JP2014134442A - 赤外線目標検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】同一の視野領域に対して、受光波長ピークの異なる複数台の赤外線撮像器を用いて撮像する。同一目標に対して各々の赤外線撮像器にて目標検出する構成とし、クリアスカイ背景下と同等の二値化係数によるしきい値を用いて目標検出する。この場合、雲背景等のクラッタ背景の目標については、クリアスカイ領域背景に対して必然的に誤警報が多くなるが、前記赤外線画像に対して目標検出したそれぞれの目標について上記赤外線画像における検出目標の形状及び空間的な位置の同一性を評価し、前記検出目標の形状及び空間的な位置の同一性が高い目標同士を真の目標とみなすようにした。
【選択図】 図1
Description
特許文献1に記載の方法は、赤外線撮像器により目標を撮像した赤外線画像に対して、ラスタ走査しながら注目画素の輝度値と注目画素周辺領域における輝度ばらつきを計測し、注目画素毎に前記輝度ばらつきの計測値を用いて、注目画素周辺領域における輝度ばらつき計測結果に見合った二値化閾値を求めて二値化することで目標を抽出し検出する方法である。
また、クラッタ背景領域における目標検出性能をクリアスカイ背景領域における目標検出性能と同等にするために、仮に、二値化しきい値をクリアスカイ背景領域における二値化しきい値相当に下げてクラッタ背景領域にある目標検出性能をクリアスカイ背景領域における目標検出性能に見直したとしても、反対に、注目画素周辺領域の輝度ばらつき計測結果に見合わない二値化しきい値を用いることによって、クラッタ背景領域にあるクラッタを誤検出してしまう問題があった。
特許文献2の記載の方法では、クリアスカイ背景領域にある、高度方向に対する輝度のグラデーション分布に起因したクリアスカイ背景領域における目標検出性能の劣化の影響を防ぐための目標検出する方式であるため、クラッタ背景領域における目標検出性能を改善するものではない。
このように、特許文献1、特許文献2記載による目標検出方法では、クラッタ背景領域におけるクラッタ抑圧及び、クリアスカイ背景領域と同等の目標検出性能の両立は、困難であるという問題があった。
したがってクラッタ背景領域においては、クラッタによる誤警報低減と、クリアスカイ背景領域と同等の目標検出性能を同時に両立することが課題となっていた。
前記ジンバル機構を駆動制御し、前記赤外線撮像器を目標方向に各々指向させるジンバル駆動制御部と、
各々の赤外線撮像器が撮像した赤外線画像において、各々注目する注目画素の輝度値と前記注目画素の周辺領域における輝度平均値及び輝度ばらつきを求め、前記輝度ばらつきに基づき前記周辺領域が輝度ばらつきの低いクリアスカイ領域であるか、濃淡があって複雑な輝度ばらつきを持つクラッタ領域であるかを判定し、前記判定の結果に対応する二値化閾値を用いて二値化した二値画像を出力する目標検出処理部と、
前記二値画像で検出された各々の目標に対し目標の形状及び空間的な位置の同一性を評価し、同一性が高いと判断した目標についての二値画像を出力するステレオマッチング処理部とを備える。
さらに、従来艦船等での目標測距ではレーザやレーダ等のアクティブセンサを用いた、いわゆるアクティブ測距によるものであるが、上記目標検出の効果によって、海上等のクラッタの影響を受けずに安定して目標検出を行い、かつ、パッシブ測距によって対象目標からの対電子妨害手段の影響を受けずに安定して測距継続することが可能となる。
図1は実施の形態1による赤外線目標検出装置1の構成を示すブロック図である。
