地面场景下目标检测与跟踪关键技术研究

发布时间：2020-08-01 18:02

【摘要】：目标检测与跟踪一直是计算机视觉与人工智能领域的研究热点,它为后续的模式识别和行为分析提供了先验信息。目前对空目标搜索与跟踪技术发展迅速,但是对于地面场景,背景复杂、目标多样、杂波干扰等因素严重影响了目标检测的准确率与目标跟踪的精度。如何抑制这些干扰因素,在提高目标探测率的同时降低虚警,是目前计算机视觉领域发展的重要任务和迫切需求。本文围绕目标检测与跟踪技术,分析了地面场景下存在且会导致目标检测或跟踪失败的因素,针对这些因素,分别对移动平台下的运动目标检测、复杂背景条件下的运动目标检测与跟踪和伪装目标探测等三个方面的课题展开了研究,解决了地面场景下目标检测与跟踪的一系列难题,为对地目标搜索跟踪系统的研制提供了参考依据。在对地移动光电搜索平台中,摄像机自身的运动会使得地面场景中具有三维结构的静止物体在图像上产生“强视差”,影响目标检测。本文首先从摄像机成像模型出发,分析了在摄像机运动过程中,图像序列之间满足的几何变换关系,据此将移动平台下的目标检测分为两大类:不存在视差的情况和存在视差的情况。对于不存在视差的应用场合,提出了基于全局运动补偿和运动历史图像的运动目标检测方法,该方法基于目标轮廓在空间上的相关性,利用图像序列所对应的不同时刻将连续图像加权叠加从而形成运动历史图像,使得目标分割更为完整。针对存在视差的应用场合,结合多视图几何理论,给出了静止背景满足的对极几何约束、视差一致性约束和结构一致性约束条件,并据此建立了完整的地面运动目标检测与分割框架。该方法能够明显克服强视差的干扰,提高了移动平台下对地运动目标检测的准确率。在复杂地面背景下,场景中的光照变化、背景杂波和探测噪声等因素会对运动目标检测造成严重干扰,而光照、目标姿态和尺度的变化以及部分遮挡会对目标跟踪造成干扰。本文在鲁棒主成分分析(RPCA)框架的基础上,首先分析了目标检测过程中的背景杂波与探测噪声,提出了基于全变分约束的运动目标检测方法,该方法能够明显抑制杂波,降低目标检测虚警率。然后分析了RPCA方法中的凸松弛约束会导致目标检测结果不准确的弊端,提出了基于非凸范数的运动目标检测方法,该方法能够很好地约束前景目标的稀疏性,使得提取的目标更为完整。最后,针对目标跟踪过程中的干扰因素,提出了基于连续遮挡约束的目标跟踪方法,该方法对被遮挡目标进行精确建模,构建了完整的目标外观模型,整个跟踪过程在粒子滤波框架中实现,从而对目标姿态、光照、尺度的变化具有鲁棒性。针对存在地面伪装干扰、目标和背景的色彩灰度信息无法分辨等问题的应用场合,本文提出了基于材料光学特性参数的目标探测方方法,该方法利用偏振测量获得目标介质表面的穆勒矩阵,并据此反演出目标材料的光学常数,利用目标和背景的光学常数差异进行目标分割。同时,利用目标表面的多角度光强信息,构建了压缩双向反射分布函数(BRDF)光强特征,在此基础上利用模式分类方法对目标和背景的压缩BRDF特征进行聚类。最后,提出了基于主动光退偏穆勒矩阵的目标探测方法,该方法构造了与探测系统偏振态有关的偏振差异图像,通过支持向量机最大化目标与背景的偏振差异图像来自适应调节探测系统的偏振态,使得偏振差异图像中目标和背景的对比度达到最大,为地面伪装目标探测提供了新方法。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TP18
【图文】：

能够对战场进行大范围、精确性地侦察与预警，快速准确地识别有威胁性的敌方逡逑目标从而能够实时触发火控系统对目标实施干扰和打击；在民用领域，光电成像逡逑与监控系统在社会安防中具有不可替代的地位，图１．１（ｂ）中ＰＴＺ安防监控相机具有目标逡逑监控、人流密度分析和场景异常监测等作用［１１］［１２１；如图１．１（ｃ），在机器视觉与人工智能逡逑领域，智能系统需要通过安装各种视觉传感器，对周边的环境进行视觉分析与处理，获逡逑取场景的结构信息以及场景中的目标信息等，从而为系统决策提供更多的数据来源逡逑［１３］［１４］逡逑＿画＿逡逑（ａ）国产翼龙－２无人机机载光电吊舱逦（ｂ）ＰＴＺ安防监控相机逦（ｃ）视觉导航机器人逡逑图１．１各种类型的光电探测系统逡逑光电探测系统根据其探测目标所处的场景可以分为对地、对海和对空三种类型，后逡逑两种光电探测系统较多应用于军事侦察中，其中天空与海面背景较为单一，没有丰富的逡逑细节，从而空中和海面目标探测相对比较简单。目前，国内对空搜索跟踪系统发展迅速，逡逑已有型号产品应用于防空、反导、制导等领域，然而对地目标搜索跟踪系统的研制与国逡逑外相比仍有很大差距

１）摄像机平台绕光心近似作旋转运动，平移分量足够小可以忽略。逡逑这种假设广泛存在。在军事应用领域，光电探测系统固定在静止平台上，通过不停逡逑地旋转周视，检测空中或地面的可疑目标，如图２．４（ａ）所示的“天狼星”ＩＲＳＴ预警系统［１３１］，逡逑其探测器固定在光电转塔上，通过旋转扩大探测视场；在民事应用领域，一些人流密度逡逑大、具有危险性的场合通常会安装ＰＴＺ邋（Ｐａｎ／Ｔｉｌｔ／Ｚｏｏｍ）监控摄像机［１３２］进行２４小时全时逡逑段监控，如图２．４（ｂ）所示，这些摄像机安装在可控云台上，可以完成水平、俯仰方向的逡逑自由旋转，从而达到对全领域视场的覆盖。逡逑

本文编号：2777807