红外图像处理与仿真技术应用研究
|
摘要
高新技术的研究和应用大大提高了空中目标的战术技术性能,这就要求红外空空导弹必须采取相应措施来对付空中目标提出的挑战。
图像处理技术是红外导引头上的关键技术,直接影响对目标的捕获和识别。论文基于灰色关联分析的边缘检测方法,结合Canny算法,得到了一种有效的边缘提取策略。相对于传统边缘检测方法中的梯度图像,论文提出“灰色关联度图像”的概念。指出并讨论了灰色序列方向对边缘方向的敏感性,采用不同方向的灰色序列可以得到和梯度方向算子相似的效果。论文由各方向序列下的灰色关联度图像进行边缘方向判断,沿各方向进行非极小值抑制(NMS),对灰色关联度图像进行细化,然后设定自适应高低阈值进行边缘连接,具有很好的边缘提取效果。
为了给边缘跟踪阶段提供实时有效的边缘信息,论文提出应用几种最简边缘检测算法提取红外目标,分别基于梯度运算、灰色关联分析和形态学运算。文中推导了最简算法并进行了仿真实验,分析了算法的运算量并与经典算法做了对比。
为了对红外导引头各种性能进行测试评估,也需进行红外视景仿真技术的研究,以加速红外成像制导在军事装备中的应用。在进行红外视景图像仿真的研究工作中,文中讨论了OpenGL图形绘制技术、圆顶形天空的建模、MilkShape3D三维造型过程、粒子系统原理,用这些技术分别构建了红外视景中的天空背景、飞机目标、飞机尾焰和红外干扰弹。实时产生的视景图像真实感强,具有良好的视觉效果。
In modern dogfight, high maneuverability of the target calls for higher image processing abilities of the air-to-air IR Missiles.The image processing technique is one of the keys in IR imaging seeker. It influences the capture and identification of the target directly. Based on gray correlation analyse edge detection method and canny algorithm, a new valuable edge detection strategy is proposed in this thesis. Compared with gradient image, "gray correlation degree image" as a novel conception is put forward and discussed. The edge direction can be determined according to the gray correlation degree sub-images. Non minimum suppression and edge connection are carried out along various orientations of the image to get thin continuous edge.Several simplest edge detection algorithms based on gradient operation, grey relational analysis and mathematical morphology are developed in this thesis to provide real-time useable edge for tracing stage. The formulas are reasoned out and compared with the classical operators. Simulation results show that the proposed algorithms extract edges quickly and meet the engineering demands of the IR air-to-air missiles.To test and evaluate the IR seeker, study on IR scene image simulation is also necessary. The design ideas and implementation method to generate dynamic IR images with computer are addressed here. OpenGL graphics technique, modeling of the "sky dome", MilkShape 3D creation method, principle of particle system are discussed. These techniques are used to construct sky background, fighter plane, trail and IR jamming respectively in the IR scene simulation system. The real-time scene's IR images produced by this system are true to nature and have good vision effect.