赤外線目標検出装置1は、艦船または航空機等に搭載され、目標からの赤外線を集光し、集光した赤外線を検知して撮像画像信号に電気変換して撮像画像信号を出力する#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3と、上記互いに同じ視野領域を撮像するようにジンバル機構4に配置し、#1赤外線撮像器2と#2赤外線撮像器3は互いに同じ視野領域を撮像しながら海上を航行する船舶または上空を飛来する航空機等の微小目標の方向に対して機械的に指向するジンバル駆動制御部5と、前記目標を撮像した#1赤外線画像と#2赤外線画像に対して、注目画素の輝度値と注目画素周辺領域における輝度ばらつきを計測し、注目画素毎に上記の輝度ばらつきの計測値を用いて二値化閾値を求め、二値化処理を行い二値化処理後の二値化画像を出力する目標検出処理部7と、前記目標を撮像した#1赤外線画像、#2赤外線画像に対して、NCC(Normalized Cross Correlation、正規化相互相関、以後NCCと称する)などのパターンマッチング処理を行い#1、#2二値化画像を取得し、更に前記二値化画像より得られる#1、#2の目標位置同士を組合せてその際の視軸ベクトル間の距離を計測し、同時刻でステレオ視した目標形状の同一性と、及び、目標の空間的な位置の同一性を評価検証することで真目標を抽出し、#1二値化画像、#2二値化画像として出力するステレオマッチング処理部9と、前記ステレオマッチング処理部9からの#1二値画像、#2二値画像に対して、目標のラベリング、及び二値化画像における目標の特徴量として重心位置、面積等を演算する特徴量演算回路8とから構成される。
#1赤外線撮像器2と#2赤外線撮像器3を互いに同一の視野領域を撮像するようにジンバル機構4に配置し、ジンバル駆動制御部5によって目標方向に指向することで、#1赤外線撮像器2と#2赤外線撮像器3より、それぞれ同一時刻における同一目標を撮像した#1赤外線画像、#2赤外線画像を得る。
前記#1赤外線画像と#2赤外線画像は、目標検出処理部7、ステレオマッチング処理部9へ入力される。
目標検出処理部7による目標検出方式は、前記#1赤外線画像と#2赤外線画像における目標S/N比が背景S/N比に対して大きく、二値化しきい値による二値化によって目標と背景を分離するという基本原理を利用したものである。
前述のとおり、クリアスカイ領域/クラッタ領域判定34と二値化回路35以外は特許文献1、2記載と動作は同じであるため、ここでは、クリアスカイ領域/クラッタ領域判定34と二値化回路35に特化して説明する。
二値化回路35では(式2)に基づいて、二値化しきい値より大きい輝度の注目画素を“1”に二値化した画素を目標とみなすことで目標検出結果として二値画像を出力する。
目標のテンプレート40では、予め所定のゲートサイズにおける目標の形状と輝度値が示されたテンプレートを保有する。
テンプレートマッチング回路41では、#1、#2目標検出処理後の目標位置を中心として設定したゲート内座標に対して得られる#1、#2ゲート内座標における赤外線画像輝度値と目標テンプレートゲート内座標における画像輝度値を、(式3)に基づく公知であるNCC法を用いて、設定した目標テンプレートと#1、#2目標検出処理後の目標の赤外線画像における輝度形状との同一性を評価検証する。
まず、#1、#2目標検出処理後二値画像より抽出した目標位置座標を中心とした#1、#2赤外線画像のゲート領域内に対して、目標のテンプレートを設定し、ゲート内設定画素における(式3)の演算を行う。
前記の処理について、目標のテンプレートを前記ゲート内領域に対してラスタ走査しながら、ラスタ走査完了するまで繰り返す。#1,#2目標検出処理後の別の目標についても上記処理を繰り返す。
このようにして、#1、#2目標検出処理後二値画像より抽出した全ての目標について目標テンプレートとの輝度形状の同一性をRNCC値として評価する。ゲート中心画素におけるRNCC値が高いほど(すなわち、1に近い程)目標テンプレートとの輝度形状の同一性が高く、低い程(すなわち、0に近いほど)同一性は低いことを示す。
図6は、目標視線ベクトル生成の概念を説明する図である。
図6に示すように、艦船、航空機等に搭載される赤外線目標検出装置の原点を基準にした3軸直交慣性空間座標系P=(X,Y,Z)T、#1,#2の赤外線撮像器の上記慣性空間座標の原点に対する赤外線撮像軸の仮想原点(以降取付位置と称する)をそれぞれO1=(X1,Y1,Z1)T,O2=(X2,Y2,Z2)T、及び前記赤外線撮像軸を基準にした画像座標系をそれぞれ、p1=(u1,v1,w1) T,p2=(u2,v2,w2) Tと定義する。
