面向目标检测的视觉注意机制波段选择研究

近年来,波段选择在高光谱图像降维处理中得到了广泛地应用,然而常用的数据降维方法并没能将与人类视觉系统相关的信息进行有效利用,如果将人类与生俱来的视觉注意机制能力应用到高光谱图像中目标的视觉显著性特征的增强或识别,对于高光谱图像的目标检测研究无疑会产生相当的促进作用。研究提出引入视觉注意机制理论应用于波段选择研究,构建面向目标检测应用的视觉注意机制波段选择模型。通过分析计算波段图幅的目标与背景的可识别程度,量化所在波段对地物目标与背景的判别能力,提出了基于目标视觉可识别度的波段选择方法;利用LC显著性算法进行空间域的视觉显著性目标分析,计算背景与目标的显著性差异绝对值,提出基于LC显著目标结构分布的波段选择方法。将这两种方法结合提出的改进子空间划分方法,建立面向目标检测的视觉注意机制波段选择模型,并经高光谱遥感AVIRIS San Diego公开数据集进行目标检测实验验证,结果表明所提出的基于视觉注意机制的波段选择模型对于目标检测应用具有较好的检测效果,实现了数据降维和高效的计算处理。     

根据表面反射特性进行目标探测的波段选择

计算和分析了表面反射特性对选择波段进行目标探测的影响.通过引入正交子空间投影方法，将背景信号从接收到的混合光谱中消除，从而达到压缩背景信号的目的.并在此基础上运用匹配跟踪算法自动地进行优化波段的选择,达到选择最佳波段的目的，从而进行目标探测.在大气外实际目标的探测中，得到了进行大气外目标探测的波段选择与目标表面反射特性的关系.     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

空间目标探测与识别的波段选择

介绍了根据目标的反射率实验测量和大气光谱特征对大气层外目标进行探测的波段选择方法.测量出样品及标准板的反射光强度,计算出样品的光谱反射率,在考虑空间目标自身的辐射强度、光谱反射率、背景大气的辐射亮度、目标-背景对比度、不同波段斜程透过率等诸多因素后进行波段选择.利用MODTRAN大气传输模型计算了目标亮度、背景大气的辐射亮度、对比度以及不同波段斜程透过率的典型光谱特征、并进行光谱特征分析,综合考虑目标的视亮度以及对比度,结果表明0.76～0.90 μm是包覆黄色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段,0.52～0.60 μm是包覆银色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段.     

多波段红外图像的海面舰船目标检测

现有的基于单个红外宽波段的海面舰船目标探测系统在面对复杂海天背景、岛岸背景、恶劣天气、亮带干扰或诱饵弹干扰等情况时,系统的探测率、虚警率、探测距离等性能指标均会受到严重的影响;为此,开展了基于多波段红外图像的海面舰船目标检测方法的研究。通过中波红外多波段数据采集系统实际采集107组五个中波红外波段的图像;波段1-5分别为3.7～4.8,3.7～4.1,4.4～4.8,3.7～3.9和4.65～4.75 μm;对多波段图像进行手动标注构建样本数据集,其中,正样本舰船目标298个,负样本非舰船目标353个。对于多波段红外图像,首先进行PCA降维并采用选择性搜索算法生成初始目标候选区域;针对候选区域中存在大量明显的非舰船目标区域的问题,利用积分图像计算候选区域的局部对比度,依据红外舰船目标的几何和灰度特征从初始目标候选区域中筛选出舰船目标可能性大的区域作为舰船目标候选区域。然后对舰船目标候选区域进行拓展以融入局部上下文信息,对于候选区域对应的5波段红外图像,分别提取每个波段图像的稠密SIFT特征,并将128维SIFT特征向量降为64维,融入SIFT特征的空间和波段位置分布信息得到新的特征向量,基于高斯混合模型对候选区域的特征向量集合进行编码融合得到舰船目标候选区域的费舍尔向量表示,最后利用线性SVM分类器识别出舰船目标。对多波段图像进行舰船目标候选区域生成实验,所提出的基于红外舰船目标的几何和灰度特征的约束方法可以有效地克服选择性搜索算法的不足,从初始目标候选区域中快速定位出舰船目标候选区域,对25组多波段图像进行实验,舰船目标候选区域生成的整体耗时为0.353 s,定位舰船目标区域耗时0.005 s。对100个正负样本进行目标识别测试,所提出的目标识别算法融合了目标的多波段图像特征信息,通过引入费舍尔向量挖掘了多波段图像梯度统计特征的深层次信息,算法的识别率达到了0.97,显著高于单波段红外图像的目标识别率。对25组多波段图像进行舰船目标检测实验,所提出的舰船目标检测方法能够在海天背景、岛岸背景以及亮带干扰等不同场景下完成海面舰船目标的检测工作,舰船目标定位准确,舰船目标召回率达到了0.95,每组多波段图像的平均检测耗时为1.33 s。研究结果表明,充分考虑海面舰船目标在红外图像中与局部海洋背景的辐射差异以及有效地融合舰船目标在多个红外波段图像中的辐射特征,可以增强舰船目标的可分性,提高舰船目标的识别率以及检测率,为基于多波段红外图像的海面舰船目标检测提供了新的技术支持。     

