紅外云雜波下點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)算法性能評(píng)價(jià)

鞏晉南，侯晴宇，張偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間光學(xué)工程研究中心，黑龍江哈爾濱150001)

對(duì)云雜波成像條件下點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)是紅外搜索與跟蹤(infrared search and track，IRST)系統(tǒng)中的亟待解決的問(wèn)題之一［1-8］。由于檢測(cè)過(guò)程首先需要進(jìn)行背景抑制以去除高關(guān)聯(lián)度背景雜波，而后再通過(guò)目標(biāo)的強(qiáng)度特征在殘差圖像中進(jìn)行分割檢測(cè)［2-5］，因此在進(jìn)行算法性能評(píng)價(jià)時(shí)，多將背景抑制方法和目標(biāo)分割檢測(cè)方法性能分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。在背景抑制層面，PSNR、BSF［4-5］等全局評(píng)價(jià)雜波抑制性能的指標(biāo)不能完全反應(yīng)背景抑制方法對(duì)圖像不同部分的處理性能。而ISCR等評(píng)價(jià)目標(biāo)能量保留能力的指標(biāo)無(wú)法與檢測(cè)性能建立明確的數(shù)學(xué)關(guān)系，局限性較大。而在目標(biāo)分割檢測(cè)性能評(píng)價(jià)上，由于檢測(cè)器在殘差圖像中進(jìn)行目標(biāo)分割檢測(cè)，背景抑制算法不能完全濾除背景，且對(duì)不同程度的起伏背景作用效果不同，因此采用檢測(cè)器理想檢測(cè)性能作為檢測(cè)算法性能是不合理的。雖然接收機(jī)工作特性(receiver operating characteristic，ROC)曲線可以客觀描述檢測(cè)性能［2-4］，但無(wú)法表征檢測(cè)器實(shí)際性能和與理論性能的偏移程度，也無(wú)法將檢測(cè)性能與場(chǎng)景起伏程度相關(guān)聯(lián)，具有一定的局限性。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者試圖通過(guò)研究圖像的復(fù)雜度量［9-13］，從而獲取更為準(zhǔn)確的性能評(píng)價(jià)，而圖像復(fù)雜度度量方法仍不能與檢測(cè)性能直接關(guān)聯(lián)。為了全面評(píng)價(jià)目標(biāo)檢測(cè)方法的性能，從影響檢測(cè)性能的各要素出發(fā)，建立了多尺度場(chǎng)景雜波量化模型、探測(cè)器噪聲量化模型和目標(biāo)能量量化與傳遞模型。以檢測(cè)性能為核心，建立了結(jié)合檢測(cè)器理論性能的算法性能表征參數(shù)。在構(gòu)造各模型后，將量化結(jié)果作為輸入，結(jié)合遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立各量化輸入與性能表征參數(shù)的數(shù)值關(guān)系。提出的方法可以將影響檢測(cè)性能的各因素進(jìn)行量化與解耦和，不僅具有較高的精度，還可在目標(biāo)檢測(cè)方法的角度為成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)檢測(cè)方法和方法選擇提供依據(jù)。

1 檢測(cè)過(guò)程量化模型的建立

1.1 場(chǎng)景雜波及探測(cè)器噪聲量化模型

點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)算法量化評(píng)價(jià)模型總體方案如圖1所示。目標(biāo)檢測(cè)算法性能除了與目標(biāo)能量相關(guān)外，還與場(chǎng)景雜波、探測(cè)器噪聲以及成像過(guò)程中的光學(xué)系統(tǒng)彌散密切相關(guān)，需要對(duì)以上影響因素進(jìn)行量化作為評(píng)價(jià)輸入?？陀^上，點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)性能受到物理場(chǎng)景雜波和探測(cè)器噪聲影響，需要結(jié)合目標(biāo)對(duì)場(chǎng)景雜波和探測(cè)器噪聲度量。

圖1 點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)算法評(píng)價(jià)總體方案Fig.1 Overall evaluation scheme for point target detection algorithm

在此首先采用圖像信噪比SNRIMG度量探測(cè)器噪聲:

式中:SIMG為圖像信號(hào)，σnoise為探測(cè)器噪聲均方差。

總的來(lái)說(shuō)，背景抑制算法進(jìn)行的前提是背景具有空間關(guān)聯(lián)性，且在此過(guò)程中需要保護(hù)一定尺度的目標(biāo)。在度量雜波前，需要考慮目標(biāo)尺度，對(duì)場(chǎng)景圖像進(jìn)行多尺度預(yù)處理處理。為此，首先采用多尺度拉普拉斯-高斯(LoG)算子對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。LoG算子表示為

