CN108965678A - 一种多孔径变空间分辨率仿生热成像方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔径变空间分辨率仿生热成像方法与装置。使用本发明能够消除大视场搜索与高分辨率成像的矛盾，实现目标空间信息获取及运动目标快速检测，增加目标探测/识别能力。本发明利用多组具有一定倾角的单孔径红外成像探测器组件对目标进行成像，并形成视场部分重叠，将视场划分为多个子视场；重叠的探测器越多，则该区域分辨率越高；然后通过大视场拼接和高分辨图像处理构成类似仿人眼“大视场搜索、中心视场分辩”的视觉模式，实现多孔径变空间分辨率仿生热成像的基本功能，缓解大视场与高分辨率的矛盾；利用子孔径所形成的重叠视场形成视轴发散的多目立体视觉，可实现目标空间定位以及运动目标快速探测。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测和图像处理技术领域，涉及一种热成像系统的成像方法、成像理论和分布模式，具体涉及一种多孔径变空间分辨率仿生热成像方法与装置。
背景技术
红外热成像是当前国内外重点发展的关键技术。由于红外焦平面探测器阵列(InfraRed Focal Plane Array,IRFPA)相对硅基可见光CCD/CMOS探测器规模小得多，使得系统作用距离与成像视场的矛盾更为突出。多孔径成像技术是当前迅速发展的新型成像模式，可望解决或减缓传统单孔径热成像的诸多问题：1)大视场与高分辨率的矛盾；2)衍射限系统的小型化问题；3)单孔径成像未发挥光学并行处理；4)成像过程丢失景物三维信息问题；5)缺乏生物视觉对运动物体的自身检测、跟踪和判断能力。
人类与许多哺乳动物都具有堪称完美的“双目立体视觉系统”，但其成像视场分辨率并非均匀分布，而是从中心到边缘像素迅速降低，保证了对大视场的搜索及对关注目标的高分辨凝视辨别，结合双目交汇视场更可获得近距离或运动目标的空间定位。而诸如蜜蜂、蜻蜓等昆虫的复眼则是另一类理想的小型化、多孔径和大视场的视觉系统，虽然由于复眼子孔径很小，使昆虫视力较差，且对环境照度要求较高，但其对运动目标却具有很高的探测灵敏度，对光的强度、波长(颜色)和偏振等也有较强的分辨力等智能特征。目前人造光电成像系统大多为单目系统，不仅有限的探测器阵列在视场内均匀分布，造成成像视场与分辨率的相互限制，而且单目视觉欠缺运动目标空间定位、快速跟踪等智能特征。
综上所述，如何利用仿生原理设计实现多孔径变空间分辨率仿生热成像方法与装置，有效地解决大成像视场与高分辨率的矛盾，利用多目信息的互补和丰富，提高运动目标空间定位、快速跟踪和识别，是一个值得解决的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多孔径变空间分辨率仿生热成像方法与装置，能够消除大视场搜索与高分辨率成像的矛盾，实现目标空间信息获取及运动目标快速检测，增加目标探测/识别能力。
本发明的多孔径变空间分辨率仿生热成像装置，包括多组单孔径红外成像探测器组件，所述各单孔径红外成像探测器组件的视场有重叠；具有相同重叠视场的各单孔径红外成像探测器组件，其成像图像之间具有亚像素的位移偏移。
进一步的，所述单孔径红外成像探测器组件主要由红外物镜和IRFPA(红外焦平面阵列)组成。
进一步的，所述单孔径红外成像探测器组件呈圆周均匀分布或阵列均匀分布。
进一步的，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为10％～90％之间。
进一步的，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为50％。
本发明还提供了一种多孔径变空间分辨率仿生热成像方法，采用上述的仿生热成像装置进行成像；其中，重叠视场的成像由该重叠视场上的多个单孔径的红外成像通过高分辨图像处理方法获得。
进一步的，所述重叠视场利用多个单孔径的红外成像采用非规则微扫描成像方法获得。
本发明还提供了一种目标空间定位方法，采用上述的仿生热成像装置进行定位；具体的，首先建立世界坐标系与各单孔径坐标系的转换模型，利用多个单孔径图像中空间目标像点的二维位置信息，联合确定出目标空间三维位置。
进一步的，根据空间目标坐标与其在各单孔径成像的像素二维坐标的方程组，通过求解非线性方程组的方法求解获得目标空间三维位置。
进一步的，根据各单孔径红外成像探测器组件获取的目标信息，利用径向基神经网络RBFNN目标定位算法，获得目标空间三维位置。
有益效果：
本发明利用多组具有一定倾角的单孔径红外成像探测器组件对目标进行成像，并形成视场部分重叠，将视场划分为多个子视场；重叠的探测器越多，则该区域分辨率越高；然后通过大视场拼接和高分辨图像处理构成类似仿人眼“大视场搜索、中心视场分辩”的视觉模式，实现多孔径变空间分辨率仿生热成像的基本功能，缓解大视场与高分辨率的矛盾。