图像处理技术是红外导引头上的关键技术,直接影响对目标的捕获和识别。论文基于灰色关联分析的边缘检测方法,结合Canny算法,得到了一种有效的边缘提取策略。相对于传统边缘检测方法中的梯度图像,论文提出“灰色关联度图像”的概念。指出并讨论了灰色序列方向对边缘方向的敏感性,采用不同方向的灰色序列可以得到和梯度方向算子相似的效果。论文由各方向序列下的灰色关联度图像进行边缘方向判断,沿各方向进行非极小值抑制(NMS),对灰色关联度图像进行细化,然后设定自适应高低阈值进行边缘连接,具有很好的边缘提取效果。
为了给边缘跟踪阶段提供实时有效的边缘信息,论文提出应用几种最简边缘检测算法提取红外目标,分别基于梯度运算、灰色关联分析和形态学运算。文中推导了最简算法并进行了仿真实验,分析了算法的运算量并与经典算法做了对比。
为了对红外导引头各种性能进行测试评估,也需进行红外视景仿真技术的研究,以加速红外成像制导在军事装备中的应用。在进行红外视景图像仿真的研究工作中,文中讨论了OpenGL图形绘制技术、圆顶形天空的建模、MilkShape3D三维造型过程、粒子系统原理,用这些技术分别构建了红外视景中的天空背景、飞机目标、飞机尾焰和红外干扰弹。实时产生的视景图像真实感强,具有良好的视觉效果。
In modern dogfight, high maneuverability of the target calls for higher image processing abilities of the air-to-air IR Missiles.The image processing technique is one of the keys in IR imaging seeker. It influences the capture and identification of the target directly. Based on gray correlation analyse edge detection method and canny algorithm, a new valuable edge detection strategy is proposed in this thesis. Compared with gradient image, "gray correlation degree image" as a novel conception is put forward and discussed. The edge direction can be determined according to the gray correlation degree sub-images. Non minimum suppression and edge connection are carried out along various orientations of the image to get thin continuous edge.Several simplest edge detection algorithms based on gradient operation, grey relational analysis and mathematical morphology are developed in this thesis to provide real-time useable edge for tracing stage. The formulas are reasoned out and compared with the classical operators. Simulation results show that the proposed algorithms extract edges quickly and meet the engineering demands of the IR air-to-air missiles.To test and evaluate the IR seeker, study on IR scene image simulation is also necessary. The design ideas and implementation method to generate dynamic IR images with computer are addressed here. OpenGL graphics technique, modeling of the "sky dome", MilkShape 3D creation method, principle of particle system are discussed. These techniques are used to construct sky background, fighter plane, trail and IR jamming respectively in the IR scene simulation system. The real-time scene's IR images produced by this system are true to nature and have good vision effect.
引文
[1] 王立,先进红外成像制导技术研究,西北工业大学硕士学位论文,2001
[2] 雷万云,红外成像精确制导信息处理方法研究,西北工业大学博士学位论文,2000
[3] 张凯,红外目标—背景图像合成技术,西北工业大学硕士学位论文,2003
[4] 周须峰,红外目标图像计算机生成与控制技术,西北工业大学硕士学位论文,2002
[5] 简爱平,红外目标图像建模与仿真,西北工业大学硕士学位论文,2001
[6] 刘延斌、金光,半实物仿真技术的发展现状,光机电信息,No.1,2003
[7] 左月萍、张建奇,红外成像系统仿真技术的现状与未来,红外与激光工程,Vol.31,No.5,2002