式中:s為空間尺度參數(shù)，其與圖像的作用過(guò)程為

其中，h(x，y，s)是原始圖像與尺度為s的LoG算子卷積后結(jié)果。在LoG算子與圖像進(jìn)行卷積后，尺度不大于s的強(qiáng)起伏點(diǎn)將會(huì)得到最佳響應(yīng)，而小于s的場(chǎng)景被抑制，從而實(shí)現(xiàn)基于目標(biāo)尺度的雜波量化。由于背景抑制過(guò)程在圖像鄰域進(jìn)行，而評(píng)價(jià)鄰域圖像起伏程度最直接度量就是導(dǎo)數(shù)。在圖像進(jìn)行預(yù)處理后，采用圖像多尺度導(dǎo)數(shù)作為雜波度量:

式中:E(x，y)為場(chǎng)景雜波量化強(qiáng)度，smax和smin為圖像中目標(biāo)可能存在的上限與下限，當(dāng)評(píng)估雜波對(duì)點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)的影響時(shí)，smax=smin=1。

1.2 目標(biāo)能量量化模型

目標(biāo)在雜波中能夠被檢測(cè)的前提是目標(biāo)背景間具有一定的對(duì)比度，物理上，目標(biāo)能量可通過(guò)目標(biāo)信雜比SCRSCE表征:

式中:SCRSCE是場(chǎng)景信雜比，TSCE和σSCE分別是目標(biāo)物理能量分布和場(chǎng)景輻射能量的均方差。在圖像上，目標(biāo)能量表示為

式中:TIMG為目標(biāo)在圖像中的能量，τ為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，tint為積分時(shí)間，η為探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換效率，ΩDet為探測(cè)器光敏元區(qū)域，EOF能量集中度。對(duì)亞象元尺度目標(biāo)來(lái)說(shuō)，在像方ΩDet≥Ωtar，則有

可以看出在成像過(guò)程中，能量集中度是影響目標(biāo)可檢測(cè)性能的主要參數(shù)，其表征了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)能量的衰減程度。目標(biāo)在圖像中的可檢測(cè)程度不僅與目標(biāo)自身輻射能量有關(guān)，還與光學(xué)系統(tǒng)性能密切相關(guān)。

1.3 檢測(cè)性能量化參數(shù)

為了體現(xiàn)檢測(cè)器的實(shí)際檢測(cè)性能和理論檢測(cè)性能的差異，構(gòu)造相對(duì)檢測(cè)概率(RPd)對(duì)檢測(cè)性能進(jìn)行表征:

式中:Pd(Pf)為在虛警概率Pf下，檢測(cè)算法獲得的檢測(cè)結(jié)果;P'd(Pf)為檢測(cè)器理論檢測(cè)概率。為反映檢測(cè)算法在全工作狀態(tài)下的檢測(cè)性能，在RPd基礎(chǔ)上，構(gòu)造相對(duì)檢測(cè)性能參數(shù)RWP，表示為

可以看出，RWP參數(shù)越大，說(shuō)明檢測(cè)器性能越接近理論值，即檢測(cè)算法性能越高。

2 檢測(cè)性能評(píng)價(jià)方法的建立

2.1 基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

在建立了檢測(cè)鏈路各要素量化模型后，性能評(píng)價(jià)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)多輸入耦合參數(shù)的解耦合問(wèn)題。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分布式處理、自組織、自學(xué)習(xí)等等普遍優(yōu)點(diǎn)，還具有非線性映射、泛化和容錯(cuò)能力，為此，這里采用BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決該問(wèn)題。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法確定網(wǎng)絡(luò)初值，構(gòu)造遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，既可以發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性映射方面的優(yōu)勢(shì)，還可以改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初值確定精度和收斂速度［14］?；谶z傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程如圖2所示。

圖2 點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)算法評(píng)價(jià)方法流程Fig.2 Processing of quantitative evaluation for point target detection algorithm

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了具有1個(gè)輸入層，1個(gè)隱藏層和1個(gè)輸出層的經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中網(wǎng)絡(luò)共有4個(gè)輸入量和1個(gè)輸出量。輸入層與隱藏層采用Sigmoid函數(shù)，隱藏層與輸出層采用雙曲正切函數(shù)。在遺傳算法確定網(wǎng)絡(luò)初值方面，采用預(yù)測(cè)輸出與期望輸出的線性誤差作為適應(yīng)度函數(shù):

式中:n為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)，yi和oi分別是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出和期望輸出，k為線性系數(shù)，這里k=1。在個(gè)體選擇方面，采用輪盤(pán)賭法作為選擇策略，則每個(gè)個(gè)體i選擇概率pi為

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)輸入?yún)?shù)

