17492

17492

آشكارسازي هدف هوايي در تصاوير مادون‌قرمز با اطمينان‌پذيري بالا بر مبناي توجه بصري انسان

دكتري

الكترونيك

ارديبهشت 1396

دكتر سيد محمدرضا موسوي ميركلايي - دكتر ستار ميرزا كوچكي

برق

هدف از انجام اين رساله ارائه روشي مقاوم با اطمينان¬پذيري¬ بالا و بر اساس سامانه توجه بصري انسان براي آشكارسازي موثر هدف هوايي كوچك كم‌نور در تصاوير مادون¬قرمز با كلاتر پيچيده است. در سامانه¬هاي دفاعي، آشكارسازي هدف در دورترين فاصله ممكن بسيار بااهميت است. از اين رو هدف در تصاوير مادون¬قرمز اكتساب شده بسيار كوچك و كم¬نور بوده و با وجود كلاترها و نويز در پس¬زمينه‌هاي پيچيده، آشكارسازي اطمينان¬پذير هدف با نرخ پايين هشدارهاي كاذب چالش‌برانگيز مي‌شود. هدف كوچك در تصاوير مادون‌قرمز به صورت ويژگي‌هاي برجسته است كه توجه بصري انسان را به خود جلب مي‌كند؛ امروزه مدل¬هاي محاسباتي توسعه داده‌شده بر مبناي سامانه بصري انسان در بسياري از كاربردها از جمله آشكارسازي هدف در تصاوير مادون‌قرمز پيشنهاد شده‌اند كه داراي نتايج مطلوبي نيز بوده‌اند. لذا در اين رساله ضمن بررسي و تحليل روش‌هاي متداول آشكارسازي هدف كوچك در تصاوير مادون‌قرمز و مفاهيم و مسائل پايه‌اي مرتبط با آن به بررسي و تحليل سامانه بصري انسان و نمونه‌هاي مدل محاسباتي ارائه‌شده براي آشكارسازي هدف كوچك در تصاوير مادون‌قرمز پرداخته مي‌شود. در اين رساله بر اساس سامانه توجه بصري انسان دو روش مقاوم و با اطمينان¬پذيري¬ بالا ارائه شده است كه مي‌توانند به صورت موثر هدف كوچك كم‌نور هوايي را در تصاوير مادون‌قرمز با كلاتر پيچيده آشكار نمايند. در روش پيشنهادي اول با استفاده از ادغام نقشه‌هاي برجستگي ساكن و حركت ايجادشده از تصاوير مادون‌قرمز حاوي هدف در حال پرواز، اهميت دادن به برجستگي¬هاي به دست آمده از يك روش نسبت به روش ديگر و استفاده از اطلاعات و مزيت‌هاي همه نقشه‌ها، در نقشه برجستگي ادغام‌شده با اطمينان¬پذيري بالايي كلاتر و نويز پس-زمينه فرونشانده شده و هدف نسبت به آن‌ها برجسته¬تر مي¬شود؛ در نتيجه تباين بين آن¬ها را بالاتر مي‌برد و در نهايت با استفاده از نقشه برجستگي ادغام‌شده به دست آمده آشكارسازي هدف انجام مي‌شود. در روش پيشنهادي دوم ابتدا نقشه‌هاي ويژگي‌هاي گاوسي شكل از تصوير اصلي مادون‌قرمز استخراج مي‌شود. سپس بر پايه تبديل كسينوسي گسسته پالسي نقشه‌هاي برجستگي ايجاد مي‌شود كه در آن هدف برجسته و كلاتر پس¬زمينه فرونشانده شده است و در نهايت براي افزايش تباين بين هدف و كلاتر پس¬زمينه و بالا بردن مقاومت روش در برابر هشدارهاي كاذب، نقشه‌هاي برجستگي به دست آمده با يكديگر به صورت تطبيقي ادغام و با استفاده از آن آشكارسازي هدف انجام مي‌شود. به منظور ارزيابي عملكرد روش‌هاي پيشنهادي، دو مجموعه داده از تصاوير واقعي مادون‌قرمز حاوي هدف كوچك در حال پرواز و در كلاتر پيچيده پس¬زمينه با همكاري دانشگاه جامع امام حسين (ع) آماده شده است. آزمايش‌ها بر روي اين مجموعه داده¬ها و ارزيابي‌هاي مختلف كمي و كيفي نشان مي‌دهد كه روش‌هاي پيشنهادي مي‌توانند هدف كوچك در تصاوير مادون‌قرمز را نسبت به روش‌هاي ديگر بر پايه توجه بصري انسان به صورت موثرتر و با اطمينان¬پذيري بالاتري آشكار نمايند. به طوري كه در يكي از روش¬هاي پيشنهادي معيار كمي بهره سيگنال به كلاتر داراي نرخ متوسط 49 درصدي است كه نسبت به مقاوم¬ترين روش ارائه شده تاكنون مقايسه شده و به ميزان 33 درصد بيش¬تر است. اين ميزان اختلاف نشان مي¬دهد كه روش پيشنهادي مي‌تواند با اطمينان-پذيري بالاتري نسبت به روش¬هاي ديگر، سيگنال هدف را حفظ و همزمان كلاتر پس زمينه در تصاوير مادون‌قرمز را تضعيف نمايد. از اين رو روش¬هاي پيشنهادي مي¬توانند در بسياري از كاربردهاي آشكارسازي هدف كوچك در تصاوير مادون‌قرمز مورد استفاده قرار گيرند.

1396/03/28

1/1/1900 12:00:00 AM

The purpose of this dissertation is present of robust and highly reliable small dim aerial target detection methods based on human visual attention system in infrared images with complicated background clutter. Detection of incoming small targets from a long distance is of paramount importance in defence systems. Therefore, targets in the acquired IR images are usually dim and small while clutter and noise in complex background are high, make the detection of the small targets with high reliability and low false alarm rate challenging. Small target in IR images is as salient features that attracts human visual attention. Nowadays, developed computational models based on human visual system are proposed to be used in many applications including target detection in IR images that have been desired results. Hence, in this thesis in addition to investigating common methods for small target detection in IR images and related basic concepts and problems, human visual system and proposed computational models related to small IR target detection investigated and analyzed. We propose two robust and highly reliable methods based on human visual attention system so they can detect small dim target in IR images with complicated clutter effectively. In the first method, by using the static and motion saliency maps fusion, emphasizing the obtained saliencies from one method to another and applying the information and benefits of all maps in the saliency map fusion, this method suppresses the background clutter and noise with high reliability, makes the target more prominent and finally increases the contrast between them. Therefore, the target could be easily detected in the fused saliency map. In the second proposed method, first, the Gaussian-like feature maps are extracted from the original image. Then, saliency maps are created based on Pulsed discrete Cosine Transform (PCT) in which the target is salient and background clutter is suppressed. Finally, to increase the contrast between the target and background clutter and to raise robustness of this method against false alarms, saliency maps are fused adaptively and target detection is accomplished using it. To eva​luate the performance of the proposed methods, two data sets of real-life IR images containing moving small target in complex clutter have been prepared in collaboration with Imam Hussein University. The experiments are carried out on the data sets and qualitative and quantitative assessments show that the proposed methods can detect small targets in IR image with high reliability and are more effective compared with other methods based on human visual attention. So that in one of the proposed methods, quantitative measure of signal to clutter ratio has an average rate of 49%, which is 33% higher than the most robust compared method. This difference indicated that the proposed method can suppress background clutter with high reliability regarding to other methods, while at the same time points to maintaining the target signal. Therefore, the proposed methods can be used in many applications for detection of small targets in the IR image