目标旋转形变、遮挡、光照变化等目标跟踪的难题,对粒子滤波和尺度不变特征变换(SIFT)算法进行了改进,结合两种算法提出了决策主导模式的多模跟踪技术。该技术采用粒子滤波预测目标位置进行粗定位,SIFT特征匹配进行精定位的方法,在解决上述难题上有很好的鲁棒性。将该技术应用于轮式侦察车图像处理器,并进行了各种实验验证,结果证明了提出算法的有效性。
2011, 4(5): 489-496.
摘要:
基于非下采样Contourlet变换(NSCT),提出了一种红外和可见光图像融合算法。针对低频子带系数和各带通方向子带系数分别提出了基于图像物理特征的系数加权选择方式与基于区域能量匹配的系数选择方式,即低频基于区域梯度信息、高频基于区域特征因子的加权与选择结合的图像融合算法。实验结果表明:非下采样Contourlet变换具有较快的运算速度,且经非下采样变换后能量更加集中,可提供更多的图像信息。相对于基于像素的图像融合算法,本文的图像融合算法具有更高的融合性能,是一种更适合图像融合的多尺度几何分析(MGA)工具。
基于非下采样Contourlet变换(NSCT),提出了一种红外和可见光图像融合算法。针对低频子带系数和各带通方向子带系数分别提出了基于图像物理特征的系数加权选择方式与基于区域能量匹配的系数选择方式,即低频基于区域梯度信息、高频基于区域特征因子的加权与选择结合的图像融合算法。实验结果表明:非下采样Contourlet变换具有较快的运算速度,且经非下采样变换后能量更加集中,可提供更多的图像信息。相对于基于像素的图像融合算法,本文的图像融合算法具有更高的融合性能,是一种更适合图像融合的多尺度几何分析(MGA)工具。
2011, 4(5): 497-502.
摘要:
为了研究彩色图像的矩不变量特性,采用四元数进行彩色图像处理,以充分利用彩色图像的整体信息,实现彩色图像RGB并行处理。本文把传统灰度图像的矩不变量理论推广应用到四元数层面上来,定义了彩色图像的四元数矩并构造了该矩函数的仿射不变量。实验结果表明:所提出的彩色图像的四元数矩不变量的稳定性要优于L.V.Gool等人提出的彩色矩仿射不变量,其/u值提高了2个数量级。所提出的四元数仿射矩不变量可以作为模式识别中彩色目标的特征描述子来实现彩色图像目标的识别与跟踪。
为了研究彩色图像的矩不变量特性,采用四元数进行彩色图像处理,以充分利用彩色图像的整体信息,实现彩色图像RGB并行处理。本文把传统灰度图像的矩不变量理论推广应用到四元数层面上来,定义了彩色图像的四元数矩并构造了该矩函数的仿射不变量。实验结果表明:所提出的彩色图像的四元数矩不变量的稳定性要优于L.V.Gool等人提出的彩色矩仿射不变量,其/u值提高了2个数量级。所提出的四元数仿射矩不变量可以作为模式识别中彩色目标的特征描述子来实现彩色图像目标的识别与跟踪。
2011, 4(5): 503-508.
摘要:
分析了基于小波变换进行弱小目标检测的基本思想,利用小波变换的多尺度多分辨率特性,结合小波变换系数的方向特性和扩散滤波扩散方向的可选择性,提出了基于小波域扩散滤波的弱小目标检测算法。采用该算法对不同尺度、不同方向的小波系数分别进行扩散滤波,取得了较好的效果。仿真试验结果表明:该算法能在Gaussian噪声背景和不均匀背景下实现对对比度为2%的微弱目标的检测。
分析了基于小波变换进行弱小目标检测的基本思想,利用小波变换的多尺度多分辨率特性,结合小波变换系数的方向特性和扩散滤波扩散方向的可选择性,提出了基于小波域扩散滤波的弱小目标检测算法。采用该算法对不同尺度、不同方向的小波系数分别进行扩散滤波,取得了较好的效果。仿真试验结果表明:该算法能在Gaussian噪声背景和不均匀背景下实现对对比度为2%的微弱目标的检测。
2011, 4(5): 509-513.
摘要:
由于常规莫尔条纹计算方法难以满足速度和精度的要求,本文提出一种快速准确求取莫尔条纹方向角的算法。该算法首先根据直线方向与莫尔条纹方向越接近则均方误差值越小的原理,初步求得莫尔方向角,之后采用Mean-Shift算法在方向角附近进一步精确求取莫尔条纹方向角。实验结果表明:采用误差评判指标测试对比度满足5.4%时,提出的算法所获得的莫尔条纹方向角计算精度达到29,同时计算速度相对频域处理方法大幅提高,计算时间为15 ms,满足算法处理速度对实时性的要求。
由于常规莫尔条纹计算方法难以满足速度和精度的要求,本文提出一种快速准确求取莫尔条纹方向角的算法。该算法首先根据直线方向与莫尔条纹方向越接近则均方误差值越小的原理,初步求得莫尔方向角,之后采用Mean-Shift算法在方向角附近进一步精确求取莫尔条纹方向角。实验结果表明:采用误差评判指标测试对比度满足5.4%时,提出的算法所获得的莫尔条纹方向角计算精度达到29,同时计算速度相对频域处理方法大幅提高,计算时间为15 ms,满足算法处理速度对实时性的要求。
2011, 4(5): 514-518.