[8] 郭齐胜、董志明,战场环境仿真,北京:国防工业出版社,2005
[9] 涂红明,基于内热蒙皮辐射飞行目标红外成像仿真系统,浙江大学硕士学位论文,1999
[10] 阮秋绮,数字图像处理学,北京:电子工业出版社,2001
[11] Gonzalez C Rafael,Woods E Richard,数字图像处理(第二版),北京:电子工业出版社,2003
[12] 何斌、马天予、王运坚等,Visual C++数字图像处理(第二版),北京:人民邮电出版社,2003
[13] J. Canny, A Computational Approach to Edge Detection, IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, PAMI-8, no. 6, 1986
[14] 邓聚龙,灰色系统理论教程,武汉:华中理工大学出版社,1990
[15] 季虎、孙即祥、邵晓芳等,图像边缘提取方法及展望,计算机工程与应用,Vol.14,No.4,2004
[16] 马苗、樊养余、谢松云等,基于灰色系统理论的图像边缘检测新算法,中国图象图形学报,Vol.8,No.10,2003
[17] Deng Julong, Transformation in Grey Inference, The Journal of Grey System, Vol. 9, No. 4, 1997
[18] 郑子华等,基于灰色绝对关联度的边缘检测算法,福建师范大学学报(自然科学版),Vol.20,No.4,2004
[19] 梅振国,灰色绝对关联度及其计算方法,系统工程,Vol.10,No.5,1992
[20] 方斌、陈天如,空空导弹红外成像制导关键技术分析,红外技术,Vol.25,No.4,2003
[21] Wang Shuqin, Zhang Jinhai, Wang Yong, Simplest Operator based Approach for Efficient and Accurate Edge Detection of Binary Image, The ICAMT2003 Conference Proceedings, World Scientific Publishing Company, 2003
[22] 刘直芳,游志胜,曹刚等,基于多尺度彩色形态矢量算子的边缘检测,中国图形图像学报A版),Vol.7,No.9,2003
[23] 陶洪久,柳建,田金文,基于小尺度的数学形态学遥感图像边缘检测方法,武汉理工大学学报),Vol.34,No.4,2003
[24] K Etemad, R Chellappa, A Neural Network Based Edge Detector, Proc IJCNN, 1993
[25] Xiaofang Sun, D G Lowe, Learning Optional Linear Filters for Early Vision. Proc IJCNN, 1991
[26] 宁新建,空空导弹红外目标仿真系统研究,情报指挥控制系统与仿真技术,Vol.20,No.6,2001
[27] 胡新荣、崔树芹、曾两洋,基于OpenGL的红外图像的读取及处理,武汉科技学院学报,Vol.15,No.1,2002
[28] 刘滨、周建勋、张保民,动态红外景象模拟技术,红外技术,Vol.18,No.2,1996
[29] 王学伟,张卫国,沈同圣,周晓东,飞机目标动态红外图像的计算机生成,红外与激光工程,Vol.28,No.2,1998
[30] 赵松庆,吴永刚,红外干扰特征建模及其仿真装置,系统仿真学报,1998
[31] 王广银,吕进,吴振武,热红外图像的计算机模拟,红外技术,Vol.20,No.5,1998
[32] 唐泽圣、周嘉玉、李新友,计算机图形学基础,北京:清华大学出版社,1995
[33] 乔林,费广正等,OpenGL程序设计,北京:清华大学出版社,2000
[34] 向世明,OpenGL编程与实例,北京:电子工业出版社,1999
[35] OpenGL体系结构审核委员会,OpenGL编程指南(第四版),北京:人民邮电出版社,2005
[36] QIN Bo. LV Tao, Real-time Dynamic Cloud Modeling and Rendering, Proceedings of Computer Graphics, Imaging and Vision: New Trends (CGIV'05), 2005
[37] 王学伟、张卫国,飞机目标动态红外图像的计算机生成,红外与激光工程,Vol.28,No.2,1999
[38] 潘乐义、郑链、王克勇,空中目标的红外图像生成,红外技术,Vol.22,No.4,2000
[39] 宣益民、韩玉阁,地面目标与背景的红外特征,北京:国防工业出版社,2004
[40] Revees William T. Particle Systems—A Technique for Modeling a class of fuzzy objects, ACM Computer Graphics(SIGGRAPH'83), Vol. 17, No. 3, 1983
[41] 詹荣开、罗世彬、贺汉根,用例子系统理论模拟虚拟场景中的火焰和爆炸效果,计算机工程与应用,2001
[42] 和平鸽工作室,OpenGL高级编程与可视化系统开发(高级编程篇),北京:中国水利水电出版社,2003
[43] 和平鸽工作室,OpenGL高级编程与可视化系统开发(系统开发篇),北京:中国水利水电出版社,2003
[2] 雷万云,红外成像精确制导信息处理方法研究,西北工业大学博士学位论文,2000
[3] 张凯,红外目标—背景图像合成技术,西北工业大学硕士学位论文,2003
[4] 周须峰,红外目标图像计算机生成与控制技术,西北工业大学硕士学位论文,2002
