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机载光电平台红外与可见光图像融合系统关键技术研究

左羽佳  
【摘要】:搭载红外与可见光传感器的机载光电平台可昼夜工作,且红外与可见光传感器获取的图像含有大量互补信息,将其融合可以提高无人机对目标侦察及识别的准确性。航空图像成像环境复杂,天气变化、光照变化及机身抖动等都会对成像质量产生影响,导致机载光电平台获取的图像空对地目标背景复杂,增加了红外与可见光图像融合的难度。研究如何有效提高融合图像目标特性,消除噪声及图像间的相对形变对融合精度的影响,提出高精度的快速异源图像配准方法及互补信息丰富、抗噪性能强的融合方法,有着理论和现实方面的迫切需要。本文探讨了红外与可见光图像融合的基础理论和发展动态,系统地研究了图像融合的各个环节。重点围绕如何提升航空红外与可见光图像融合精度问题,研究并实现了高精度红外与可见光异源图像配准;针对航空红外与可见光图像融合的需求,设计了目标突出、融合精度高的结合区域分割的图像融合方法;并结合机载光电平台实际工程应用的需求,设计了基于光学标校的变焦系统红外与可见光配准方法,实现了机载光电平台红外与可见光融合系统的实时处理。本文主要研究内容及贡献归纳如下:1.针对机载光电平台获取图像的过程中会因载机抖动、传感器调焦误差等因素引起图像间存在平移、旋转、缩放等图像形变的问题,结合红外与可见光传感器成像反映不同波段光谱特性导致图像间灰度差异大的特点,设计了适用于多种应用场景的高精度基于边缘轮廓描述的点特征异源图像配准方法。首先在特征提取阶段通过采用多尺度角点检测方法在异源图像中检测边缘轮廓上的显著角点,并为特征点定义主方向,得到带有尺度、位置及方向信息的显著特征点;然后在特征描述阶段采用基于形状特性对特征点描述的方式生成形状描述子,并缩小特征描述的搜索窗口,提升算法运算效率;最后结合快速最近邻搜索以及ransac算法对特征点进行快速匹配及剔除误匹配点对,提升配准精度。实验结果表明,提出的配准方法能够有效地改善异源图像同名特征提取的准确度,能够满足多种应用场景的高精度红外与可见光图像配准,并且在保证配准精度的同时,对配准方法的运算效率也有所提升。2.针对航空红外图像背景复杂、信噪比低导致红外与可见光融合图像目标背景信息模糊、目标特性不突出且易受噪声干扰的问题,结合红外图像热目标信息突出的特点,提出了一种基于显著性指导的区域分割策略。首先对红外图像进行基于全局对比度的显著性提取,根据显著性结果再进行图像分割,由于经显著性提取后,红外图像的热目标信息会增强,背景信息会模糊,使得整个红外图像的对比度增强,这种分割策略能够突出红外图像中的目标区域,并有效抑制噪声对红外图像分割的影响。3.针对机载光电平台红外与可见光融合图像对比度差、融合精度低、易受噪声干扰的问题,提出一种双树复小波(dtcwt)域内结合区域分割的红外与可见光图像融合方法。首先,基于显著性对红外图像进行区域分割,确定感兴趣区域及背景区域,将分割结果映射到可见光图像。然后在dtcwt域内,对低频分量结合区域分割进行融合;对高频分量根据区域细节信息的丰富程度分配区域权值并结合自适应相位进行融合,再引入收缩函数抑制噪声。最后将融合后的低频及高频分量重构得到融合图像。实验结果表明,提出的融合方法能够充分提取源图像中的互补信息,得到的融合图像目标突出,场景细节信息丰富,且方法稳定性好,融合精度高,能够满足机载光电平台红外与可见光融合系统对融合方法的需求。4.针对机载光电平台红外与可见光图像融合系统对实时融合处理的需求,进行了图像融合系统的硬件设计,设计了基于fpga的图像融合硬件平台。根据硬件平台及实际工程应用要求,采用光学标校及变焦系统平移量标定的方式完成了异源图像配准参数的计算,根据实时性要求确定了融合算法。最后,对融合系统进行了实验验证,图像融合效果良好,处理时间满足实时性要求,系统可满足实际工程需求。


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