文摘
红外目标特征和背景场景主要用于军事侦察和检测等研究目的敌方目标在现代红外成像系统像红外搜索跟踪(IRST)系统。对理解和分析红外特征和背景在红外成像系统中,一个红外波长乐队(WB)转换转换任意WB图像到另一个世界银行是非常重要的在缺乏设备由世行。此外,目标和背景的红外图像合成可以提供大量的信息在红外目标检测领域。然而,世行转换实际上是一个非常具有挑战性的研究由于缺乏信息吸收率和透光率巨大的组件对象的或气氛。此外,短波红外的辐射和反射特性(短波红外成像)世行非常不同于长波红外(LWIR)世行和middle-wave红外wb (MWIR)。因此,世行摘要转换是有限的红外目标特征和单调的背景,这是通常用于军事目的,在很长一段距离。本文提出了一种红外合成方法生成的红外图像合成三IR-WBs合成一个红外目标签名和一个真正的背景场景任意IR-WB。在该方法中,每个温度信息是首先从一个红外目标估计任意IR-WB签名和红外背景图像,然后合成温度图像结合生成相应的温度从红外目标特征估计的信息和背景场景。最后,合成温度图像转换为红外三个IR-WBs的光辉形象。通过该方法,各种红外合成实验执行各种红外目标特征和背景场景。
1。介绍
由于简单的调查和降低成本的原则建立和绩效评估功能的红外系统,红外模拟器的需求正迅速增加用于军事目的的研究。最近的军事红外模拟器等红外对抗(红外),定向红外干扰(DIRCM)和红外十字线导引头是广泛用于评价、效率、和修改为实际军事红外传感器系统(1- - - - - -8]。分析任意红外系统的基本材料是红外目标和背景图像转换为红外信号的强度(灰度)分布对应的温度范围红外目标和背景的场景。基于各种理论如传热理论、大气传输特性,材料特性和大气环境下和辐射原理,研究了各种红外特征建模方法(9- - - - - -13]。和商业红外特征建模工具如OKTAL-SE [14),织女星'传感器(15],缪斯(14)开发预测红外IR-WBs签名和模拟虚拟现实。然而,这些红外特征建模工具需要设置不同的物质和大气环境在某些情况下。和那些有很多安全与高成本限制。在研究红外特征建模、锅等。9和卢和王10]分析了红外辐射和直升机和飞机表面温度,分别。和Dulski et al。11大气环境)建模虚拟背景红外签名如天空和云彩。然而,红外目标和背景的红外特征建模是非常具有挑战性的,因为背景一般都由各种物质和复杂的吸收、反射和散射特性。
红外模拟器用于军事目的一个典型的例子是保护友军的DIRCM系统从一个IR-guided或热追踪导弹,如图1(一)。为了积极应对检测IR-guided导弹,各种红外干扰,基于耀斑或干扰机保护友军免受攻击敌人的导弹,已经发展到目前为止(17- - - - - -19]。耀斑对策方法容易受到攻击和有限数量的加载和连续发射。干扰机对策被归类为全向和定向方法19]。自无方向性干扰机发射红外源四面八方,它需要大国直接使用和很高的精度射击强大的导弹导引头的干扰信号。为了提高全向干扰机的脆弱性,dircm已经研究[20.]。因为直接干扰机采用高亮度灯(或激光)导弹导引头的干扰能量融合,它可以发出干扰能量观没有浪费。因此,它可以立即寻求对抗导弹跟踪和攻击目标,如飞机或直升机飞行。为了有效地使用干扰机DIRCM,需要有一个红外探测系统能够识别导弹或威胁。红外检测系统还需要能够识别对象和背景下各种IR-WBs。出于这个原因,一个红外目标和背景的合成IR-WBs可用于增强红外探测系统的性能。
(一)
(b)