原棉异纤维检测系统照明光源光照度分布研究

在基于机器视觉的原棉异纤维检测系统中,选择能满足检测系统的光源和照明方案是提高系统检测率和检出率的关键,使检测对象尽可能多地显现出特征信息。选用单芯片InGaN(蓝)/YAG荧光粉型白光LED作为照明光源,采用理论计算和非成像光学设计的方法对LED阵列的光照度分布进行了研究,并根据原棉异纤维检测系统对光源光照度的具体要求,设计出了LED正方形阵列和三角形阵列两种排列方式,并利用TracePro软件对两种阵列形式进行仿真。通过比较两种阵列形式光照度分布的结果,最终选用高光照度且均匀性好的LED三角形阵列作为原棉异纤维检测系统的照明光源,满足了机器视觉成像的要求。     

基于非采样Contourlet变换的遥感图像融合算法

为了使融合后的多光谱图像在尽可能保持原始多光谱图像光谱特性的同时,显著提高空间分辨力,提出了一种基于非采样Contourlet变换(NSCT)的遥感图像融合算法。算法首先对全色波段图像进行非采样Contourlet变换,得到全色波段图像的低频子带系数和各带通方向子带系数;然后针对多光谱图像的每一个波段,将其进行双线性插值后作为融合后多光谱图像的低频子带系数,对全色波段图像的各带通方向子带系数采用基于成像系统物理特性的注入模型(调整系数)进行局部调整后,作为融合后多光谱图像的各带通方向子带系数,从而得到融合后多光谱图像的非采样Contourlet变换系数;最后再经非采样Contourlet逆变换得到该波段具有高空间分辨力的多光谱图像。采用IKONOS卫星遥感图像进行了仿真实验,实验结果表明,该算法在光谱保留和空间质量提高方面优于其它传统的遥感图像融合算法。     

基于注意力和角度间隔损失的高光谱目标跟踪北大核心CSCD

随着计算机技术的发展,基于深度学习的目标跟踪方法已成为计算机视觉领域中重要的研究方向;但跟踪环境的复杂多变使得跟踪算法在背景干扰、颜色相近等问题上仍面临巨大挑战。相比于传统彩色图像,高光谱图像包含丰富的辐射、空间和光谱信息,能够有效提升目标跟踪的准确率。提出了将注意力机制(attention mechanism)和加性角度间隔损失(additive angular margin loss, AAML)相结合的方法来进行针对高光谱图像的目标跟踪。通过融合多域神经网络对不同波段组合进行特征提取,同时设计了融合的注意力机制模型,使得来自不同波段组合之间的相似特征进行整合和强化,在目标背景颜色相近的情况下,网络会更多地注意目标物体,使得跟踪结果更为准确。在此基础上为了使目标和背景的区分更具有判别性,网络使用加性角度间隔损失作为损失函数,在训练过程中可以有效减小同类样本的类内距离,增大正负类样本的类间距离,从而提高网络的准确性和稳定性。实验结果表明,本文方法可使两种跟踪精度评价指标精确率和成功率分别提升1.3%和0.3%,相较于其他方法更具优势。     

