复杂背景下红外目标检测方法研究+文献综述(8)
2．4 红外弱小目标分析
本文讨论的是复杂背景下的红外弱小目标检测， 虽然弱小目标是指目标灰度与背景灰度差异不高于背景方差的小目标。但是在红外图像中红外弱小目标的定义可以说是一个不明确的概念，其中“弱”和“小”指的是目标属性的两个方面，所谓“弱”是指目标的强度，反映到图像上就是指目标的灰度，所谓“小”是指目标的尺寸，反映到图像上就是指目标所占的像素数，即在图像中对比度较低、尺寸较小的目标。
目前，红外成像系统的作用距离一般可达到10公里左右，在空对空、空对地等时作用距离可大于10公里，如果目标为来袭的导弹或飞机，可以假设其迎头方向几何尺寸在1米至5米之间，这样目标对于成像系统来说大小为0.1mrad 0.5mrad之间，目前军用的红外成像系统的空间分辨率大致为 0.1mrad，上述目标就在1个象素5个象素之间，据此，可以认为所涉及的小目标是指在图像上大小在1×1个象素至6×6个象素之间的目标。从红外成像的一般概念得，认为一般要对目标的形状进行识别需要 6 条线以上，所以6×6以下的目标可以认为基本没有形状信息，故认为红外小目标是几乎没有几何尺寸、没有形状信息和纹理的目标。由于红外弱小目标的检测问题大多是军事上的需求，而且往往是针对较远距离的目标进行的，所以弱小目标相对于背景的亮度并不是很突出，其信号强度是比较弱的，即所谓的弱目标，它不管是绝对亮度，还是相对亮度都是比较低的。
综上所述，红外弱小目标是指在红外图像中对比度和信噪比较低、象素尺寸较小的目标。一般情况下认为对比度小于15℅，信噪比小于4，像素尺寸小于6×6的目标为弱小目标。
一般都是用对比度和信噪比来描述目标信号的强弱，在图形图像学中对比度描述的是目标与周围背景之间灰度或亮度的差异。对比度的定义较多，常用的三种定义如下所示：
上列三式中的 代表目标的灰度， 代表背景的灰度， 为系统的最高灰度值， 为系统的最低灰度值，式(2—2)和式(2—3)中的 和 常被称为相对对比度，而式（2—4）中的 被称为绝对对比度。
信噪比是指目标强度与噪声强度之间的比值，对于图像中的目标检测问题的信噪比可以用下式定义：
（2-5）
其中 为目标的灰度值， 为背景的灰度值， 为背景的方差。
红外图像中的弱小目标的检测，从图像分析的观点看是判断图像中的孤立奇异点。红外背景往往呈大面积的连续分布状态，在红外辐射的强度上也呈渐变过渡状态，从而使得它们的红外图像在图像灰度空间分布上具有较大的相关性，是一种缓慢变化且非平稳的二文随机过程。目标的红外辐射强度与其周围自然背景的辐射强度无关，且一般都高于背景的辐射强度，可以认为背景处在图像信号的低频部分，而目标处在图像信号的高频部分，通过变换将红外图像的低频部分和高频部分进行分离，然后对各高频分量进行分析，可以将目标检测出来。即目标检测的本质是：充分利用目标本身所固有的、规律性的多种特性，使变换后的目标特性得到有效的增强，改进目标特性的显著性和与背景的分离性。目前的弱小目标检测主要有两类方法：第一类，对于单帧图像尽可能地抑制背景和噪声，然后通过各种图像分割方法得到目标;第二类，是充分利用序列图像的帧间相关性和目标运动的连续性，进一步排除虚假目标，确定真实目标。其中对于单帧图像的检测，主要是依据目标在图像的局部对比度相对较高，对于序列图像检测方法的依据是以红外序列图像中目标的运动特性，即目标在各帧图像中的运动具有连续性，以及目标的灰度具有相关的特性，红外目标在不同时刻在空间域上产生位置差异，从而将背景、噪声与运动目标分开，从而检测出红外运动目标。该方法属于时——空域滤波的方法。