的地对空IR-guided导弹、飞机,天空变成了目标和背景场景,分别在导弹的角度来看。为了检测目标,十字线导引头或IR-guided导弹(17- - - - - -19)用一个探测器利用短波红外成像或MWIR-WB而成像导引头主要利用LWIR-WB [7,21,22]。因此,军用红外模拟需要同一场景的红外图像由三个IR-WBs和合成技术目标和背景的红外场景如图1 (b)。然而,它是不容易产生三个WBs同一场景的红外图像由于缺乏设备。此外,合成的红外目标和背景非常具有挑战性,因为原来的白平衡特征的差异。一些相关研究如下。这些模拟的基本步骤是红外目标和背景红外特征建模。金等。7)构成了IR模型的目标与内部热源和生成热图像产生的十字线导引头光学系统和大气湍流。和考克斯等。23模型飞机,云,背景,和传感器用于生成一个红外场景。Bae et al。24)研究了一种IR-WB转换技术用于军事红外传感器模拟。在这项研究中,真正的目标以及目标建模RadThermIR [25)使用和提到IR-WB转换技术(24)申请的合成红外目标和背景。
本文提出了一种红外合成方法生成一个红外图像合成三WBs的建模(或实际)红外目标和实际红外背景图像任意IR-WB(原始)。首先,一个红外目标的大小调整到所需的目标距离使用背景图像之间的距离信息和图像探测器。然后,每个温度信息估计的红外目标和一个真正的原始IR-WB红外背景,然后合成温度结合生成的图像,分别估计温度信息。合成温度图像转换成所需的IR-WB的光辉形象。最后,红外图像所需的IR-WB生产的光辉形象。
2。相关工作和假设
2.1。光芒从世行和温度估算
物体的温度和光谱发射率 ,世行的光辉宽度(~)是由 在哪里 和 辐射常数(1,20.,26]。 和 是一个灰色的身体和一个黑色的身体,分别。由于温度辐射函数方程(1)是不容易估计温度从辐射由于反向积分操作,简化如下: 在哪里和表示给定WB宽度和世行的中心波长范围。我们假设发射率是一个常数,即世行的对象是一个灰色的身体范围。上面的简化公式很容易反向估计温度的光辉。根据大气传输特性,分为SWIR-WB IR-WB范围(1.9 ~ 2.9μ米),MWIR-WB(3 ~ 5所示μ米),LWIR-WB (8 ~ 12μ米)。输出电压从一个红外探测器光谱透射率和的气氛和红外检测器计算如下: 在哪里红外探测器的光谱响应率在WB系列。和和代表的红外探测器的立体角目标和目标区域的红外探测器(27]。如果 , ,和世行不变量与常量和 ,红外探测器的输出电压正比于目标光辉,目标温度的函数。的辐射公式方程(1)是一种光谱发射率的函数。然而,对于黑体或灰色的身体,光谱发射率成为一个常数,然后辐射方程(公式1)就变成了一个温度的函数。对于二维成像探测器的成像探测器等人物1(d),红外图像的灰度也与红外探测器的输出电压成正比。因此,特定对象的世行的光辉温度可以被视为与红外图像的灰度成正比。
2.2。假设的透光率和发射率
许多材料有不同的透射率、发射率和反射率根据IR-WB属性。尤其是在大气中气体,水蒸气和二氧化碳有特定的发射和吸收特征根据IR-WB。LWIR-WB和MWIR-WB检测从材料本身发出的热辐射,而SWIR-WB使用活跃的短波红外成像材料的反射率。由于这个原因,IR-WB转换是一个非常苛刻的研究领域。摘要IR-WB转换是有限的转换从LWIR-WB MWIR-WB SWIR-WB,和红外图像合成是进行军事目标构成的金属(如坦克、船、直升机和飞机)和单调的远场背景(如天空、地面和海上)经常使用的红外干扰或IRST。同时,减少我们的实验的复杂性,一些假设物体发射率和大气透射率IR-WB描述如下。
首先,我们实验的局限性在世行转换相关的目标发射率随IR-WB。事实上,许多材料不是灰体辐射IR-WB的独立。在现代军事如IRST或红外干扰红外成像系统,划分的标准目标与背景是金属或非金属。金属辐射率随IR-wavelength的增加而迅速减小。金属发射率大幅降低SWIR-WB从约75%至25%,然后慢慢从20%减少到10% MWIR-WB LWIR-WB。相反,非金属发射率大约是30%,50 ~ 85%,和90% SWIR-WB, MWIR-WB, LWIR-WB。可以看出,金属和非金属的发射率要高得多的MWIR LWIR-WB SWIR-WB相比。所以假设目标和背景是灰色的身体或黑体,WB LWIR-WB之间的转换和MWIR-WB相比可能更合理的WB LWIR-WB和SWIR-WB之间的转换。
