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高帧频闭环特殊场景仿真关键技术研究

作　者: 靳永亮
导　师: 王延杰
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: 目标提取动态场景图像合成高帧频闭环场景仿真
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光电成像跟踪系统在研制的过程中，需要不断对系统的设计方案进行检验、优化、评估和测试，然而对系统进行全方位的检测面临很多困难，其中就包括场景数据源的获取。通过外场试验虽然可以获取真实的场景数据源，然而多次进行外场试验的耗费巨大，而且试验的环境条件不受控制且不能严格重复。真实的应用环境和舰船、坦克、飞机等目标的运动状态是复杂多变的，不可能对系统在所有目标和背景环境条件下的性能进行测试，而且单纯依赖外场试验不利于系统在研制阶段各项测试工作的开展。因此，合理的利用仿真手段和仿真设备研制构建高帧频闭环特殊图像场景仿真系统模拟外场实际的作战场景，提供与真实应用环境相同或相近的场景数据并输出与实际光电成像系统一致的数据流是完全必要的。该仿真系统的研制成功为在实验室环境下定量和定性测试光电成像跟踪系统信息处理机算法在实际作战环境中的工作效能、全面考核算法的各项性能指标提供了一种切实有效的手段，具有重大意义和广阔的应用前景。场景产生器是光电成像制导设备硬件闭环仿真的关键设备，本文采用图形图像处理技术和硬件仿真相结合构建了动态场景闭环仿真系统。通过高性能计算机和外围硬件设备协作，模拟不同目标在各类环境条下做多自由度运动时场景的变化并将仿真系统输出的场景图像直接注入导引头信息处理机以检测信息处理机算法的各项性能指标。首先，利用本文提出的图像预处理、图像分割和多尺度形态学处理相结合的目标提取流程，从实际拍摄的包含军事目标的实景图像中将真实的目标特征数据准确地提取出来形成单独的黑背景目标图像。背景图像直接采用实际拍摄的多种复杂环境条件下的场景数据，为实现动态场景仿真提供了逼真的目标和背景数据源。其次，设定目标的仿真运动轨迹，根据解算的目标运动参数运用相关图形学变换技术对目标进行相关的几何变换来调节目标在成像平面的位置、大小和运动姿态。再次，利用噪声处理、亮度匹配、边缘平滑的分步处理方法实现目标和背景图像的真实感合成。为了真实反映实际闭环跟踪过程中目标场景的运动特性，图像合成时根据设定的像机参数和解算的场景运动参数，使用点扩散处理的方法模拟像机和被摄目标相对运动造成的各类图像模糊效应。另外，可通过调整图像亮度、对比度、信噪比的方式实现目标和背景信号强度的仿真调控。最后，利用建立的跟踪控制模型和设定的仿真参数实时调整场景的生成模拟整个跟踪过程中场景的变化，实现了闭环场景仿真和场景数据的准确定序。在序列场景输出时，对生成的仿真场景实时叠加各类探测器效应，最终实现仿真生成任意分辨率、帧频及不同类型场景的图像数据流。目前仿真系统已成功用于导引头信息处理机自动目标跟踪算法的全指标检测过程中。经检验采用本文方法可仿真生成高逼真度场景数据并实现信号注入式的闭环跟踪动态场景仿真，闭环仿真系统输出的数据流高达1280*1024＠500fps或2048*2048＠100fps，满足实时图像处理系统对于高帧频大容量特殊场景数据源的需求。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
第1章绪论  13-23
  1.1 课题研究背景及意义  13-15
  1.2 相关领域国内外研究与发展现状  15-17
  1.3 光电成像跟踪系统仿真  17-21
  1.4 论文的主要研究内容和论文结构安排  21-23
    1.4.1 论文工作的主要内容  21
    1.4.2 论文的结构安排  21-23
第2章目标提取技术  23-49
  2.1 引言  23
  2.2 二维直方图概述  23-26
    2.2.1 二维直方图  23-24
    2.2.2 二维属性直方图  24-26
  2.3 图像预处理算法  26-31
    2.3.1 图像亮度变换  26-27
    2.3.2 基于灰度形态学的图像预处理算法  27-29
    2.3.3 自适应背景感知  29-31
  2.4 阈值分割方法  31-40
    2.4.1 二维 OTSU 算法  32-33
    2.4.2 二维最大类间平均离差法  33-34
    2.4.3 改进的二维 OTSU 算法  34-35
    2.4.4 改进的二维熵阈值法  35-38
    2.4.5 基于二维属性直方图的 Tsallis 熵阈值法  38-40
  2.5 目标提取方法  40-46
    2.5.1 可见光图像目标提取方法  40-43
    2.5.2 红外图像目标提取方法  43-46
  2.6 本章小结  46-49
第3章动态场景仿真技术  49-69
  3.1 摄像机成像原理及常用的坐标系  49-52
    3.1.1 摄像机成像原理  49-50
    3.1.2 常用的坐标系  50-52
  3.2 目标运动仿真  52-56
    3.2.1 目标运动的主要坐标系  52-54
    3.2.2 目标的位置计算  54-55
    3.2.3 目标的姿态计算  55-56
  3.3 运动目标在成像平面的变化  56-58
    3.3.1 垂直位移  56-57
    3.3.2 水平位移  57
    3.3.3 目标大小变化  57-58
  3.4 相关的图形学变换算法  58-68
    3.4.1 图像的几何变换坐标模型  58-59
    3.4.2 图像插值算法  59-68
  3.5 本章小结  68-69
第4章图像合成技术  69-91
  4.1 图像合成方法  69-71
  4.2 探测器效应  71-75
    4.2.1 光敏元的空间积分效应  71-72
    4.2.2 探测器非均匀性  72-73
    4.2.3 探测器噪声  73-74
    4.2.4 实验结果  74-75
  4.3 图像模糊效应  75-81
    4.3.1 平移运动模糊  75-77
    4.3.2 旋转运动模糊  77-79
    4.3.3 散焦及大气扰动模糊  79-81
  4.4 合成场景参数调整  81-85
    4.4.1 亮度调整  81-82
    4.4.2 对比度调整  82-83
    4.4.3 信噪比调整  83-85
  4.5 实验结果  85-89
  4.6 本章小结  89-91
第5章高帧频闭环场景仿真系统  91-117
  5.1 闭环仿真系统的工作原理  91-94
  5.2 闭环仿真系统结构及功能划分  94-97
  5.3 闭环仿真系统的实现及性能  97-106
    5.3.1 高速大容量数据传输  97-99
    5.3.2 FPGA 功能模块  99-101
    5.3.3 闭环场景仿真系统实现  101-106
  5.4 实验结果  106-115
  5.5 本章小结  115-117
第6章结论与展望  117-121
  6.1 论文主要工作总结  117-118
  6.2 论文创新点  118-119
  6.3 研究展望  119-121
参考文献  121-127
在学期间学术成果情况  127-129
指导教师及作者简介  129-131
致谢  131

高帧频闭环特殊场景仿真关键技术研究

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