摘要:
为解决大气湍流造成的图像退化问题,本文鉴于现有的盲解卷积算法收敛性不稳定,计算量大等特点,提出了一种基于加权预测的迭代盲解卷积算法。对目前性能优秀的用迭代实现盲解卷积的L-R算法进行优化,在每次迭代结束后通过加权方法求出预测值,根据预测值计算方向加速算子,从而大大提高算法的收敛速度。实验表明:该算法不仅可对模糊退化图像进行很好的复原,同时与L-R算法相比收敛速度提高约43.8倍,其迭代速度快的特点决定了算法具有较高的工程实用价值。
为解决大气湍流造成的图像退化问题,本文鉴于现有的盲解卷积算法收敛性不稳定,计算量大等特点,提出了一种基于加权预测的迭代盲解卷积算法。对目前性能优秀的用迭代实现盲解卷积的L-R算法进行优化,在每次迭代结束后通过加权方法求出预测值,根据预测值计算方向加速算子,从而大大提高算法的收敛速度。实验表明:该算法不仅可对模糊退化图像进行很好的复原,同时与L-R算法相比收敛速度提高约43.8倍,其迭代速度快的特点决定了算法具有较高的工程实用价值。
2011, 4(5): 519-524.
摘要:
针对运动背景下帧间稳像技术,提出了一种带运动矢量修正的灰度投影运动估计算法。采用该算法分别对当前帧和参考帧的行、列计算灰度投影序列;将当前帧投影序列局部分块,分别将每一分块与参考帧行、列投影曲线进行互相关计算,得到基于局部投影的行、列运动矢量集合;以分块区域的相关置信度为权系数衡量参数,计算每一分块的像素位移权值,从而计算某一方向帧间的加权运动矢量。实验结果表明:该方法可以使运动目标造成的影响只作用于其中若干个局部分块,而其他分块不受此影响,尽可能保证稳像的准确性。采用该方法稳像后的图像与参考帧图像的均方根误差(RMSE)值明显下降,与参考帧图像更加吻合。
针对运动背景下帧间稳像技术,提出了一种带运动矢量修正的灰度投影运动估计算法。采用该算法分别对当前帧和参考帧的行、列计算灰度投影序列;将当前帧投影序列局部分块,分别将每一分块与参考帧行、列投影曲线进行互相关计算,得到基于局部投影的行、列运动矢量集合;以分块区域的相关置信度为权系数衡量参数,计算每一分块的像素位移权值,从而计算某一方向帧间的加权运动矢量。实验结果表明:该方法可以使运动目标造成的影响只作用于其中若干个局部分块,而其他分块不受此影响,尽可能保证稳像的准确性。采用该方法稳像后的图像与参考帧图像的均方根误差(RMSE)值明显下降,与参考帧图像更加吻合。
2011, 4(5): 525-530.
摘要:
为了识别采集图像中的平面场景以及建筑物,利用摄像机参数,对平面场景及建筑物成像过程进行了几何分析。首先,根据相机参数以及相机飞行状态分析平面场景成像畸变;然后,对平面场景上的建筑物形状的成像进行几何分析;最后,将相机上采集到的平面场景及建筑物的图像像素数与真实平面场景及建筑物的尺寸建立联系。实验结果表明:已知相机参数及飞行状态的情况下,可以对平面场景及建筑物形状信息进行推导,从而完成目标识别与跟踪。本方法适合在典型建筑物、孤立建筑物、建筑群中具有明显形状特征等情况下对立体目标进行自动捕获与跟踪。
为了识别采集图像中的平面场景以及建筑物,利用摄像机参数,对平面场景及建筑物成像过程进行了几何分析。首先,根据相机参数以及相机飞行状态分析平面场景成像畸变;然后,对平面场景上的建筑物形状的成像进行几何分析;最后,将相机上采集到的平面场景及建筑物的图像像素数与真实平面场景及建筑物的尺寸建立联系。实验结果表明:已知相机参数及飞行状态的情况下,可以对平面场景及建筑物形状信息进行推导,从而完成目标识别与跟踪。本方法适合在典型建筑物、孤立建筑物、建筑群中具有明显形状特征等情况下对立体目标进行自动捕获与跟踪。
2011, 4(5): 531-536.
摘要:
将灰度图像的局部方差分布(QLS)作为表征图像结构信息的一个重要特征,对局部方差分布矩阵进行奇异值分解,计算得到相应的奇异值特征向量;通过计算降质图像与原参考图像局部方差矩阵奇异值特征向量的夹角大小度量两图像的结构相似度,实现了对降质图像的质量评价。实验结果表明:局部方差分布更能突出图像的结构特征,评价结果优于传统的均方误差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)、结构相似度(SSIM)以及直接评价图像像素分布的奇异值分析(SVD)等方法,与人眼视觉感知效果的一致性较好。
将灰度图像的局部方差分布(QLS)作为表征图像结构信息的一个重要特征,对局部方差分布矩阵进行奇异值分解,计算得到相应的奇异值特征向量;通过计算降质图像与原参考图像局部方差矩阵奇异值特征向量的夹角大小度量两图像的结构相似度,实现了对降质图像的质量评价。实验结果表明:局部方差分布更能突出图像的结构特征,评价结果优于传统的均方误差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)、结构相似度(SSIM)以及直接评价图像像素分布的奇异值分析(SVD)等方法,与人眼视觉感知效果的一致性较好。
