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一种有效增强景象匹配制导图适配性的方法

归档日期:07-07       文本归类:地形匹配制导      文章编辑:爱尚语录

  一种有效增强景象匹配制导图适配性的方法_工学_高等教育_教育专区。一种有效增强景象匹配制导图适配性的方法

  维普资讯 第2 5卷 第 4期 20 0 4年 l 2月 制 导 与 引 信 GU I DAN CE & FU ZE VO12 . 5 NO. 4 De 2 4 c. 00 文 章 编 号 : 6 10 7 ( 0 4 0 —0 7 0 1 7 — 5 6 2 0 ) 40 0 —4 一 种 有效 增 强 景 象 匹配 制 导 图适 配性 的方 法 汪 洪桥 , 赵 宗涛 , 蔡 艳 宁 , 方 文 泯 ( 二 炮 兵 工 程 学 院 ,陕 西 西 安 7 0 2 ) 第 10 5 摘 要 : 象匹配技 术是 巡航 导弹 实现精 确末 制导 的关键 , 景 而制 导 图 的 匹配性 能如 何 . 怎 样选择 及预 处理制 导 图 , 又严重影 响 着景 象匹配 的效果 。从 制导 图的预 处理 出发 , 找到 一种 有 效消 除 图像 灰度畸 变的方法 , 而增 强 了制 导 图的适配 性 。仿 真试 验证 明 , 方法 能很好 地提 从 该 高 图像 的对 比度 , 出图像 特征 , 高景 象 匹配的 正确 率。 突 提 关 键 词 :末 制 导 ;景 象 匹 配 ; 准 图 ;实 时 图 基 中 图 分 类 号 : J7 5 3 T 6 . 文献 标识 码 : A An Ef i i ntM e h d I pr v ng t u t b lt f fc e t o m o i he S ia iiy o S e a c i g Gu d n e I a e c ne M t h n i a c m g s W A N G o g- i o, ZHA 0 n —a CA I Yan n n , FAN G e — i H n qa Zo g t o, —ig W nr n a ( eS cn rieyE gn eig Is tt, ia h a x 7 0 2 , hn ) Theo dA tl n ier n tue X ’nS an i 1 0 5 C ia lr n i Ab ta t Th c ne ma c i g tc n l g s t e ke o n o t e tr na i n e o r ie sr c : e s e t h n e h o o y i h y p i tt h e mi lguda c fc u s misl ,b t t e ma c n b l y, t e s lc in a d h e r c s i g me h d f t e g d n e si e u h thi g a ii t h ee to n t e pr p o e sn t o s o h uia c i g s gr a la f ct e fiin y f h s e e ma e e ty fe t h e f e c o t e c n ma c n c t hi g. Fi ds n fiin me h d n a e fce t t o on e i n tn h r y c lds o t l mi a ig t e g a s ae it ri on, i r v s t e ma c i g s ia i t f t e u d n e i g s mp o e h t h n u t bl y o h g i a c ma e . i T h i u a i r s ls s o t t hi esm l t on e u t h w hat s e h d a n nct e c nta t o m a e m t o c n e ha e h o r s f i g s, e e g h m rete i g e t r s a i almp o e t x c t h n r a lt ma e f a u e nd fn ly i r v hee a tma c i g p ob bi y. i Ke r s:t r i a u d nc y wo d e m n lg i a e;s e e m a c ng;da u i g c n thi t m ma e;r a i e i a e e ltm m g 末制 导 的关键 。