采用提出的評(píng)價(jià)方法對(duì)經(jīng)典空域Top-Hat和經(jīng)典頻域Butterworth濾波器的目標(biāo)檢測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在輸入圖像源方面，采用某紅外成像系統(tǒng)實(shí)測(cè)圖像作為仿真測(cè)試圖像源，圖像源中各典型場(chǎng)景區(qū)域如圖3所示。

圖3 測(cè)試圖像源中典型場(chǎng)景Fig.3 Typical scenarios in test image source

在實(shí)測(cè)圖像的基礎(chǔ)上，隨機(jī)加入噪聲和目標(biāo)形成訓(xùn)練圖像集。訓(xùn)練圖像集由100幀圖像組成，其中加入了SCRSCE為1，2，3的目標(biāo)。在光學(xué)系統(tǒng)成像限制方面，考慮能量集中度影響，仿真了在相同光學(xué)系統(tǒng)、積分時(shí)間下，能量集中度為0.6、0.7 和0.8;在探測(cè)器噪聲仿真方面，在圖像中加入噪聲量值SNRIMG分別為20 dB、18 dB、16 dB和14 dB。

3.2 測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證建立模型的準(zhǔn)確性，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，再隨機(jī)選取了50幀樣本圖像對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸出結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差如圖4所示?？梢钥闯?，采用建立遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型最大誤差小于5×10－4，可見(jiàn)模型具有較高的精度，滿足使用要求。

圖5為在SNRIMG=20 dB時(shí)，不同程度雜波起伏、不同能量集中度下的RWP曲線。

圖4 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差Fig.4 Error between network training and measured results

圖5 不同能量集中度下檢測(cè)算法性能Fig.5 Detection performance under different encircled energy

圖5由于目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程中，場(chǎng)景不可能被完全濾除，且在背景抑制過(guò)程目標(biāo)能量被一定程度的削弱，因此在任何情況下，RWP＜1。隨著場(chǎng)景雜波起伏的加劇，背景抑制算法對(duì)強(qiáng)起伏雜波的濾除效果下降，目標(biāo)檢測(cè)性能也隨之降低。光學(xué)系統(tǒng)能量集中度對(duì)系統(tǒng)收集目標(biāo)能量效果產(chǎn)生影響，低能量集中度不僅會(huì)使單像元收集目標(biāo)能量降低，還會(huì)將目標(biāo)能量彌散至其他像元，從而導(dǎo)致背景抑制、目標(biāo)分割算法性能下降，進(jìn)一步削弱目標(biāo)檢測(cè)性能。

圖6為在能量集中度為0.7時(shí)，不同SNRIMG、不同雜波起伏下2方法的RWP曲線。由于探測(cè)器噪聲在空域上不具有關(guān)聯(lián)性，且在圖像中噪聲強(qiáng)度與場(chǎng)景雜波強(qiáng)度疊加，對(duì)于空域檢測(cè)方法而言，探測(cè)器噪聲相當(dāng)于在目標(biāo)能量不變時(shí)場(chǎng)景雜波強(qiáng)度增加，因此在場(chǎng)景不變時(shí)，隨著噪聲強(qiáng)度的增加檢測(cè)性能因此下降。而對(duì)于頻域方法而言，頻域?yàn)V波僅對(duì)特定頻率進(jìn)行作用。場(chǎng)景、噪聲所屬于不同的頻率成分，當(dāng)噪聲逐漸增加時(shí)，噪聲所處的高頻成分逐漸占優(yōu)，故隨著噪聲強(qiáng)度增加，檢測(cè)性能下降的同時(shí)，場(chǎng)景雜波對(duì)頻域算法性能影響逐漸減弱。

圖6 不同信噪比下檢測(cè)算法性能Fig.6 Detection performance under different SNRs

以上計(jì)算結(jié)果表明，利用該目標(biāo)檢測(cè)性能評(píng)價(jià)模型，不僅可以充分表征目標(biāo)檢測(cè)算法自身的檢測(cè)能力，還能反應(yīng)算法在不同探測(cè)性能、不同雜波強(qiáng)度下的性能變化趨勢(shì)，可以滿足實(shí)際全方位對(duì)目標(biāo)檢測(cè)算法性能評(píng)估的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有目標(biāo)評(píng)估方法存在的不足，通過(guò)建立點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)各要素模型，并建立基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)評(píng)價(jià)模型。通過(guò)該模型，綜合評(píng)價(jià)了不同成像條件下Hop-Hat和Butterworth這2種典型紅外點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)算法的性能影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法不僅可以深入分析檢測(cè)算法性能變化規(guī)律，還能夠?qū)μ綔y(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和算法的選擇提供依據(jù)，具有理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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