【摘要】：目標檢測與跟蹤一直是計算機視覺與人工智能領(lǐng)域的研究熱點,它為后續(xù)的模式識別和行為分析提供了先驗信息。目前對空目標搜索與跟蹤技術(shù)發(fā)展迅速,但是對于地面場景,背景復雜、目標多樣、雜波干擾等因素嚴重影響了目標檢測的準確率與目標跟蹤的精度。如何抑制這些干擾因素,在提高目標探測率的同時降低虛警,是目前計算機視覺領(lǐng)域發(fā)展的重要任務和迫切需求。本文圍繞目標檢測與跟蹤技術(shù),分析了地面場景下存在且會導致目標檢測或跟蹤失敗的因素,針對這些因素,分別對移動平臺下的運動目標檢測、復雜背景條件下的運動目標檢測與跟蹤和偽裝目標探測等三個方面的課題展開了研究,解決了地面場景下目標檢測與跟蹤的一系列難題,為對地目標搜索跟蹤系統(tǒng)的研制提供了參考依據(jù)。在對地移動光電搜索平臺中,攝像機自身的運動會使得地面場景中具有三維結(jié)構(gòu)的靜止物體在圖像上產(chǎn)生“強視差”,影響目標檢測。本文首先從攝像機成像模型出發(fā),分析了在攝像機運動過程中,圖像序列之間滿足的幾何變換關(guān)系,據(jù)此將移動平臺下的目標檢測分為兩大類:不存在視差的情況和存在視差的情況。對于不存在視差的應用場合,提出了基于全局運動補償和運動歷史圖像的運動目標檢測方法,該方法基于目標輪廓在空間上的相關(guān)性,利用圖像序列所對應的不同時刻將連續(xù)圖像加權(quán)疊加從而形成運動歷史圖像,使得目標分割更為完整。針對存在視差的應用場合,結(jié)合多視圖幾何理論,給出了靜止背景滿足的對極幾何約束、視差一致性約束和結(jié)構(gòu)一致性約束條件,并據(jù)此建立了完整的地面運動目標檢測與分割框架。該方法能夠明顯克服強視差的干擾,提高了移動平臺下對地運動目標檢測的準確率。在復雜地面背景下,場景中的光照變化、背景雜波和探測噪聲等因素會對運動目標檢測造成嚴重干擾,而光照、目標姿態(tài)和尺度的變化以及部分遮擋會對目標跟蹤造成干擾。本文在魯棒主成分分析(RPCA)框架的基礎(chǔ)上,首先分析了目標檢測過程中的背景雜波與探測噪聲,提出了基于全變分約束的運動目標檢測方法,該方法能夠明顯抑制雜波,降低目標檢測虛警率。然后分析了RPCA方法中的凸松弛約束會導致目標檢測結(jié)果不準確的弊端,提出了基于非凸范數(shù)的運動目標檢測方法,該方法能夠很好地約束前景目標的稀疏性,使得提取的目標更為完整。最后,針對目標跟蹤過程中的干擾因素,提出了基于連續(xù)遮擋約束的目標跟蹤方法,該方法對被遮擋目標進行精確建模,構(gòu)建了完整的目標外觀模型,整個跟蹤過程在粒子濾波框架中實現(xiàn),從而對目標姿態(tài)、光照、尺度的變化具有魯棒性。針對存在地面?zhèn)窝b干擾、目標和背景的色彩灰度信息無法分辨等問題的應用場合,本文提出了基于材料光學特性參數(shù)的目標探測方方法,該方法利用偏振測量獲得目標介質(zhì)表面的穆勒矩陣,并據(jù)此反演出目標材料的光學常數(shù),利用目標和背景的光學常數(shù)差異進行目標分割。同時,利用目標表面的多角度光強信息,構(gòu)建了壓縮雙向反射分布函數(shù)(BRDF)光強特征,在此基礎(chǔ)上利用模式分類方法對目標和背景的壓縮BRDF特征進行聚類。最后,提出了基于主動光退偏穆勒矩陣的目標探測方法,該方法構(gòu)造了與探測系統(tǒng)偏振態(tài)有關(guān)的偏振差異圖像,通過支持向量機最大化目標與背景的偏振差異圖像來自適應調(diào)節(jié)探測系統(tǒng)的偏振態(tài),使得偏振差異圖像中目標和背景的對比度達到最大,為地面?zhèn)窝b目標探測提供了新方法。
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.41;TP18
【圖文】：

能夠?qū)?zhàn)場進行大范圍、精確性地偵察與預警，快速準確地識別有威脅性的敵方逡逑目標從而能夠?qū)崟r觸發(fā)火控系統(tǒng)對目標實施干擾和打擊；在民用領(lǐng)域，光電成像逡逑與監(jiān)控系統(tǒng)在社會安防中具有不可替代的地位，圖１．１（ｂ）中ＰＴＺ安防監(jiān)控相機具有目標逡逑監(jiān)控、人流密度分析和場景異常監(jiān)測等作用［１１］［１２１；如圖１．１（ｃ），在機器視覺與人工智能逡逑領(lǐng)域，智能系統(tǒng)需要通過安裝各種視覺傳感器，對周邊的環(huán)境進行視覺分析與處理，獲逡逑取場景的結(jié)構(gòu)信息以及場景中的目標信息等，從而為系統(tǒng)決策提供更多的數(shù)據(jù)來源逡逑［１３］［１４］逡逑＿畫＿逡逑（ａ）國產(chǎn)翼龍－２無人機機載光電吊艙邐（ｂ）ＰＴＺ安防監(jiān)控相機邐（ｃ）視覺導航機器人逡逑圖１．１各種類型的光電探測系統(tǒng)逡逑光電探測系統(tǒng)根據(jù)其探測目標所處的場景可以分為對地、對海和對空三種類型，后逡逑兩種光電探測系統(tǒng)較多應用于軍事偵察中，其中天空與海面背景較為單一，沒有豐富的逡逑細節(jié)，從而空中和海面目標探測相對比較簡單。目前，國內(nèi)對空搜索跟蹤系統(tǒng)發(fā)展迅速，逡逑已有型號產(chǎn)品應用于防空、反導、制導等領(lǐng)域，然而對地目標搜索跟蹤系統(tǒng)的研制與國逡逑外相比仍有很大差距

１）攝像機平臺繞光心近似作旋轉(zhuǎn)運動，平移分量足夠小可以忽略。逡逑這種假設(shè)廣泛存在。在軍事應用領(lǐng)域，光電探測系統(tǒng)固定在靜止平臺上，通過不停逡逑地旋轉(zhuǎn)周視，檢測空中或地面的可疑目標，如圖２．４（ａ）所示的“天狼星”ＩＲＳＴ預警系統(tǒng)［１３１］，逡逑其探測器固定在光電轉(zhuǎn)塔上，通過旋轉(zhuǎn)擴大探測視場；在民事應用領(lǐng)域，一些人流密度逡逑大、具有危險性的場合通常會安裝ＰＴＺ邋（Ｐａｎ／Ｔｉｌｔ／Ｚｏｏｍ）監(jiān)控攝像機［１３２］進行２４小時全時逡逑段監(jiān)控，如圖２．４（ｂ）所示，這些攝像機安裝在可控云臺上，可以完成水平、俯仰方向的逡逑自由旋轉(zhuǎn)，從而達到對全領(lǐng)域視場的覆蓋。逡逑

本文編號：2777807