巡 航 导 弹 在发 射 前 , 许 多 前期 有 0 引 言 巡航 导 弹景象 匹配技 术是 巡航 导 弹实现 精确 准备工 作 。这些 工 作 完 成得 充 分 与 否 , 直 接关 将 系到导 弹制导 精 度 的 高低 , 关 系到 景 象 匹 配 的 更 成 功与 否 。 收 稿 日期 :0 4 8 0 2 0 —0 —1 作 者 ■ 介 : 洪 桥 ( 9 9一)男 , 士 研 究 生 , 要 从 事 数 字 汪 17 , 硕 主 图像 处 理 技 术 的 研究 。 景 象 匹 配 的关 键 技 术 为 了提 高在 基准 图对应 的 区域 进行 景象 匹配 维普资讯 8 制 导 与 引 信 第2 5卷 的匹配概率 l_可 以从 算 法 的完 善 和基 准 图 的 选 l, 取 两方 面进 行努 力 。本 文 从 景象 的适 配 性 、 配 匹 区选 择 以及 制 导图预 处理 的角度对 提 高景 象匹 配 的 匹配概率 进行 介绍 和分 析 。 目前进 行 景象 匹配 区的选 择所依 据 的图像 特 征 主要 有灰 度 方 差 、 自相似 性 、 波 能量 、 小 图像 信 息熵 和 图 像 边 缘 强 度 等_ 。 本 文 从 图 像 的灰 度 3 及 图像 特征 人手 , 图像信 息熵 为例详 细论 述 以 因为 图像 函数 具 有 非 负 性 , / , ) 0 即 、 Y≥ , ( 因 此 定 义 图 像 的熵 为 M N 1 1 景象 的适 配性分 析 . 景象适 配性 是 有 限 景象 区域 的 一种 性 质J , 该性质 体现 特定 景象 区域提 供导航 位 置修正 信息 的能力 , 这种 信 息可 用 于 采 用数 字 式 景 象 匹配 区 域 相 关 器 ( ii l cn ac ig A e orl— D gt e eM thn ra C re aS a ^ ≈一∑ ∑ Pl p , i g。 j o i 1 J = 1 ≈ 上L ∑ ∑ i ) (, i I J= l () 1 t n 简 称 D MAC) 术 的 飞行 器 惯 导 系 统 进 行 i , o S 技 式 中, , f( , ) ^ 为 Y 的熵 。如 果 只 对 图像 的某 一 局部 特征 定 义熵 , 称 其 为局部 熵 。由熵 的定 义 则 可知 , 图像 的局 部熵 反 映 了局 部 所 含信 息 量 的 大 小 。熵越 大 , 图像 所 含信息 也越 多 , 越有 利于 匹 就 配, 反之则 不利 于匹 配 。因此 , 选取 熵值 较大 的 应 制导 图参 与匹配 。 13 制 导 图 的 预 处 理 . 位 置修 正 。景象适 配性 分析是 指对 给定 的一块 景 象 区域 , 预先 对景 象 匹 配 系统 中的 景 象 匹配 定 位 性 能做 出评估 、 分析 , 根据 系统 对匹 配定位 系统 性 能 的要求 , 定该 区域是 否可 以作 为景象 匹配 区 。 确 当分 析景 象匹 配辅助 导航 系统在 特定 景象 上 的匹配定 位性 能 即导 航 性 能 时 , 区域 景 象 数据 该 的信息 内容是 最重 要 的因素 。如果选 择 的景象是 单一 纹理 自相似 的景 象 区域 , 如水 平 面 或平 坦 的 沙 漠地带 , 么无论 基准地 图 的制 备精 度有 多高 , 那 实时 图测 量误差 有多 小 , 配算法 有 多好 , 很难 匹 都 期望 景象 匹配辅 助导航 系统 在这样 的 区域上 有 良 好 的匹配 定位 性 能 。 因此 要 增 强 景 象 的适 配 性 , 制导 图局部 就必须 要有 一些 明显 的特征 ( 如纹 理 、 在景 象 匹配 中 , 与 匹配 的两 幅 图像 的成 像 参 条件是 不 同的 , 成两 者之 间存在 畸变误 差 , 造 或者 因制 导 图本身 的特 征并 不 是 很 明 显 、 图像 对 比度 不 高等 , 使得 匹配 相 似 度 的计 算 与 匹 配位 置 的判 断 出现偏 差 , 而影 响匹 配 的结 果 。为 了准 确地 从 进行 图像理 解 , 须 运 用 图像 预 处 理 消除 这 些 误 必 差 因素对 配准 图 的影 响 。 边缘 ) 来作 为匹配 定位 的基 准参照 。 在图像 预处 理 中 , 除 图像 灰 度 畸 变 是 一项 消 1 2 景象 匹配 区的选择 . 