本书以红外成像制导武器系统攻击空中目标为主要应用背景，系统阐述了攻击过程中所要求的红外图像降噪与分割、红外空中弱小运动目标检测、红外运动目标跟踪和红外运动目标关键攻击部位识别等红外成像制导图像处理理论、方法和应用技术，涵盖了红外图像应用中涉及的核心内容。全书共九章，包括红外成像制导的概念、多分辨率分析理论、红外成像制导图像降噪和增强、基于模糊理论的红外图像分割、红外空中弱小运动目标检测、基于遗传重采样粒子滤波的红外运动目标跟踪、红外目标关键攻击部位识别、红外成像制导图像处理的加速技术等内容。
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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 红外成像制导图像处理的关键技术及研究现状 2
1.3 本书的主要理论依据 8
1.4 本书的结构和内容安排 10
参考文献 11
第2章 红外导引系统概述 15
2.1 引言 15
2.2 红外导引系统发展概况 15
2.2.1 红外导引系统发展简史 15
2.2.2 主要发展阶段 16
2.2.3 国外红外导引系统发展 17
2.2.4 我国红外导引系统发展 19
2.3 红外导引系统功能 19
2.4 红外导引系统的基本构成 21
2.4.1 红外探测系统 21
2.4.2 跟踪稳定系统 22
2.4.3 目标信号处理系统 22
2.4.4 导引信号形成系统 23
2.5 常用红外成像制导图像处理技术 23
2.5.1 图像预处理 24
2.5.2 图像分辜 26
2.5.3 特征提取 28
2.5.4 目标只另 29
2.5.5 目标跟踪 32
2.5.6 误差信号提取 36
2.6 图像处理计算机 36
2.6.1 关键器件选择 36
2.6.2 系统结构设计 37
2.7 小结 38
参考文献 38
第3章红外成像制导中的图像降噪和增强 39
3.1 引言 39
3.2 小波变换理论 39
3.2.1 小波变换概念 39
3.2.2 多分辨率分析 41
3.2.3 Ma11at算法和图像的离散小波变换 43
3.3 基于最大后验概率准则的小波域降噪和增强算法 46
3.3.1 常用的小波域降嗓算法 46
3.3.2 MAP准则下小波系数萎缩因子的确定 48
3.3.3 小波系数萎缩因子的修正 49
3.3.4 最大后验概率准则降嗓过程描述 50
3.3.5 仿真与分析 50
3.4 C0nt0ur1et变换理论 54
3.4.1 拉普拉斯全字塔 55
3.4.2 方向滤波器组 56
3.4.3 C0nt0ur1et变换过程 58
3.5 C0nt0ur1et域图像降噪和增强算法 59
3.5.1 最大后验概率准则的 C0nt0ur1et域推广 59
3.5.2 C0nt0ur1et域降嗓过程 60
3.5.3 仿真与分析 61
3.6 非下采样 C0nt0ur1et变换理论 66
3.7 非下采样 C0nt0ur1et域混合统计模型红外图像降噪 66
3.7.1 非下采样 C0nt0ur1et域混合统计图像降嗓模型 66
3.7.2 算法流程 67
3.7.3 实验与分析 68
3.8 小结 71
参考文献 72
第4章红外成像制导中的图像分割 74
4.1 引言 74
4.2 基于模糊理论的图像处理 74
4.3 模糊C 均值聚类图像分割 77
4.4 基于邻域加权的模糊C 均值聚类分割 79
4.4.1 初始聚类中心的确定 79
4.4.2 图像邻域空间信息的利用 79
4.4.3 基于样本加权的模糊C 均值聚类算法 80
4.4.4 算法过程 81
4.4.5 仿真与分析 82
4.5 基于核距离邻域加权的模糊C 均值聚类分割 86
4.5.1 算法原理 86
4.5.2 仿真与分析 88
4.6 红外图像双阔值分割算法 88
4.6.1 利用最大类间方差法的双阅值分割 89
4.6.2 基于峰值合并的多阅值提取及其改进 91
4.6.3 阅值范围的选取 92
4.7 加力红外目标图像的分割算法 93
4.7.1 边缘提取算法及选择 93