第二,我们的实验有一些世行转换约束与透光率的水蒸气和二氧化碳大大影响大气透过率。IR-WB是受水蒸气和二氧化碳的浓度。这两个材料的浓度,分别是什么 4ppm为二氧化碳和0 3ppm为对流层水汽从地面(约11公里或更少)。因为红外图像中使用一个IRST或红外干扰模拟器通常观看距离不到10公里的位置,它可以假定这两个材料常数的浓度。大气气体的透过率包括水蒸气和二氧化碳近关闭1 MWIR-WB LWIR-WB,而SWIR-WB是不均匀的。所以假设大气透射率的方程(3)是制服,WB LWIR-WB之间的转换和MWIR-WB相比可能更合理的白平衡之间的转换LWIR-WB SWIR-WB,类似于上面所述的发射率和世行转换之间的关系。
3所示。建议使用温度合成红外合成图像生成方法
本文提出了一种红外复合图像生成方法,用于创建一个(合成)红外图像的三个WBs (LWIR、MWIR和短波红外成像)通过综合建模(或实际)红外目标图像和一个红外背景图像的任意IR-WB如图2。对于一个给定的红外目标图像和红外背景图像的某些WB,最小和最大温度被分配到最小和最大灰色的水平。此外,相对应的辐射强度最小和最大灰度得到使用方程(2)。相对应的辐射强度之间的灰色水平min和max灰色水平可以获得基于辐射强度的比例关系和灰度,然后温度对应的辐射强度获得灰色水平之间的最小和最大灰色水平估计使用方程(6)。然后,大约估计温度补偿采用原始temperature-radiance曲线的斜率信息和近似。补偿温度估计红外目标图像和红外图像背景图像合成在一起。此外,为了综合红外图像目标温度红外背景温度图像,红外目标的大小可能在考虑调整所需的目标红外背景和图像探测器之间的距离(5]。合成温度图像转换为辐射图像使用方程(2);然后生成的红外图像合成最终的光辉,灰度传递函数。
3.1。红外目标的大小设置
首先,建模的大小(实际)红外目标合成在一组红外背景图像应该根据实际的目标距离目标和一个图像探测器之间。当视图的水平和垂直领域(FOV)的图像探测器之间的关系给出了目标位置和能见度宽度的视场图像探测器,和从目标距离可以计算如下: 在哪里和意思是水平和垂直能见度宽度在实际的背景环境。可见性的背景图像的宽度,和在一个目标的距离 ,实际的目标大小是恒定的;然而,获得背景图像的目标在很大程度上是相对。为获得背景图像的大小 ,背景可见性 。因此,如果实际目标的大小 众所周知,目标尺寸和在一个图像给出如下:
3.2。从辐射强度温度估算
每像素时辐射强度信息的红外目标图像和背景图像相对应的温度单个像素的辐射可以使用逆函数的估计方程(2)。所以公式计算温度的关系从辐射可以得到如下:
自从IR-WB转换方法使用一个对象使用方程(温度2)近似方程(1)包括积分算子,它很容易估算辐射的温度通过方程(2),但是大约估计温度包含一些错误的简化方程。图3(一个)显示了原始方程获得的光辉(1),大约估计一个方程计算(2在200 K ~ 600 K温度范围内三IR-WBs。图3 (b)显示大约估计的误差三IR-WBs温度从原来的温度。估计误差的温度意味着原始温度和大约估计的区别。我们可以知道温度和温度的辐射强度为每个世行估计误差有不同的特点。
(一)
(b)
图4曲线显示了原始的光辉,大约估计一个根据任意温度。代表了估计温度获得光辉使用方程(6)。温度补偿只使用一阶获得切线的斜率为如下: 在哪里 。和是大约估计的原始辐射温度,然后呢代表了microtemperature位移值获得的切线斜率点在图中。
3.3。根据温度关系的光辉和灰度
图5(一个)显示了Agusta摩托啮合的结果由RadThermIR直升机模型。图5 (b)展示了光辉和灰度变换关系根据目标温度。如果对象是一个灰体(即。,emissivity is constant), the function shape of the radiance intensity is similar with that of a black body; however, the height of the function is inversely proportional to the object emissivity. Figure5 (b)显示了一个示例,马克斯灰度的像素对应的窗口最大温度( )和最小灰度的像素代表与最小间隔引擎温度( )在获得的红外图像。