景 象 匹配区选 择 的概念是 指按 照一定 的要求 或 准则在 已确 定 大 小 的 众 多 地 图 中选 取 特 征 明 显、 信息 量大 、 可匹 配性 高 的数字 地 图作为制 导基 准图 。对 于地形 匹 配 制导 ( e a o tu t — Tr i C norMa h rn c 重要任 务 。图像 灰 度 变 化 主要 由下 列 因 素 引起 : ① 由图像 获取 器 引起 整个 信 号 电平 的均 匀变 化 ; ② 地 物 反射 率 的变 化 ; 云块 、 物 等 的遮挡 效 ③ 景 应, 以及 太 阳在不 同位 置 而产 生 的 阴影不 同等 造 成 的 信 号模 糊 ; 光 照亮 度 的 改 变 , 阴 雨天 气 ④ 在 下, 图像 的灰 度 值 普 遍 偏 低 , 物 之 间 对 比不 明 景 显 ; 在 多云 天气下 , 照亮 度有 所增 加 , ⑤ 光 图像 可 ig 简称 T R OM) , 用 地 形海 拔 高 度 特 征 n, E C 区 利 进行 位 置识 别 , 用 地形 的标 准 差 、 常 粗糙 度 、 形 地 相关 长度 等统计 特征参 数作 为选取 标准 。一 般情 况下 , 已确 定 的 T R O 区 内 , 准 差 较 大 、 在 E C M 标 分 辨度 增 强 ; 在 晴天 条 件 下 , ⑥ 图像 的灰 度 值 最 亮 , 至 有 时会 达 到 饱 和 ; 在 有 云雾 遮 挡 的情 甚 ⑦ 粗糙度 较 高 、 地形 相关 长度 较 小 的地形 图 比较 适 合作 为地形 匹配基 准 图 ; 对于 D MA S C区 , 由于 利 用的是 地面 的二 维 图像 信 息 , 比之下 其 选 取 方 相 法较为 复杂 。 况下, 图像 可见 度减 弱 ; 在 照 度不 均 匀 的情况 ⑧ 下, 图像 各 部 分 的 明 暗对 比改 变 ; 在 光 照 比较 ⑨ 强 时 , 产生 阴影 区等 。所 有 这 些都 带 来 图 像灰 会 度分 布 的变化 , 为匹 配带来难 度 。 维普资讯 第4 期 汪洪桥 , : 等 一种 有效增 强景 象匹配制 导 图适配性 的 方法 9 2 直 方 图均衡 化 直方 图均 衡化 是消 除图像 灰度 值过 于集 中的 一 种 有 效 途 径 , 能 使 图 像 灰 度 分 布 分 散 , 它 景 幅图像 中灰 度级 出 现 的概 率 P ( ) , 可 物 问 的界线鲜 明 , 比度 增强 , 对 其实 现原 理如下 。 一 近 似为 P ( )= ( = 0, , , k 1 … L一1 ( ) ) 2 ()原 图像 a 式 中 , 为图 像 的第 k级 灰 度 级 ; 为 图 像 中 灰 度级 是 的像 素 的个数 ; 为 图像 像 素的 总和 ; L 为图像 中灰度 级 的总数 。 由于 文 中涉 及 的图像都 是 2 6级 灰度 图像 , 5 因此 L 为 2 6 5 。因为 P ( ) 给 出 了对 出现概 率 的一 个估 计 , 以直 方 图提 所 供 了原 图的灰 度值 分 布 情 况 , 中可 以看 出 一 幅 从 图所 有灰 度 的整体描 述 。 直方 图均衡 化 的基本思 想是 把原 图的直 方 图 0 5 0 l0 o l0 5 20 o 20 5 变换 为均匀 分 布形 式 , 就 增加 了像 素 灰 度值 的 这 ( )原 图 像 直 方 图 b 动态 范 围 , 而达 到增 加 图像 整体 对 比度 的效 果 。 从 在式 ( ) 2 的基 础 上可 以得 到其 累 积 分 布 函数 ( u C— muaieDsr uinF n t n 简称 C F 为 l v i i t u ci , t tb o o D ) k 靠=∑ =∑ P( r ) I_0 “ =0 ( = 0, , , 一 1 k 1… L ) () 3 于是可 得 出图像直 方 图均 衡化 的一 般步骤 : a )统 计原 图 的各 灰度 级像素 个数 ; b )利 用式 ( ) 计算 图像 的原始 直方 图 ; 2, C )利 用式 ( )计算 图像 的 累积直方 图 ; 3, d )取 S =it( n[ L一1 S )+0 5 , 出新 的 灰 . ]求 度级 S , 进而 求 出第 k级 对应 的新 灰度值 ; e )对应地将 原 图第 k级 灰 度级 赋 以新 值 t , 可得 到直 方 图均 衡化 的新 图像 。 