4.7.2 基于边缘和子区域分割算法 95
4.8 区域选择与填充 96
4.9 红外图像序列的分割 98
4.10 小结 99
参考文献 99
第5章红外成像制导中的弱小运动目标检测 101
5.1 引言 101
5.2 红外弱小目标图像序列模型 102
5.3 基于尺度间系数相关性的小波域小目标检测 104
5.3.1 噪声、背景和目标的小波系数特性分析 104
5.3.2 尺度间归一化相关系数的计算及阅值设定 105
5.3.3 考虑小目标面积的单帧图像分割 106
5.3.4 管道滤波序列图像检测 106
5.3.5 算法过程 107
5.3.6 仿真与分析 107
5.4 基于小波高频系数直接映射的小目标检测 110
5.4.1 基于系数能量的背景抑制 111
5.4.2 小波高频系数线性映射及关联 111
5.4.3 算法过程 112
5.4.4 仿真与分析 113
5.5 基于尺度间相关性的非下采样 C0nt0ur1et变换小目标检测 117
5.5.1 红外小目标图像的非下采样 C0nt0ur1et变换 117
5.5.2 小波域尺度问系数相关性到非下采样 C0nt0ur1et域的推广 118
5.5.3 算法过程 118
5.5.4 仿真与分析 119
5.6 基于高频能量像的非下采样 C0nt0ur1et变换小目标检测 121
5.6.1 红外复杂背景抑制 122
5.6.2 BP神经网络小目标检测 124
5.6.3 实验与分析 124
5.7 一种基于非下采样 C0nt0ur1et变换和二维属性直方图最大脑分割的红外空中小目标检测 129
5.7.1 非下采样 C0nt0ur1et域红外复杂背景抑制 130
5.7.2 基于二维属性直方图最大娟的红外小目标图像分割 130
5.7.3 算法步骤 133
5.7.4 实验与分析 133
5.8 基于帧间累加与 SUSAN 算子的小目标检测 141
5.8.1 基于巴特沃忠高通滤波的背景抑制 141
5.8.2 相邻帧问的灰度膨胀累加 142
5.8.3 基于 SUSAN 算子的小目标检测 143
5.9 红外弱小目标检测过程的理论分析 145
5.9.1 理论推导所用到的假设检验理论 145
5.9.2 检测概率与虚警概率指标分析 146
5.10 小结 152 参考文献 152
第6章红外成像制导中的运动目标跟踪 155
6.1 引言 155
6.2 运动目标跟踪基础理论
6.2.1 贝叶斯滤波理论 156 156
6.2.2 卡尔曼滤波器 157
6.2.3 粒子滤波理论 158
6.3 图像跟踪所用到的视觉特征 162
6.4 基于遗传重采样的粒子滤波目标跟踪方法 163
6.4.1 粒子滤波算法存在问题 163
6.4.2 利用遗传算法进行粒子重采样163
6.4.3 遗传重采样粒子滤波算法过程164
6.4.4 仿真与分析 165
6.5 红外飞机目标溢出视场后关键攻击部位跟踪 170
6.5.1 目标溢出视场的判断准则 171
6.5.2 局部跟踪点的选择和关键攻击部位的确定 172
6.6 小结 173
参考文献 174
第7章红外成像制导中的目标识别 176
7.1 引言 176
7.2 目标分类与识别的特征概述 177
7.2.1 目标识别的常用图像特征 178
7.2.2 不变性特征的基本概念 180
7.2.3 目标不变性特征选择 180
7.3 飞机目标及其背景的红外特性 181
7.3.1 飞机的红外特性 181
7.3.2 背景辐射 183
7.4 红外飞机目标飞行姿态的判别 183
7.4.1 目标几何不变矩特征提取 184
7.4.2 目标归一化转动惯量及组合矩特征提取 185
7.4.3 飞行姿态的判别 186
7.5 基于飞行姿态的飞机关键攻击部位选择 188
7.5.1 机轴与机翼的判定 188
7.5.2 利用几何关系计算驾驶舱关键攻击部位 189
7.5.3 发动机关键攻击部位标定190
7.5.4 序列图像的关键部位识别 191
7.6 基于亚像素技术的红外目标定位191
7.6.1 亚像素定位技术 192
7.6.2 远距离红外目标的亚像素定位 193