(一)
(b)
灰度的传递函数使用辐射可以计算如下: 在哪里( )传递函数的斜率。美,和的温度,和相应的灰度的最大值和最小值,和通过方程(2)。使用方程(8),光辉从灰度可以反向计算
这提到的辐射估算方法使用温度和灰度假设对象的温度和发射率对应的至少两个像素在一个红外图像是已知的。两个像素的像素值和温度差异较大确保更好的光辉估计。
3.4。提出了基于温度的红外图像生成合成方法合成
在这一步中,假设一个红外目标图像大小在一个红外背景图像合成调整根据目标距离中提到的部分3.1。的总过程提出了红外合成图像生成方法使用温度合成如下。
3.4.1。我步:最小和最大温度分配最小和最大红外目标和背景的灰度
在一个任意的原始红外图像目标(或背景)IR-WB转换,当假设最小和最大温度和(或和背景图像)被分配到最小和最大灰色的水平和(或和背景图片),辐射强度和(或和背景图像)对应于灰色的水平或温度通过方程计算(2)。
3.4.2。第二步:温度分配所有剩余像素为红外目标和背景
目标(或背景)辐射强度(或 )对灰度(或 )红外目标的所有剩余像素(或背景)是获得使用方程(9)。和大约估计的目标(或背景)温度(或 )获得对应的辐射强度计算通过方程(6);然后温度补偿的目标(或背景)(或 )通过方程计算(7)。
3.4.3。第三步:合成温度图像与目标嵌入到背景图像
作为补偿目标温度的形象合成在所需的位置补偿背景温度图像吗与合成温度所需的大小,图像与目标嵌入在后台创建。下标意味着合成的红外目标和背景。这个步骤假设目标图像缩放是介绍部分3.1。
3.4.4。第四步:辐射强度的理想IR-WB合成温度
合成温度的形象由红外目标和背景的辐射强度计算所需的IR-WB使用方程(2与发射率)。 实验使用的是基于假设的部分。2.2。
3.4.5。第五步:生成所需IR-WB辐射强度图像
最后,所需的IR-WB radiance-to-gray-level生成的图像是传递函数使用辐射强度获得所需的IR-WB第三步的合成温度的形象。由radiance-to-gray-level传递函数 在哪里 和意味着对比度和亮度控制常数。为 和 ,所需的IR-WB图像的灰度分布在0 ~ 255。
4所示。结果与讨论
4.1。验证温度的估计
图6显示了大约估计温度 ,温度补偿 ,和他们的温度误差与原来的温度(由方程(1三个IR-WBs))。温度误差代表原始温度之间的差异和大约估计还是补偿的。温度大约估计的错误和补偿的 和 ,分别。LWIR-WB的人物6(一)和6 (d),大约估计温度误差的符号变化从消极到积极的在410 K,和补偿温度误差显著降低在所有的温度范围。MWIR-WB的人物6 (b)和6 (e),大约估计温度误差的符号变化从正到负420 K,这可以看出温度补偿后,误差大大降低,LWIR-WB相似。SWIR-WB的人物6 (c)和6 (f),大约估计温度高于300 K到500 K的温度补偿。这两个错误的温度随温度增加而降低。的误差补偿温度显著降低比大约估计温度。也补偿温度引起的误差4.5 K至300 K。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图7显示灰色的水平的比较计算的近似估计温度和温度补偿。积分灰度,大约估计灰度和灰度表示灰度补偿得到的原始温度,温度大约估计,分别和温度补偿。图显示了不同的灰度积分和大约估计灰度和灰度补偿LWIR-WB-to-MWIR-WB和LWIR-WB-to-SWIR-WB转换。大约估计灰度的差异金额,699年和1041年分别在水平MWIR-WB和SWIR-WB转换。另一方面,不同的灰度补偿的金额,分别为11和14 MWIR-WB转换和SWIR-WB水平。我们可以知道补偿温度产生灰度差异小于大约估计温度。