基于复滤波器组的红外弱小目标检测算法

 为了有效抑制复杂背景的干扰,降低复杂背景所带来的虚警,提高目标检测的信噪比,提出了一种基于复滤波器组的红外弱小目标检测算法。分析了复杂背景下带有弱小目标的红外图像中复杂背景和弱小目标图像各自的频谱特性,并引入了分频段处理的思想。比较了各种滤波器的性能,并选用了基于复小波的滤波器组,用该滤波器组将红外弱小目标图像分解到各个子频域;对分解后的各频段图像分别进行基于罗宾逊滤波的目标检测处理,提取各频段图像中的奇异点;根据目标图像和背景图像的频谱特性的定量分析结果,选取合适的权值,将各频段检测的结果进行加权融合,得到最终的处理效果。实验结果表明:弱小目标检测方法较之于传统的不分频段的高通滤波处理方式可以获得更高的信噪比,目标得到明显的增强,背景杂波得到更有效的抑制,各项探测指标均更优。     

基于假彩色的红外双波段图像融合方法

分析了人眼视觉和基于假彩色的NRL方法,并将其扩展应用到中波/长波双波段红外图像融合处理中.该方法以双波段红外图像不同的目标响应特征为基础,对RGB三通道分别赋值融合,给出了仿真实验的结果.利用熵和交叉熵等统计参量对多种融合方法的性能进行了定量的评价和比较,实验结果表明基于假彩色的红外双波段图像融合技术简单有效,有利于实时处理.     

同色异谱破坏特性及其在相似异物检测中的应用

由于相似异物与所处背景的外观特征极其相近,现有的光谱成像检测技术遇到新的挑战。针对复杂背景中相似异物检测难题,提出了利用同色异谱破坏特性的透反射光谱图像检测方法。在分析同色异谱破坏过程中异物与背景光谱特性差异基础上,建立了波长优选函数筛选最优波长的透反射光源构建成像检测系统。以棉花中的白色丝状异物作为实验对象,利用最佳波长透反射成像系统获取异物特征,采用图像决策层融合增强异物图像特征,最后利用二值化处理提取异物目标。实验结果表明,在利用390 nm反射波长与580 nm透射波长的双波长图像检测中,成像系统获取的相似异物图像特征明显,异物提取后检测结果与实际相符。此方法可有效检测棉花中多种白色丝状异物,为相似异物检测提供了一种新思路。     

Autofocusing based on wavelength dependence of diffraction in two-wavelength digital holographic microscopy

An autofocusing method for two-wavelength digital holographic microscopy (TWDHM) based on the wavelength dependence of the diffraction process is proposed. Red and green lights are employed for the illumination of the TWDHM, and the generated holograms are recorded simultaneously by a color CCD camera. Due to the wavelength dependency of the diffraction process, the farther the reconstruction plane is from the image plane, the larger the difference is between the red and green light distributions. Thus, the image plane can be determined by finding the minimum of the variation between the red and green lights on their amplitude distributions. The feasibility of the proposed method is demonstrated by simulation and experiment.     

多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像

传统的叠层衍射成像往往采用单波长照明,即使使用多波长来提升恢复质量也是采用依次照明的方式,同时对相干性要求很高.非相干光照明一直被认为不利于衍射成像.本文提出了一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案及相应的多路复用叠层衍射成像算法,并通过仿真和实验验证了该方案的可行性.相比于传统的相干叠层衍射成像方案,该方案不仅能够很好地恢复物像,同时也能够恢复不同波长下分别对应的物体的光谱响应、复振幅探针和光谱比例,从而获得更多的物体信息,具有多通道和多光谱的优势.同时,通过彩色图像编码的方式,能够实现物体的真彩色复原和图像质量的增强.此外,还证明了该算法具有很强的鲁棒性,研究了最多可分辨波长的数量.该研究结果为叠层衍射成像技术的信息多路复用及多光谱成像在更多领域的应用展现了可能性.     

Illumination-angle-scanning digital interference holography for optical section imaging

We propose and experimentally demonstrate a new (to our knowledge) digital holographic method to reconstruct section images of objects with wavelength-dependent reflectivity. A number of holograms of an object are taken as the illumination angle of the laser beam with a specific wavelength is changed in regular intervals. The complex object fields reconstructed from the holograms are numerically superposed to show the image of a sliced section of the object, whose position and thickness can be chosen arbitrarily. By changing the wavelength of the illumination beam, wavelength-dependent section images can be obtained with our method.     

