毫米波太赫兹成像质量提升方法及成像系统与流程

本发明涉及毫米波太赫兹遥感与探测技术领域，更具体地，涉及一种毫米波太赫兹成像质量提升方法及成像系统。

背景技术：

毫米波太赫兹成像系统通过接收物质自发或反射的毫米波太赫兹热辐射来实现对观测场景的遥感与探测，具有全天时工作、准全天候工作、隐蔽性好和无辐射危害等优点。因此，已被应用到大气遥感、海洋监测、土壤和植被遥感、人体安检、重点场所监视、军事探测等领域。

在毫米波太赫兹成像应用中，通常利用图像对比度对目标进行检测识别。在实际成像中，由于场景中很多物体表面对毫米波太赫兹波来说，不是完全粗糙的，可在其表面形成临近目标的倒影，尤其是地板、水泥地、水面等表面。这种倒影明显降低了图像质量，不仅给目标检测带来困难，而且影响图像视觉感受，对观察者产生干扰。在可见光和红外成像领域中，已有一些经典的和机器学习的倒影检测和去除方法被提出，取得较好效果。然而，由于物理原理上的差异，这些方法无法直接用于毫米波太赫兹成像应用中，具体地：不同频段的图像具有不同的成像原理、成像过程和图像特性，图像处理方法是基于这些原理、过程和特性的，因此，经过试验发现，可见光和红外成像领域的方法用于毫米波太赫兹图像上效果不足，尚无法解决问题。鉴于此，如何自动检测并消除毫米波太赫兹成像中的倒影，以提升图像质量，已是当前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种提升被测对象图像质量，从而提高目标检测能力和图像视觉感知度的毫米波太赫兹成像质量提升方法及成像系统。

根据本发明的一个方面，提供一种毫米波太赫兹成像质量提升方法，包括：

获得被测对象的毫米波太赫兹成像的水平极化图像和垂直极化图像；

将所述水平极化图像和垂直极化图像进行图像特征提取，转换得到联合特征图像；

对所联合特征图像进行检测处理，得到倒影区域图像；

将倒影区域像素替换为毫米波太赫兹成像的背景像素。

进一步的，所述将所述水平极化图像和垂直极化图像进行图像特征提取，转换得到联合特征图像的步骤包括：

获得水平极化图像和垂直极化图像的各像素的像素值；

对水平极化图像和垂直极化图像的像素值进行二值化处理；

通过下式获得联合特征图像的像素值

其中，j为像素索引，pr(j)为联合特征图像的第j个像素的像素值，f为水平极化图像和垂直极化图像的背景像素均值，h(j)为水平极化图像的第j个像素的像素值，v(j)为垂直极化图像的第j个像素的像素值，|*|为绝对值算符，br{*}为二值化算符。

进一步的，所述对所联合特征图像进行检测处理，得到倒影区域图像的步骤包括：

对联合特征图像进行超像素分割，获得多个超像素分割区域；

获得每一个超像素分割区域的显著度，从而获得显著度图像；

显著度图像进行二值分割，获得倒影区域图像。

进一步的，所述获得每一个超像素分割区域的显著度的步骤包括：

获得不同超像素分割区域之间的距离；

获得每个超像素分割区域的权值；

通过每个超像素分割区域的权值以及与其他超像素分割区域之间的距离根据下式获得每个超像素分割区域的显著度

其中，ri和rk分别为联合特征图像进行超像素分割的第i和k超像素分割区域，1≤i≤n，1≤k≤n，i和k均为自然数，n为超像素分割区域的总数，w(ri)为超像素分割区域ri的权值，dr(rk,ri)为超像素分割区域ri和超像素分割区域rk间的距离，s(rk)为超像素分割区域rk的显著度。

进一步的，所述获得不同超像素分割区域之间的距离的步骤包括：

将超像素分割区域中各像素的联合特征图像的像素值的均值作为所述超像素分割区域的像素值，获得每个超像素分割区域的像素值；

通过下式获得不同超像素分割区域之间的距离

dr(rk,ri)＝|prk-pri|，

其中，pri和prk分别为超像素分割区域ri和rk的像素值。

进一步的，所述获得每个超像素分割区域的权值的步骤包括：

获得每个超像素分割区域的像素个数；

通过下式获得每个超像素分割区域的权值

w(ri)＝n(ri)，

其中，n(ri)为超像素分割区域ri的像素个数。

根据本发明的另一个方面，提供一种毫米波太赫兹成像系统，包括聚焦透镜、极化天线、辐射计通道和数据采集处理装置，所述极化天线设置在所述聚焦透镜的焦面上，所述聚焦透镜将来自被测对象的毫米波太赫兹波聚焦在所述极化天线上，经由所述辐射计通道生成所述被测对象的毫米波太赫兹成像的水平极化图像和垂直极化图像；所述数据采集处理装置设置于所述极化天线的远离所述聚焦透镜的一侧，对水平极化图像和垂直极化图像进行图像特征提取和检测获得倒影区域图像，将倒影区域像素替换为毫米波太赫兹成像的背景像素，获取质量提升图像。