便 据 此 , 图 1 a ( 小 为 1 0×1 0 素 ) 对 () 大 6 6像 进 行灰度 校 正 , 方 图均 衡 化 的 结 果 如 图 1 C 所 直 () ( )直 方 图均 衡 化 结 果 c 示, 相应 的灰度 直方 图 分别 为 图 1 b 和 图 1 d 。 () ( ) 直 方 图 中横 坐 标 为从 0到 2 5的各 灰 度 级 , 坐 5 纵 ( )均 衡 化后 直 方 图 d 标 为各灰 度级 像 素 的个 数 , 以看 出 图像 的 动 态 可 范围增加 , 比度 明显 增 强 , 节更 加 突 出。 图 2 对 细 为仿 真 中的基 准图和 直方 图均衡 化结 果 。 图 1 图 像 的 直 方 图 均 衡 化 效 果 图 Fi 1 Re u t q p ieo so r m o n m a e g. s lsofe uios fhit g a f ro e i g 维普资讯 l 0 制 导 与 引 信 第2 5卷 为零 , 实 际情 况 中 , D( ) 在 当 u, 小于 某一个 阈值 时, 即认 为匹 配成 功 。 , 具体试 验 方 法 是 : 取 图 1 a 作 为基 准 图 , 选 () 选取 图 2 a 和 图 2 b 并 加入 椒盐 噪声 , () () 模拟 实 时 图的候选 区 域 。图 3为 上 述 两 图 信 噪 比为 6 9 。2 t ■ ( a )曝光过度 的基准 图 的加 噪 结 果 。 ‘ 。 。 ? . ● ’ 、 ., 、 ‘ : , ’ . . : . . , . , ? + ~ 一 ? . 。 。 。 . 、 ? ’ -' . 一 . ._ l_ ’ . :i 。 : . j . ‘ . . ’ . . ( a )直方 图均衡化前的加噪结果 () b 直方图均衡化 结果 图 2 仿 真 中 的基 准 图及 直 方 图均 衡 化 结 果 Fi 2 Th a u m a e a d rs l o q ioie g. e d t m i g n e ut fe up s ofhso a n sm ua in itgrm i i lto 3 直 方 图均 衡 化对 匹 配性 能 的影 响 ()直 方 图均 衡化 后 的 加 噪 结 果 b 选取基 于 图像 灰度 特 征 的 MA 经 典 算 法 , D 图 3 加 噪结 果 Fi 3 Th ie a ng r s t g. e nos ddi e ul 对 图像进 行 匹配仿 真试验 。MA 算 法定 义 为 D Nl N2 D ) ( = ∑ ∑ 一 f4 Y ( ) 匹配 时 , 多种信 噪 比条件下 , 次进行 。如 在 依 在 图 3的信 噪 比条件下 , 图 3 a 和 图 3 b 中分 在 () () 别 随机 选取 10个 大小 为 6 ×6 0 4 4的区域 , 为匹 作 配的实 时 图 , 每 幅实 时 图 分别 与 基 准 图进 行 匹 将 配 , 录每次 的匹 配结 果 , 记 统计 出 1 0次 匹配 的匹 0 配误差 均值 、 差方 差 和 正 确 匹 配概 率 。试 验 数 误 据 如表 1 。 对应 到匹配 图像 中 , 、 N1 N表示 实 时 图的长 与宽 ( 即像 素点 的个 数 ) Y和 分别 为 实 时 图 和 , ( ) 的基 准 子 图对 应 像 素 的灰 度 值 , u u, 处 D( , ) 描述 实时 图与对 应 基 准子 图之 间误 差 的大 小 。 当实时 图与 基 准 子 图 完全 相 同时 , u, ) 小 D( 最 表 1 匹配 仿 真 结 果 Ta . Th e u to t h n i ua in b1 ers l f ma c i g s m lt o 信噪 比 未加噪 l 0 0 8 79 6 69 .2 57 3 结果项 误差 误差 正确 匹配误差 误差 正确匹配误差 误差 正确匹配误差 误差 正确匹配误差 误差 正确匹配 均值 方差 概率 均值 方差 概率 均值 方差 概率 均值 方差 概率 均值 方差 概率 l 5 10 0% 4 .4 4 6 9 55 3 3 0 0 1 % 4 1 5 .8 9l 5 8 4 0 4 4 5 5 3 44 9 6 1 4 1 0 6 % 5 54 1 2 0 直方图均衡化前4 .3 3 2 0 85 64 直方图均衡化后 0 0 1 0 4 7 2 8 3 9 % 0% 7 9 5 1 9 1 4 12 8 % .1 5 0 3 2 2 3 .8 6 % 199 6 3 2 ( 下转 第 1 4页) 维普资讯 l 4 制 导 与 引 信 第2 卷 5 当然 , 还有 许多 关键技 术 , 如光学 系统无热 化 行, 要研究 工 程应用 急需 的理 论实 践 问题 , 追求 新 技术 与解 决 型号工 程应用 问题 要并 重 ; c )预研 工 作 考核 应 纳入 型 号研 制 的 管 理 过 设计 问题 、 高精 度稳 像跟踪 ( 位标 器或 者数 字稳 像 技术 ) , 等 这些都 是将 弹道 导弹 应用到 红外成 像 制 导技术 上 的障碍 , 要 再进 行研究 。 