利用子孔径所形成的重叠视场形成视轴发散的多目立体视觉，可实现目标空间定位以及运动目标快速探测。
附图说明
图1为本发明的多孔径变空间分辨率仿生热成像装置示意图。
图2为本发明的多(4)孔径变空间分辨率仿生热成像装置SOLIDWORKS布局示意图
图3为本发明的多(4)孔径红外复眼成像模式及其视场重叠示意图。
图4为本发明的多(4)孔径空间分辨率的变化示意图。
图5为本发明的多(4)孔径空间高/超分辨目标的实现示意图。
图6为本发明的多(4)孔径空间目标运动时其图像在子眼图像中的运动对应关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种多孔径变空间分辨率仿生热成像装置，包括多组单孔径红外成像探测器组件，一般大于或等于4组；所述单孔径红外成像探测器组件主要由红外物镜和IRFPA(红外焦平面阵列)组成；所述单孔径红外成像探测器组件的视轴具有一定的倾斜，以形成视场部分重叠，从而构成类似仿生复眼的多孔径成像模式。根据视场重叠部分所对应的单孔径红外成像探测器组件数量，可以将视场分为多个子视场，子视场上重叠的单孔径红外成像探测器组件数量越多，则该子视场的分辨率越高；可以令所有单孔径红外成像探测器组件拥有共同的视场重叠部分，称该子视场为中心子视场，则该中心子视场的分辨率最高。相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率可以为10％～90％之间，较佳的，可以选择50％左右。所有单孔径红外成像探测器组件可以呈圆周均匀分布，也可以呈阵列均匀分布。各单孔径红外成像探测器组件的信号送入数字视频图像处理板进行大视场拼接成像，从而获取中心分辨率高于周边的大视场红外成像。数字视频图像处理板将数字视频图像送到后端PC机上，进行目标三维定位及目标探测/识别等算法的处理，并显示和存储相关的图像信息，实现对数字视频图像处理板的控制。
以4个单孔径红外成像探测器组件阵列均匀分布，相邻2个单孔径红外成像探测器组件在水平或(和)垂直方向有约50％的重叠视场为例，其组成如图1所示，其SOLIDWORKS布局示意图如图2所示，视场重叠区域如图3所示(图3中数字为视场重叠数)，本发明的仿生热成像装置的整个视场被分为9个子视场，即：中心、上、下、左、右以及4个对角，各子视场各占1/9视场；其中，中心子视场为4个单孔径红外成像探测器组件的视场叠加，其分辨率最高；上、下、左、右子视场为2个单孔径红外成像探测器组件的视场叠加，其分辨率次之；4个对角子视场为单个单孔径红外成像探测器组件的视场，分辨率最低。
其中，移动单孔径红外成像探测器组件的安装支架，使得具有相同重叠区域的各单孔径红外成像探测器组件在重叠区域的光学成像图像具有亚像素的位移偏差，从而使得各单孔径红外成像探测器组件对目标场景的成像不仅存在视差，而且具有亚像素微位移；在进行多孔径光学扫描成像时，对于重叠区域，可以同时利用多个单孔径红外成像探测器组件的成像(本例中，中心子视场成像为4个，上下左右侧子视场成像为2个)，以空间换时间，达到类似微扫描成像的效果，从而可以利用可控非规则未扫描成像技术进行高分辨率成像。
本例的4孔径成像中，由子孔径视场构成大视场成像；其中，中心子视场存在4孔径重叠，上下左右侧子视场存在2孔径重叠，可利用过采样亚像元和超分辨等高分辨图像处理方法获得超越探测器限的高分辨成像；角子视场为单孔径成像，扩大视场搜索范围；从而构成了类似人眼“中心高分辨成像+周边大视场搜索”的视觉模式，缓解大视场与高分辨率的矛盾；利用子孔径所形成的4个和2个重叠视场形成视轴发散的多目立体视觉，可实现目标空间定位以及运动目标快速探测。
随着红外物镜焦距或支架角度的变化，多孔径成像分辨率以及视场重叠率发生改变(如图4所示)，即可通过改变分辨率实现目标的快速高精度探测。
4孔径成像的视场成像示意如图5所示，对于M×N的探测器，理论上4孔径重构图像可扩展为(3/2)M×(3/2)N像素规模。在中心子视场，通过高分辨处理，至少可获得M×N的图像；上下左右侧子视场则是一维高/超分辨处理，一维插值处理，获得M×N的图像；角子视场则可通过二维插值，获得M×N的图像，因此，系统可获得3M×3N的高(超)分辨成像。由于当装调完毕之后，对一定距离之外目标的成像在子孔径之间的微位移已稳定，通过事先多孔径成像系统的微位移标定，确定4孔径及2孔径之间的微位移量，这种方式属于可控非规则微扫描成像。
效果较好的，红外物镜参数为焦距19mm，F＝1；红外IRFPA组件为浙江红相科技有限公司的非晶硅非制冷焦平面探测器组件TC790，其像元数为640*480，像元间距为17μm，响应波段为8～12um，NETD＝60mK，帧频50Hz，其输出视频为CameraLink数字视频。