(一)
(b)
(c)
(d)
IR-WB转换使用补偿温度进行了模拟。红外图像仿真中使用(场景一和SCENE2)被TAU640收购,LWIR相机FLIR Corp .),如图8(一个)。在测试图像,地面结构最亮的灰度(像素值为255)。而另一方面,天空背景区域灰度最低(像素值0),这些温度测量使用一个红外温度计是320 K和270 K,分别。数据8(b)和8(c)的伪彩色图像显示大约估计温度和温度补偿从测试中提取LWIR图像。LWIR-WB的人物6(一)可以看出,大约估计温度低于补偿温度波形估计大约400 K温度比补偿温度更蓝的黑框所示的伪彩色图。图中所示的白盒,补偿温度低于400 K高于大约估计温度和变得更红了。数据8(d)和8(e)显示WB-converted MWIR使用补偿温度和短波红外成像的图像。
IR-WB转换主要是执行从LWIR-WB MWIR-WB或SWIR-WB。LWIR-image用于更广泛的比其他世行图像,及其灰度分布根据温度相对比其他IR-WBs线性。另一方面,短波红外成像图像亮度变化不大,在低温地区,因为辐射非常小。这意味着IR-WB转换使用SWIR-WB可能不是有效的。另外,如图6 (e),因为补偿温度MWIR-WB只有一个很小的误差低于350 K, IR-WB转换使用使用SWIR-image MWIR-image比这更为合理。
4.2。制备红外目标和背景图像的图像合成
验证提出的红外合成图像的方法,我们使用模拟或实际LWIR目标图像组成的三组红外目标图像(空中目标,地面目标和海上目标),如图9。LWIR图像建模的目标(mF16, mAgusta-helicopter, mTANK、mSHIP1 mSHIP2)生产从各自的三维CAD模型RadThermIR [25和缪斯16),大公司的红外特征建模工具。目标组成的网格(或晶格)建模,和光辉每格是通过热分析计算的建模工具。然后创建LWIR目标图像如图。我们也用实际的LWIR目标图像(战斗机上,波音公司、TANK1 TANK2, SHIP1,和SHIP2)通过热设备拍摄。类似于LWIR目标图像,实际LWIR背景图像是由三组:天空背景(侦探与高对比度和SKY2 SKY3低对比度),地面背景(GROUND1, GROUND2低对比度),和海洋背景(SEA1, SEA2高对比度)。这些红外背景图像的视场 天空和大海背景和 因为地面背景。如果假设所有对象准备目标和背景图像灰体,温度信息的目标图像和背景图像,分别提出了估计的过程。后产生一个温度合成图像合成一个目标温度图像和背景的温度图像,生成所需的IR-WB的红外合成图像。
4.3。合成实验红外目标和背景
数据10和11天空显示建模产生的图像合成目标(mF16和mAgusta-helicopter)和真正的天空背景图像(侦探家,SKY2, SKY3)三个IR-WBs。为各种不同的温度分布、视场和目标的距离,各种红外合成图像为三个WBs创建基于补偿温度和温度大约估计的补偿。温度从建模目标提取和LWIR背景图片,可以看出补偿温度的升高略高于大约估计温度在伪彩色。MWIR和短波红外成像图像,分别改变使用的合成温度图像估计LWIR建模的图像目标和真正的天空背景图像。转换的high-WB low-WB mF16和mAgusta-helicopter模型,人体区域,在低温区域变成深色由于减少辐射强度,而发动机区域在高温区域成为光明的辐射强度的增加。转换的high-WB low-WB天空背景图像,高温区域突出了辐射强度增加了转换函数,例如,道路附近的结构在侦探家,SKY2山上的小结构,SKY3上面的部分云区域。另一方面,较低的温度区域黑暗由于辐射强度下降,例如,上云区域和低山区域在侦探家,上层SKY2云地区,SKY3云地区低。