需 程中, 特别 要注 意打 破 研 究成 果 “ 之 高 阁” 局 束 的 面 , 动研 究成果 的快 速应 用 , 决研 究成 果与具 推 解 体利 益 之 间 的矛 盾 , 求 国家 利 益 最 大 化 , 免 寻 避 “ 宁愿成 果腐 烂没 有利 益也 不提 供应 用” 的局 面 。 3 看 法 与建 议 长期而复杂的工程 , 需要联合各相关专业 的力量 , 在总体 型号牵 引 的条件 下集 中优势 “ 兵力 ” 行攻 进 4 结 束 语 在没 有空 天 和信息优 势 的 国家 弹道 导弹应 用 红外成 像 制导 的需 求 越 来 越 迫 切 , 相应 的红 外 而 成像制 导技 术 的发 展 水 平 又 相 对 落后 , 后 于 导 滞 弹应 用 的需求 , 因此需 要加 大力 度进 行研究 , 弹道 导 弹设 计 师和红 外成 像制 导技 术研究 人员 的 密切 合作 , 是 推动 弹 道 导 弹应 用 红 外成 像 制 导 进 程 将 的强力 催化 剂 。 参考 文献 坚战 。 目前急 需 解 决 的是 有 无 问题 , 即在 确 认 某 一 区域有 某种 攻击 目标 ( 际作 战 时 , 实 可通 过侦 察 获得 这种 信息 ) 的先 验信 息 的基 础上 , 研究 弹道 导 弹的红外成 像 制导 和 自动 目标 识 别 技 术 , 使 该 并 技术 尽快 应用 到型 号上 , 后在 此基 础上完 善 、 然 改 进, 寻求 真正 的 A TR技 术 。 在弹道 导弹 研 制 过 程 中 , 应加 强 弹 道 导 弹红 外成像 制导 技术 的预 先 研究 工 作 , 将 预 先研 究 并 工作 纳入 型号研 制 的管理 过程 中。就 弹道导 弹红 外成像 制导 技术 的研究 , 文提 出以下 几点 意见 : 本 工 ,整 罩 像 性 目 特 研 、高 作如 流 成 特 、标 性 究 超 速 动态红外 图象 数 据 的 获取 方 法 、 体应 用 技 术 等 总 方面 的研 究工 作 , 弹 道 导 弹早 E应用 于 红 外 成 为 t . L a . 弹 的先究 … 预! 妄 会 文 [ ‘ 外 。 茹 与 c : , , ’ 襄 蓁 像 制导 奠定基 础 ; 间的沟通 , 且理 论 研 究要 结 合 型 号工 程 实 践 来进 [ 2] 程传浩 王 瑞 臣 , 德 信 . 道 导 弹 的 突 防 与 拦 截 路 弹 []飞航导弹,023()2—3 J. 20 , 2 :0 . 0 2 离的估算[]红外与激光工程,02() J. 20 ,2 . ( 上接 第 1 0页) 从 表 中数据 可 以看 出 , 未加 噪 和 几 种 信 噪 在 比条件 下 , 以直 方 图均 衡 化 前 的 图像 子 图作 为实 在灰度 畸变条 件 下 的适 配性 , 大提 高 了景 象 匹 大 配 的正 确 匹配概 率 。 衡 后匹 配的误妻 和方 差都 大 幅减 小 , 化 置差均值 璺 兰 正确 参 文 苎 考…一 献 … , 匹配率 大大提 高 , 在信 噪 比大 于 7的情况 下 , 能得 到 8 %以上 的正 确 匹配率 。 由此 可 知 , 0 直方 图均 衡 化后 的图像 具有较 强 的适配 性 。 [ ] 沈振康. 1 地形( 地图) 匹配系统[ . M]长沙: 国防科技 大学出版社, 8 ? 14 9 [ 2] 赵锋伟? 景象匹配算法、 性能评估及其应用[ ]长 D? 4 总 结 本文采 用 的这种方 法 能很好 地提 高图像 的对 比度 , 是一 种有效 的 图像预处 理方 法 , 证 了图像 保 [ ]杨 . 向 匹配 3 小冈 面 景象 制导的 像预 问 图 处理 题研 [ 4] R f 1 Go 1 Rih . o 数 字 图 像 处 a 。C 。 , 。d E Wo d . 理[ . M]北京: 电子工业出版社, 0 . 23 0 .

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