进一步的，所述极化天线和辐射计通道绕极化天线观测轴旋转，分时获得水平极化图像和垂直极化图像。

进一步的，所述极化天线和辐射计通道为可正交极化采集阵列，同时获得水平和垂直双极化图像。

进一步的，所述数据采集处理装置包含数据采集器、数据处理器和数据显示器，所述数据采集器采集所述被测对象的水平极化图像和垂直极化图像；所述数据处理器通过所述数据采集器采集的图像进行处理以获取质量提升图像；所述数据显示器显示所述质量提升图像。

上述毫米波太赫兹成像质量提升方法及成像系统获取被测对象的水平和垂直双极化图像，之后组合得到联合特征图像，然后检测得到倒影区域图像，最后将原始图像倒影区域像素替换为背景像素，得到图像质量提升后的图像。所述质量提升后的图像消除了倒影可能带来的检测困难和视觉干扰，提高了目标检测能力和图像视觉感知度。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中涉及的毫米波太赫兹成像质量提升方法的流程图；

图2为本发明的一个实施例中涉及的毫米波太赫兹成像系统的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中的原始水平极化图像；

图4为本发明的一个实施例中的原始垂直极化图像；

图5为本发明的一个实施例中的联合特征图像；

图6为本发明的一个实施例中的显著度图像；

图7为本发明的一个实施例中的倒影检测图像；

图8为本发明的一个实施例中的质量提升图像；

图中：1、被测对象；2、聚焦透镜；3、极化天线；4、辐射计通道；5、数据采集处理装置；51、数据采集器；52、数据处理器；53、数据显示器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

需要说明的是，本发明中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象数量或次序的限制。

在本发明的示例性实施例中，提供了一种毫米波太赫兹成像质量提升方法，能够消除了倒影可能带来的检测困难和视觉干扰，从而提高目标检测能力和图像视觉感知度。请参考图1，在该示例性实施例中所述一种毫米波太赫兹成像质量提升方法包括如下步骤：

步骤s1：获得被测对象的毫米波太赫兹成像的水平极化图像h和垂直极化图像v，原始图像的水平极化图像h和垂直极化图像v均可通过计算设备转换为二维矩阵形式，图像中的每一个像素代表二维矩阵中的一个数值，数值的大小代表该像素的像素值，毫米波太赫兹成像可采用毫米波太赫兹成像设备获取。

步骤s2：将所述水平极化图像和垂直极化图像进行图像特征提取，转换得到联合特征图像pr。

步骤s3：对所联合特征图像进行检测处理，得到倒影区域图像，可选用显著度分析方法或其他已知的算法(如k均值算法、高斯混合模型算法、均值漂移算法等)对图像pr进行检测处理。

步骤s4：将倒影区域像素替换为毫米波太赫兹成像背景像素，所述毫米波太赫兹成像的背景像素从水平极化图像h、垂直极化图像v或其他极化原始图像中选取。

在步骤s2中，包括：

获得水平极化图像和垂直极化图像的各像素的像素值；

对水平极化图像和垂直极化图像的像素值进行二值化处理；

通过下式获得联合特征图像的像素值

其中，j为像素索引，pr(j)为联合特征图像的第j个像素的像素值，f为水平极化图像和垂直极化图像的背景像素均值(直接在毫米波太赫兹成像的的背景区域任意截取设定区域，即为背景像素区域，取该设定区域所有像素值的均值)，h(j)为水平极化图像的第j个像素的像素值，v(j)为垂直极化图像的第j个像素的像素值，|*|为绝对值算符，br{*}为二值化算符。

在步骤s3中，包括：

对联合特征图像进行超像素分割，获得多个超像素分割区域；

获得每一个超像素分割区域的显著度，从而获得显著度图像；

显著度图像进行二值分割，获得倒影区域图像。

优选地，所述获得每一个超像素分割区域的显著度的步骤包括：

获得不同超像素分割区域之间的距离；

获得每个超像素分割区域的权值；

通过每个超像素分割区域的权值以及与其他超像素分割区域之间的距离根据下式获得每个超像素分割区域的显著度

其中，ri和rk分别为联合特征图像进行超像素分割的第i和k超像素分割区域，1≤i≤n，1≤k≤n，i和k均为自然数，n为超像素分割区域的总数，w(ri)为超像素分割区域ri的权值，dr(rk,ri)为超像素分割区域ri和超像素分割区域rk间的距离，s(rk)为超像素分割区域rk的显著度。

进一步，优选地，所述获得不同超像素分割区域之间的距离的步骤包括：

将超像素分割区域中各像素的联合特征图像的像素值的均值作为所述超像素分割区域的像素值，获得每个超像素分割区域的像素值；

通过下式获得不同超像素分割区域之间的距离

dr(rk,ri)＝|prk-pri|，

其中，pri和prk分别为超像素分割区域ri和rk的像素值。

此外，优选地，所述获得每个超像素分割区域的权值的步骤包括：

获得每个超像素分割区域的像素个数；

通过下式获得每个超像素分割区域的权值

其中，n(ri)为超像素分割区域ri的像素个数，min[n(ri)]为所有超像素分割区域像素个数的最小值，max[n(ri)]为所有超像素分割区域像素个数的最大值。