慣性空間座標P=(X,Y,Z)Tに対する#1、#2の赤外線撮像器の赤外線撮像軸の姿勢角度(以降赤外線撮像器の取付角度と称する)をそれぞれ、ω1,ω2, φ1,φ2, κ1,κ2とすると、画像座標系p1,p2は、慣性空間座標におけるP1、P2を基準した慣性空間座標、すわなち、P1O1=(X-X1,Y-Y1,Z-Z1)T ,P2O2=(X-X2,Y-Y2,Z-Z2)T をX軸に対してそれぞれ、ω1、ω2、 Y軸に対してφ1、φ2、 Z軸に対してそれぞれ、κ1、κ2回転後の空間座標であり(式5)で示される。FTはFの転置行列を示す。
ここに、u1、v1、 u2、v2は#1、#2赤外線撮像器での目標位置の画素から画素寸法より実際の位置に変換して得られる値である。
このとき、#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3から目標検出処理部7で検出した目標に対する慣性空間上における視線ベクトルL1,L2は(式7)によって算出する。
ステレオ視マッチング回路45により同一と評価判定された目標についてのみ、#1目標検出処理及び#2目標検出処理後の二値画像より、真目標を取り出して、#1及び#2の二値画像を更新出力する。
目標位置の同一性評価判定は以下のような前記視線ベクトル間の差分ベクトルDIFFを評価指標として用いて行う。まず、前記DIFFを(数8)で定義する。
したがって、L1,L2の距離はL1,DIFFかつ、L2,DIFFが直交する条件を満足することから、それぞれのベクトルの内積がゼロとなる(式9)を満足するs,t値を求め、その際のDIFFの絶対値を求めることでL1,L2間の最短距離を求める。
#1、#2目標検出処理後の二値画像に対して、前記判定した真目標については、#1、#2目標検出処理後の二値画像を更新せず出力する。前記誤目標と判定した目標に対しては二値画像を“0”でマスク置換更新し、#1、#2ステレオ視マッチング回路45後の二値画像として出力する。
このため、目標検出性能が向上する効果がある反面、目標の誤検出、いわゆる誤警報に関しては、必然的に従来の目標検出処理に対して悪くなるという不都合が発生する。
しかしながら同時刻で受光感度波長帯の異なる赤外線撮像器からの#1、#2赤外線画像に対して目標検出処理部7にて検出されるクラッタは主に雲のエッジや海面のエッジ等の誤検出であることが多く、前記#1、#2目標検出処理後のクラッタ中心における輝度形状、及び検出されるクラッタ位置は、撮像する時刻によってランダムであるのに対して、#1、#2目標検出処理後の目標の形状及び目標の空間的な位置は撮像する時刻に対して、安定しており同一であるという特徴がある。
そこでこの特徴を利用し、実施の形態1に係る赤外線目標検出装置では、目標のS/N比を利用した目標検出処理部7による目標検出に加えて、目標検出処理部7で得られた#1、#2二値画像から得られる目標の位置を中心にゲート中心を設定して、ゲート内における#1赤外線画像、#2赤外線画像の輝度値に対して、予め持つ目標のテンプレートを用いてパターンマッチングし、目標形状の同一性を評価後、二値化画像出力するようにした。
さらに、前記二値化画像から得られる#1、#2の目標位置同士を組合せてその際の視軸ベクトル間の最短距離を計測することで空間的な目標位置の同一性を評価するステレオマッチング処理部9を新たに設けて、前記目標のS/N比を基にして得られた検出目標のうち、2つの赤外線撮像器#1、#2よりステレオ視した目標の形状および空間的な位置の同一性を評価検証した目標を真目標として取り出すようにした。
図7は、実施の形態2に係る赤外線目標検出装置1bの構成を示すブロック図である。実施の形態2では、実施の形態1における赤外線目標検出装置1に画像合成部15を追加し構成される。
画像合成部15は、#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの#1赤外線画像、#2赤外線画像を合成し、液晶などのHDディスプレイ等のTVモニタ表示用に再生成後、表示画像として出力するものである。
#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの#1、#2赤外線画像をフレーム毎に取り込み、それぞれフレーム画像を合成した上で、TVモニタ表示用に表示画像を再生成する。