7.6.3 有形状红外目标的亚像素定位 195
7.7 成像段制导信息的获取 200
7.8 小结 201
参考文献 202
第8章红外成像制导图像处理的加速技术 204
8.1 引言 204
8.2 利用单指令流多数据流指令集加速红外图像处理算法 205
8.2.1 S1MD 指令集概述 206
8.2.2 利用 S1MD 指令加速红外图像处理算法 208
8.2.3 基于 S1MD 硬件指令加速的并行光线跟踪算法 211
8.3 利用多核技术加速红外图像处理算法 217
8.3.1 多核多线程技术 217
8.3.2 0penMP多线程编程 219
8.4 基于图形处理器的红外图像处理算法加速221
8.4.1 GPU 通用计算模型 223
8.4.2 利用 GPU 加速的小波变换 225
8.4.3 利用 GPU 加速的 FCM 聚类算法 231
8.4.4 利用 GPU 加速的粒子滤波算法 235
8.5 小结 239
参考文献 239
《红外成像制导图像处理技术》：
在远距离跟踪阶段，导弹与目标的相对距离很大，目标在成像系统中所成的像只是孤点或几个像素组成的斑点，在视场中存在的时间很长，信号强度弱且易被杂波湮没，此时若能稳定检测出目标，对于增大作战距离和增加反应时间，提高己方的生存概率具有重要的意义。随着导弹与目标之间的相对距离的减小，目标在红外成像系统中所成的像逐渐由斑点目标变为多个像素所组成的图像。当导弹与目标的相对距离缩小到一定值时，红外成像系统的焦平面上的目标像素数急剧增加，目标图像的细节更加丰富。此时，要求导引头根据目标形状识别目标类型并确定目标的要害部位进行攻击。在近距离目标充满视场阶段，导弹与目标距离非常接近，目标图像完全充满整个视场，导引头进入盲区工作距离。由于受导弹机动能力的限制，该过程要求以先前获得的攻击部位为指导，在导引头失去对导弹的控制能力之前，确定目标的最终攻击方位。
红外波段的辐射波长比无线电波短、比可见光长，因而红外图像的空间分辨力比雷达高、比可见光低。由于成像器件本身存在的缺陷和环境因素的影响，红外图像本身具有细节模糊不清、对比度弱等特点，所以在对目标进行检测与识别前，需要对红外图像进行降噪和增强等预处理。由于在成像机理上存在本质的差异，红外图像相对于可见光图像有着如下不同的特点：
（1）红外图像不受能见度的影响，红外成像系统具有在恶劣阴暗环境条件下工作的能力，可全天时昼夜工作，而可见光成像则不行。红外辐射穿透烟雾和大气的能力比可见光强，能克服部分视觉上的障碍而探测到目标，因此红外成像系统具有较大的作用范围和很强的抗伪装干扰能力。另外，当太阳光照射时，目标的可见光图像可能会受到阴影的影响，而红外图像则无此缺点。
（2）在好的光线和可视条件下，可见光图像相对红外图像有较好的颜色对比度和细节分辨率，这主要表现为边缘的差异和纹理特征的不同。可见光图像反映场景的空间分辨率，灰度信息较为丰富，物体棱角分明，立体感较强，其边缘较陡且结构复杂。红外图像反映场景的温度分辨率，它实质上是辐射强度分布图，灰度层次较少，边缘相对平滑，无立体感。可见光图像能够较好地反映物体表面的纹理细节并利用其判别目标，而红外图像则很难直接利用纹理信息。
（3）外界环境的随机干扰和热成像系统的不完善，给红外图像带来多种多样的噪声，这些分布复杂的噪声使得红外图像的信噪比相对于可见光图像要低。此外，由于红外探测器各探测单元的响应特性不一致等原因，造成红外图像的非均匀性，这主要体现为图像的固定图案噪声、串扰、畸变等。
（4）由于大气对不同的红外波段辐射的吸收与随机散射程度不同，不同波段的红外图像反映同一场景的灰度信息是不同的。利用多波段红外图像进行融合处理，可得到更多的有效信息。
（5）实际景物红外图像的像素之间存在较大的相关性，目标的红外图像含有较多的同质区，像素的灰度具有良好的空间相关性。红外图像像素灰度值的动态变化范围不大，很少充满整个灰度级空间，绝大部分像素集中于某些相邻的灰度级范围，这些范围以外的灰度级上则没有或只有很少的像素，而可见光图像像素的灰度值则分布于几乎整个灰度级空间。
……
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