进一步，优选地，通过下式获得每个超像素分割区域的权值

w(ri)＝n(ri)，

其中，n(ri)为超像素分割区域ri的像素个数，简化了权值的获取方法，提高了计算速度，并没有降低准确度。

另外，在本发明的示例性实施例中，还提供了一种毫米波太赫兹双极化成像系统，以执行上述毫米波太赫兹成像质量提升方法，消除了倒影可能带来的检测困难和视觉干扰，提高了目标检测能力和图像视觉感知度。请参考图2，在该示例性实施例中所述毫米波太赫兹双极化成像系统包括聚焦透镜2、极化天线3、辐射计通道4、数据采集处理装置5，所述极化天线3设置在所述聚焦透镜2的焦面上，所述聚焦透镜2将来自被测对象的毫米波太赫兹波聚焦在所述极化天线3上，经由所述辐射计通道4生成所述被测对象的水平极化图像和垂直极化图像；所述数据采集处理装置5设置于所述极化天线的远离所述聚焦透镜2的一侧，对水平极化图像和垂直极化图像进行图像特征提取和检测获得倒影区域图像，将原始图像的倒影区域像素替换为原始背景像素，获取质量提升图像。

优选地，所述极化天线和辐射计通道绕极化天线观测轴旋转，分时获得水平极化图像和垂直极化图像。

此外，优选地，所述极化天线和辐射计通道为可正交极化采集阵列，同时获得水平和垂直双极化图像。

在一个实施例中，所述数据采集处理装置5包含数据采集器51、数据处理器52和数据显示器53，所述数据采集器51采集所述被测对象的水平极化图像和垂直极化图像；所述数据处理器52通过所述数据采集器采集的图像进行处理以获取质量提升图像；所述数据显示器53显示所述质量提升图像。

在一个具体实施例中，如图3-8所示，以典型室内对两个人的监视成像为例对上述的毫米波太赫兹成像质量提升方法及毫米波太赫兹双极化成像系统进行示例性说明，该毫米波太赫兹成像中，人体在地面上形成明显的倒影，通过上述的成像方法，将图像中地面人体倒影进行去除，提高了图像质量。

首先，利用上述毫米波太赫兹多极化成像系统获取水平极化和垂直极化双极化图像。本实施例中，生成的双极化图像，如图3和图4所示，图3水平极化图像h，图4位垂直极化图像v。可见，图像h中有明显倒影，图像v中尽管无明显倒影，但人体区域的图像分布特征与图像h有较大差异，实际应用中若直接用v图像替代h图像，会损失很多信息。因此，有必要去除图像h中的倒影，以保留足够多的物理信息。

然后，通过下式将所述图像h和v转换得到联合特征图像pr：

其中，j为像素索引，pr(i)为联合特征图像的第j个像素的像素值，f为水平极化图像和垂直极化图像的背景像素均值，h(j)为水平极化图像的第j个像素的像素值，v(j)为垂直极化图像的第j个像素的像素值，|*|为绝对值算符，br{*}为二值化算符。

此步骤中的转换通过计算设备实现，在处理时，将h和v极化图像分别以矩阵形式代入该公式中进行计算便可获得图像pr，如图5所示。同理，后续的计算过程也是以矩阵形式的图片进行的。

之后，利用检测算法对上述图像pr进行检测处理，得到倒影区域图像。此处选用显著度分析方法，首先对图像pr进行超像素分割，得到n个超像素分割区域，进而计算显著度s：

其中，ri和rk分别为pr图像进行超像素分割的第i和k区域，1≤i≤n，1≤k≤n，i和k均为自然数，w(ri)为区域ri的权值，dr(rk,ri)为区域ri和rk间的距离，权值函数w和距离函数dr为：

w(ri)＝n(ri)，

dr(rk,ri)＝|prk-pri|，

其中，n(ri)为区域ri的像素个数。pri和prk分别为区域ri和rk内像素对应pr值的均值。上述计算可获得显著度图像s，如图6所示，每个超像素区域对应一个显著度数值。进一步利用二值分割算法对显著度图像进行二值分割，此处选用传统的大津法，检测得到倒影区域图像，如图7所示。

最后根据倒影区域像素信息，将原始图像h中的倒影区域像素替换为原始背景像素，此处原始背景像素直接从图像v中选取相应像素进行替换，得到质量提升的最终图像，如图8所示。当然此处的原始背景像素也可从其他极化原始图像中选取。至此，完成本次双极化成像及图像质量提升的全部工作，最终的图像已完成对人体倒影的去除，消除了倒影可能带来的检测困难和视觉干扰，有效提高了目标检测能力和图像视觉感知度。

图像倒影去除对于毫米波太赫兹成像应用具有重要意义。本发明提供的毫米波太赫兹成像质量提升方法及双极化成像系统，通过利用该双极化成像系统获取双极化图像，获得了场景更多信息，充分利用双极化信息，突破了传统单一极化图像难以去除倒影的局限性，有效地消除了倒影可能带来的检测困难和视觉干扰，处理算法简单有效，具有很好的鲁棒性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。