図8は液晶のフルHDディスプレイに#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの画像を表示出力した例である。#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの画像サイズはVGA(640×480画素)であることが多いため、フルHDディスプレイへの表示は#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの#1、#2赤外線画像をVGAサイズのまま表示画像の水平方向に併せて表示する。表示画像のおける赤外線画像非表示領域はグレー等の中間輝度で出力する。
図9は実施の形態3による赤外線目標検出装置1cの構成を示すブロック図である。実施の形態3では、実施の形態2における赤外線目標検出装置1bに目標測距部14を追加し構成される。
実施の形態3では、実施の形態2のステレオ視マッチング回路45に関して(式7)で得られる#1、#2目標に対する慣性空間上における視線ベクトル値を追加出力するようにする。目標測距部14では、前記視線ベクトル値から、慣性空間上における真目標を推定し、慣性空間基準で真目標の測距を行う。
このベクトルの絶対値を真目標の測距値として特徴量演算回路8に出力する。上記の操作を前記#1、#2目標に対して行う。
図10は実施の形態4による赤外線目標検出装置1dの構成を示すブロック図である。実施の形態4では、実施の形態3における赤外線目標検出装置1cにシンボル重畳部16を追加し構成される。
シンボル重畳部16では、ジンバル駆動制御部5から目標への方位角/仰角、及び特徴量演算回路8からの目標特徴量を用いて、ジンバル駆動制御部5からの指向角度、検出目標の矩形シンボル、目標測距値の数値等を画像合成表示部15からの表示画像に対して重畳する処理である。
図11にシンボル重畳処理部16より出力されるTVモニタにおける表示画像の表示例を示す。
#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの#1赤外線画像、#2赤外線画像について、本装置を操作するユーザに対してわかるように、その下の非表示領域に、例えば“IR#1”,“IR#2”で文字描画すると共に、ジンバル駆動制御部5から目標への方位角/仰角を“AZ”,“EL”の文字で描画、モニタする角度を前記文字に付記し、かつ、ステレオマッチング処理部9で検出した真目標をした#1目標、#2を検出状況であることを示す矩形で表し表示画像に重畳する。
なお、これらは図11の例を説明した一例であり、シンボル内容・表示を限定するものではない。
図12は、実施の形態5による赤外線目標検出装置1eの構成を示すブロック図である。実施の形態5では、実施の形態4における赤外線目標検出装置1dに#1、#2赤外線撮像器パラメータ校正部17及び、赤外線目標検出装置1dの前に模擬目標発生装置18を追加し構成される。
#1,#2赤外線撮像器パラメータ校正部17は、実施の形態1における(式5)で示した慣性空間座標系から画像座標系への変換にあたって、#1、#2赤外線撮像器の取付位置O1=(X1,Y1,Z1)T、O2=(X2,Y2,Z2)T、及びその姿勢角(ω1,φ1,κ1)、(ω2,φ2,κ2)を、模擬目標発生装置18から擬似熱源を持つ目標を発生し、慣性空間における位置を設定する。この模擬目標を#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの#1、#2赤外線画像における座標を観測取得し、これらの組合せを#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3について、それぞれ3組観測取得する。
このようにすることで、上記#1,#2赤外線撮像器の取付位置O1=(X1,Y1,Z1)T、O2=(X2,Y2,Z2)T、及びその姿勢角(ω1,φ1,κ1)、 (ω2,φ2,κ2)を算出する。