Determining the micro-optical element surfaces profiles using transmission deflectometry with liquids

We propose a method for simultaneously measuring the front and back surface profiles of transparent optical components. The proposed method combines dual wavelength transmission deflectometry with liquids to record distorted phases at different wavelengths, and then numerically reconstructs the three-dimensional phase information to image the front and back surfaces of the lens. We propose a theoretical model to determine the surface information, and the imaging of achromatic lenses is experimentally demonstrated. Unlike conventional transmission deflectometry, our proposed method supports direct observation of the front and back surface profiles of the optical elements. Compared with other techniques such as interferometry, the proposed setup is simpler to align, has lower cost, and does not require coherent illumination. The proposed method can be applied to normal transmission deflectometry for determining the three-dimensional surface profiles of optical components.     

一种自适应的Gabor图像特征抽取和权重选择的人脸识别方法

 为了克服光照、表情变化等因素对人脸识别的影响,本文提出了一种自适应的Gabor图像特征抽取和权重选择的人脸识别方法.该方法首先把每幅人脸图像经过Gabor小波变换后得到的40个不同尺度和方向下的图像都看作是独立的样本,再把不同人脸中的同一尺度和方向的变换结果进行特征重组,得到40个独立地新特征矩阵.为了增强对光照、表情变化的鲁棒性,每一新特征矩阵的识别贡献被本文所提出的自适应权重方法计算得到.其次,对每一新特征矩阵采用离散余弦变化进行降维,并采用了鉴别力量分析方法来选取最有鉴别力的离散余弦变换系数作为特征向量.最后,抽取线性鉴别分析特征进行识别.大量的实验证明了本文所提方法的有效性.     

光电成像检测系统像面照度均匀性分析

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。     

MAXR回归法在近红外光谱定量分析及最优波长选择中的应用研究

介绍了运用MAXR回归法建立傅里叶变换近红外光谱定量分析模型的原理和方法。以此方法,由Matlab语言设计程序,进行近红外光谱定量分析建模的波长信息选择。并以小麦样品为实验材料,建立了蛋白质含量的近红外光谱定量分析模型,其中优选出2个和3个波长点处光谱信息建立的多元回归模型的预测结果与凯氏定氮法分析结果相关系数分别为0.977 1和0.976 5,标准差分别为0.335和0.340。MAXR回归法在进行波长信息,选择时可建立分别包含1,2,…,k个波长点信息的最优回归模型,且计算量适中,因此是一种实用的选择“最优”波长信息的回归方法。该方法不仅可少而精选择波长信息,建立抗共线性信息干扰的光谱定量分析模型,而且对于特定样品、特定待分析组分,选择最优波长信息建模分析的工作,可指导专用近红外分析仪器的设计。     

分波段照明法实现单透镜大景深成像

基于透镜色散原理,提出了运用分波段照明法扩大单透镜成像景深的方法.理论推导出物距和照明光波长之间存在正相关关系,据此选择相应波段的照明光源,通过照明光学设计,使不同物距的物体均能清晰成像在同一像面上.ZEMAX软件模拟结果与理论分析吻合.采用自行设计的图像采集系统,只用一个35mm焦距普通双凸透镜进行实验测试.人眼主观和专业软件测试结果均表明:采用分波段照明方式比用白光照明景深扩大81.8%,分辨率最大提升200.3%;比只用单色光照明景深扩大了93.6%,分辨率最大提升189.7%.     

非相干照明条件下的ptychographic iterative engine成像技术

在传统多波长相干衍射成像理论的基础上提出适用于 X-射线和电子束等非相干光源照明成像的改进多波长ptychographic iterative engine 方法, 同时将小孔形状和照明光谱信息用于叠代计算, 可以在非相干照明条件下精确重建出物体的强度透射像和相位透射像, 并对光源带宽对重建精度的影响进行了分析, 对于解决如何在非相干照明条件下对大尺寸物体进行精确相位成像的问题具有较好的科研和实用价值.