图12显示了生成的图像合成模拟地面目标(mTANK)和海上目标建模(mSHIP1和mSHIP2)与地面背景(GROUND1和GROUND2)和真正的海洋背景(SEA1和SEA2)三IR-WBs。类似于建模天空的转换目标,的身体区域建模坦克和船,低温,在整个黑暗的,而转动轴运动和卡特彼勒mTANK地区高温、mSHIP1上游地区的阳光直射,突出显示。GROUDN1和GROUND2有点宽的温度范围和灰度分布;另一方面,SEA2和SEA3狭窄的。MWIR和短波红外成像图像转换,高温区域辐射增加了强调的转换函数,例如,道路附近的结构在GROUDN1 GROUND2和部分地面地区SEA1 SEA2。另一方面,低温区域黑暗由于辐射强度下降,例如,山地和丘陵地区GROUDN1 GROUND2和海地区SEA1 SEA2。我们可以看到,高温区域的像素值扩大由于辐射的增加,而低温区域的像素降低由于光辉的减少(即。、扩张和压缩效应的像素值转换函数与指数型)的亮度MWIR和短波红外成像图像转换。在短波红外成像和MWIR合成图像的情况下,很难区分背景因为光辉在低温下非常低。另一方面,对于LWIR合成图像,甚至更容易区分对象较低温度。
数据13,14,15为每个IR-WB显示合成的结果,应用实际的空中目标(战斗机和波音公司),地面目标(TANK1和TANK2),和海上目标(SHIP1和SHIP2)同样的天空,地面和海洋背景。IR-WB转换结果我们可以看到,使用实际的目标是获得的类似应用建模的目标。
数据16和17显示的像素值红、绿、蓝线(实线目标线和点线为背景)转换LWIR, MWIR,短波红外成像图像。数据(16日)- - - - - -16 (d)分别是对应数据的结果吗10(一),11(c),12(一),12(c)包括建模的目标,和数字(17日)- - - - - -17日(d)分别是对应数据的结果吗13(e),14(e),15(b)15(d)包括实际的目标。在图中16应用建模的目标,可以看出的像素几乎金属和背景的目标是减少比例从high-WB low-WB作为一个整体。然而,在数据(16日)和16 (b)的像素值,因为发动机的一部分mF16 mAgusta-helicopter非常高,可以看出,像素值几乎没有变化即使世行执行转换。此外,数据的正常背景的像素值16 (b)- - - - - -16 (d)在世行转换单调下降,而像素值非常低的乌云在图吗(16日)不是按比例减少由于非常低的像素值。提到的特性图是相似的17应用建模的目标。可以看出,相对应的像素值的实际目标和背景的同时减少比例WB转换。这是因为几乎目标大多是由金属和红外系统的背景相对单调,所以存在这样的一个区域的像素值在0到255之间,尽管事实上,发射率变化的特定对象IR-WBs一般是不规则的。我们也可以看到,饱和现象的像素值出现即使IR-WB改变,因为像素值很高的羽流地区F35图(17日),引擎的波音在图17 (b),卡特彼勒的坦克在图17 (c)。我们证实了红外背景图像可以通过模拟或实际合成目标设定温度的目标和背景,目标距离和任意视场。更精确的合成,它需要红外背景的红外摄像机拍摄信息和气候条件在一个图像采集。特别是,环境信息的红外照片,如时间、经度,天气,温度,湿度,在这张照片位置和高度,可以用于更精确的温度估计的一个对象。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
5。结论
本文提出了一种红外复合图像生成方法建模(或实际)红外目标和实际红外背景。合成温度结合生成的图像,分别估计从红外目标和背景红外温度信息。WB-converted的灰度图像真实的红外背景和红外目标调整基于他们估计温度和辐射信息。在实际的测试中,我们合成了各种建模目标和现实背景。我们证实了红外背景图像可以用红外合成目标设定温度的目标和背景,目标距离和任意视场。红外合成图像可用于仿真的图像搜索者IR-guided导弹。如果使用红外合成图像重叠在红外DIRCM分划板模式,他们也可以被应用到一个红外十字线导引头仿真。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。