実施の形態1における目標視線ベクトル生成回路44の(式5)の3組の行列積を一まとまりにし、模擬目標発生装置18から発生する模擬目標の慣性空間座標をT= (Tx,Ty,Tz)T、前記Tに対応する前記#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3からの赤外線画像から#1,#2テンプレートマッチング処理部9後の二値画像により抽出された模擬目標の座標位置をそれぞれ、t1= (tu1, tv1,-c1) T、 t2=(tu2, tv2,-c2) Tとすると、前記T1,t1,T2,t2は(式11)及び(式12)を満足する。
ここでc1、c2はそれぞれ#1赤外線撮像器2、#2赤外線撮像器3の焦点距離であり既知である。
例えば(式13)から得られる(式14)の関数をテイラー展開して、それぞれの未知変数について1次項までを抽出することで、各未知数について線形3元1次方程式に近似して、線形関数の最小二乗法を用いることで、Fu1、Fv1、Fu2、Fv2が最小になる場合のA、T1、B、T2を解として求めればよい。
Claims (7)
- ジンバル機構に設置され、同一の視野領域の赤外線画像を撮像する受光感度波長帯の異なる2台の赤外線撮像器と、
前記ジンバル機構を駆動制御し、前記赤外線撮像器を目標方向に各々指向させるジンバル駆動制御部と、
各々の赤外線撮像器が撮像した赤外線画像において、各々注目する注目画素の輝度値と前記注目画素の周辺領域における輝度平均値及び輝度ばらつきを求め、前記輝度ばらつきに基づき前記周辺領域が輝度ばらつきの低いクリアスカイ領域であるか、輝度ばらつきの高いクラッタ領域であるかを判定し、前記判定の結果に対応する二値化閾値を用いて二値化した二値画像を出力する目標検出処理部と、
前記二値画像で検出された各々の目標に対し目標の形状及び空間的な位置の同一性を評価し、同一性が高いと判断した目標についての二値画像を出力するステレオマッチング処理部と、
を備えることを特徴とする赤外線目標検出装置。 - 前記周辺領域がクラッタ領域であるとの判定結果に対応する二値化閾値は、前記周辺領域がクリアスカイ領域である場合の二値化閾値と同じであることを特徴とする請求項1記載の赤外線目標検出装置。
- 前記ステレオマッチング処理部は予め目標の輝度形状を表したテンプレートを備え、
前記テンプレートと前記二値画像から得られる目標位置を中心とした、前記赤外線画像の輝度形状との比較により前記目標の形状の同一性を評価するテンプレートマッチング回路と、
赤外線目標検出装置を原点とした空間座標における目標の視線ベクトルを求める目標視線ベクトル生成回路と、
前記視線ベクトルにより前記目標の空間的な位置の同一性を評価するステレオ視マッチング回路と、
を備えることを特徴とする請求項1または2記載の赤外線目標検出装置。 - 前記同一の視野領域を撮像する複数台の赤外線撮像器からの赤外線画像を合成し、TVモニタへ表示画像として出力する画像合成部を備えることを特徴とする請求項1乃至3いずれか記載の赤外線目標検出装置。
- 前記ステレオマッチング処理部から前記目標視線ベクトルの目標視線ベクトル値を取得して相互に最近傍の位置関係にある位置をそれぞれ算出し、最近傍の位置関係にある位置間の中点を目標測距値として計測する目標測距部を備えることを特徴とする請求項3、4いずれか記載の赤外線目標検出装置。
- 前記表示画像に、前記目標測距値を含めた目標の特徴量を図形であるシンボルとして重畳するシンボル重畳部を備えることを特徴とする請求項4、5いずれか記載の赤外線目標検出装置。
- 赤外線目標を模擬するターゲット模擬装置を予め艦船の甲板などの慣性空間基準における既知の位置に設定し、前記ターゲット模擬装置からの模擬ターゲットを前記赤外線撮像器により撮像し、前記慣性空間基準と撮像画像基準における模擬ターゲットの観測位置の組合せより、前記各々の赤外線撮像器の慣性空間座標系における取付位置、姿勢角度を算出する赤外線撮像器パラメータ校正部を備え、
前記赤外線撮像器パラメータ校正部で求めた、各々の赤外線撮像器の慣性空間座標系における取付位置、姿勢角度を前記目標測距部へ更新後、目標測距することを特徴とする請求項6に記載の赤外線目標検出装置。
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