数字视频图像处理板采用以FPGA(型号Virtex-5)为核心的高速数字信号处理板，具有4路CameraLink数字视频输入，2路CameraLink数字视频输出。使用多孔径热成像组件支架，其中3个组件支架上连接二维微位移调控台，以控制红外物镜和红外IRFPA组件之间的相对位移，构成视场部分重叠的多孔径热成像系统。
效果更好的，采用640×512的IRFPA探测器，100Hz采样频率，通过系统标定建立具有微位移的非规则采样点到均匀采样点的线性变换矩阵，进而在应用中能够使非规则微扫描的4帧低分辨图像接近均匀2×2微扫描过采样图像质量，实测分辨率可提高60％，构成了20Hz的1280×1024高分辨过采样图像。
基于4帧可控微扫描的低分辨图像重构出2×、3×和4×放大的超分辨图像，图像的放大和细节改善效果明显，即使4×放大图像也难以感觉到常规方法的马赛克效应。
本发明的多孔径成像中心子视场的4孔径场重叠具有较双目更好的立体视觉能力，可实现空间目标的探测与三维定位；侧面子视场具有双目立体视觉，具有大视场体视效果。
如图6，多孔径变空间分辨率仿生热成像装置构成视轴发散的立体视觉，发散角度可事先设计并标定，故可建立世界坐标系与各孔径坐标系的转换模型，利用多个孔径图像中空间目标像点的二维位置信息，快速联合确定出目标空间三维位置。
由于空间目标坐标与其在多孔径成像的像素二维坐标之间是非线性关系，可通过求解非线性方程组的方法来求解。此外，依据成像基本关系，也可研究类似人类判别过程的深度学习方法，根据子孔径IRFPA组件获取的子视场目标信息，建立深度学习网络，在多孔径变空间分辨率仿生热成像装置上进行各种目标运动的训练，建立深度学习网络参数；进而根据多孔径变空间分辨率仿生热成像装置视频中目标出现在不同子孔径视场中的位置信息完成对空间目标定位和运动目标的快速检测。
效果较好的，采用一种径向基神经网络RBFNN目标定位算法，对多孔径变空间分辨率仿生热成像装置的图像获得了较好的空间点目标定位结果。
本发明能够实现大视场成像；获得超越探测器限的高分辨成像；形成视轴发散的多目立体视觉，可实现目标空间定位以及运动目标快速探测；增加目标探测/识别能力。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多孔径变空间分辨率仿生热成像装置，其特征在于，包括多组单孔径红外成像探测器组件，所述各单孔径红外成像探测器组件的视场有重叠；具有相同重叠视场的各单孔径红外成像探测器组件，其成像图像之间具有亚像素的位移偏移。
2.如权利要求1所述的多孔径变空间分辨率仿生热成像装置，其特征在于，所述单孔径红外成像探测器组件主要由红外物镜和IRFPA组成。
3.如权利要求1所述的多孔径变空间分辨率仿生热成像装置，其特征在于，所述单孔径红外成像探测器组件呈圆周均匀分布或阵列均匀分布。
4.如权利要求1～3任意一项所述的多孔径变空间分辨率仿生热成像装置，其特征在于，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为10％～90％之间。
5.如权利要求4所述的多孔径变空间分辨率仿生热成像装置，其特征在于，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为50％。
6.一种多孔径变空间分辨率仿生热成像方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任意一项所述的仿生热成像装置进行成像；其中，重叠视场的成像由该重叠视场上的多个单孔径的红外成像通过高分辨图像处理方法获得。
7.如权利要求6所述的多孔径变空间分辨率仿生热成像方法，其特征在于，所述重叠视场利用多个单孔径的红外成像采用非规则微扫描成像方法获得。
8.一种目标空间定位方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任意一项所述的仿生热成像装置进行定位；具体的，首先建立世界坐标系与各单孔径坐标系的转换模型，利用多个单孔径图像中空间目标像点的二维位置信息，联合确定出目标空间三维位置。
9.如权利要求8所述的目标空间定位方法，其特征在于，根据空间目标坐标与其在各单孔径成像的像素二维坐标的方程组，通过求解非线性方程组的方法求解获得目标空间三维位置。
10.如权利要求8所述的目标空间定位方法，其特征在于，根据各单孔径红外成像探测器组件获取的目标信息，利用径向基神经网络RBFNN目标定位算法，获得目标空间三维位置。
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