[5] 简爱平,红外目标图像建模与仿真,西北工业大学硕士学位论文,2001
[6] 刘延斌、金光,半实物仿真技术的发展现状,光机电信息,No.1,2003
[7] 左月萍、张建奇,红外成像系统仿真技术的现状与未来,红外与激光工程,Vol.31,No.5,2002
[8] 郭齐胜、董志明,战场环境仿真,北京:国防工业出版社,2005
[9] 涂红明,基于内热蒙皮辐射飞行目标红外成像仿真系统,浙江大学硕士学位论文,1999
[10] 阮秋绮,数字图像处理学,北京:电子工业出版社,2001
[11] Gonzalez C Rafael,Woods E Richard,数字图像处理(第二版),北京:电子工业出版社,2003
[12] 何斌、马天予、王运坚等,Visual C++数字图像处理(第二版),北京:人民邮电出版社,2003
[13] J. Canny, A Computational Approach to Edge Detection, IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, PAMI-8, no. 6, 1986
[14] 邓聚龙,灰色系统理论教程,武汉:华中理工大学出版社,1990
[15] 季虎、孙即祥、邵晓芳等,图像边缘提取方法及展望,计算机工程与应用,Vol.14,No.4,2004
[16] 马苗、樊养余、谢松云等,基于灰色系统理论的图像边缘检测新算法,中国图象图形学报,Vol.8,No.10,2003
[17] Deng Julong, Transformation in Grey Inference, The Journal of Grey System, Vol. 9, No. 4, 1997
[18] 郑子华等,基于灰色绝对关联度的边缘检测算法,福建师范大学学报(自然科学版),Vol.20,No.4,2004
[19] 梅振国,灰色绝对关联度及其计算方法,系统工程,Vol.10,No.5,1992
[20] 方斌、陈天如,空空导弹红外成像制导关键技术分析,红外技术,Vol.25,No.4,2003
[21] Wang Shuqin, Zhang Jinhai, Wang Yong, Simplest Operator based Approach for Efficient and Accurate Edge Detection of Binary Image, The ICAMT2003 Conference Proceedings, World Scientific Publishing Company, 2003
[22] 刘直芳,游志胜,曹刚等,基于多尺度彩色形态矢量算子的边缘检测,中国图形图像学报A版),Vol.7,No.9,2003
[23] 陶洪久,柳建,田金文,基于小尺度的数学形态学遥感图像边缘检测方法,武汉理工大学学报),Vol.34,No.4,2003
[24] K Etemad, R Chellappa, A Neural Network Based Edge Detector, Proc IJCNN, 1993
[25] Xiaofang Sun, D G Lowe, Learning Optional Linear Filters for Early Vision. Proc IJCNN, 1991
[26] 宁新建,空空导弹红外目标仿真系统研究,情报指挥控制系统与仿真技术,Vol.20,No.6,2001
[27] 胡新荣、崔树芹、曾两洋,基于OpenGL的红外图像的读取及处理,武汉科技学院学报,Vol.15,No.1,2002
[28] 刘滨、周建勋、张保民,动态红外景象模拟技术,红外技术,Vol.18,No.2,1996
[29] 王学伟,张卫国,沈同圣,周晓东,飞机目标动态红外图像的计算机生成,红外与激光工程,Vol.28,No.2,1998
[30] 赵松庆,吴永刚,红外干扰特征建模及其仿真装置,系统仿真学报,1998
[31] 王广银,吕进,吴振武,热红外图像的计算机模拟,红外技术,Vol.20,No.5,1998
[32] 唐泽圣、周嘉玉、李新友,计算机图形学基础,北京:清华大学出版社,1995
[33] 乔林,费广正等,OpenGL程序设计,北京:清华大学出版社,2000
[34] 向世明,OpenGL编程与实例,北京:电子工业出版社,1999
[35] OpenGL体系结构审核委员会,OpenGL编程指南(第四版),北京:人民邮电出版社,2005
[36] QIN Bo. LV Tao, Real-time Dynamic Cloud Modeling and Rendering, Proceedings of Computer Graphics, Imaging and Vision: New Trends (CGIV'05), 2005
[37] 王学伟、张卫国,飞机目标动态红外图像的计算机生成,红外与激光工程,Vol.28,No.2,1999
[38] 潘乐义、郑链、王克勇,空中目标的红外图像生成,红外技术,Vol.22,No.4,2000
[39] 宣益民、韩玉阁,地面目标与背景的红外特征,北京:国防工业出版社,2004
[40] Revees William T. Particle Systems—A Technique for Modeling a class of fuzzy objects, ACM Computer Graphics(SIGGRAPH'83), Vol. 17, No. 3, 1983
[41] 詹荣开、罗世彬、贺汉根,用例子系统理论模拟虚拟场景中的火焰和爆炸效果,计算机工程与应用,2001
[42] 和平鸽工作室,OpenGL高级编程与可视化系统开发(高级编程篇),北京:中国水利水电出版社,2003
[43] 和平鸽工作室,OpenGL高级编程与可视化系统开发(系统开发篇),北京:中国水利水电出版社,2003