第五章+目标自动识别4介绍

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1、ATR: Automatic Target Recognition
什么是目标自动识别技术?
自然场景和复杂背景条件下的自动目标识别(ATR) 是研究利用各种传感器(声、光、电、磁等),特别 是成像传感器,如可见光、红外线、合成孔径雷达、 逆合成孔径雷达、激光雷达、多谱或超普传感器等, 从客观世界中获取目标/背景信号,并使用光/电子及 计算机信息处理手段自动地分析场景,自动地检测、 识别感兴趣的目标及获取目标各种定性、定量性质的 科学技术领域。


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变换特征

离散Fourier变换特征 离散余弦变换特征 Gabor特征 小波变换特征
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(5)、纹理特征分析


一个实际场景的图像中,各类型区域通常有自 己的灰度分布特征,许多图像在较大的区域内 灰度分布在宏观上呈现周期性或结构性,如砖 墙、布匹、编织物、草地、森林、海洋以及一 堆硬币等。 这种灰度分布宏观上非严格意义下的规律成为 图像纹理。
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为了设计出效果好的分类器,通常需要对原始 的测量值集合进行分析,经过选择或变换处理, 组成有效的识别特征; 在保证一定分类精度的前提下,减少特征维数, 即进行‚降维‛处理,使分类器实现快速、准 确和高效的分类。 为达到上述目的,关键是所提供的识别特征应 具有很好的‚可分性‛,使分类器容易判别。 为此,需对特征进行选择。
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基于目标灰度分布的区域矩

对于定义在o-xy平面上的二维函数f(x,y),它的p+q阶混合原 点矩定义为
Hale Waihona Puke Baidu
m pq






x p x q f ( x, y )dxdy
而其p+q阶混合中心矩定义为
pq





( x x ) p ( y y ) q f ( x, y )dxdy
特征 提取 特征 描述 训练 样本
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有效的特征与特征描述举例:

统计特征(统计直方图、方差、均值、熵 ) 几何特征(包括面积、周长、位置、方向、距离 ) 边界特征(链码、傅立叶描述子) 形状描述(区域描述、图像矩 ) 灰度与颜色描述(梯度特征 、灰度直方图特征、梯度方向 直方图、特征直方图、颜色直方图和颜色直方图距离、颜 色不变量特征 ) 角点特征(Harris、Susan、Fast、Brisk) 变换特征(傅里叶、小波) 纹理特征(灰度共生矩阵 、LBP特征,结构相似性特征, Gabor特征) 局部不变特征描述子( SIFT、SURF、 GLOH、WLD、 19 D-nets) …
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目标表示方案
ATR算法中最常用的目标表示方案包括统计表示、 句法表示、关系表示、投影几何表示、基于传感器物 理模型的表示。

统计模型使用了许多特征来表示目标,这些特征包括 抽象图像特征(如强度矩或边缘成分)和几何结构特 征(如长宽比、形态矩)。
句法模型则通过句法来表示目标,目标的各个部分被 表示成属性树,属性树就描述了目标的特征。例如坦 克有炮塔、履带、炮管和引擎。
( x , y ) 是图像的灰度质心
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区域几何特性
(1)区域面积 (2)区域周长 (3)形状简单度 (4)扁度 (5)凹度
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(4)、变换特征

通过输入样本的线性变换来实现特征生成。变换的 最基本概念是把给定的测量集变换为新的特征集。 如果变换方法选择合适,那么变换的特征与原始输 入样本相比具有很高的信息压缩性能。 如Fourier变换,由于像素间的相关性,大部分能 量位于低频部分,把低频能量的Fourier系数作为 特征是合理的选择。
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目标识别中学习方法的分类:
有监督学习方法:假设有一个可用的训练数据集,并通 过挖掘先验已知信息来设计分类器,成为有监督学习 方法。 无监督学习方法:没有已知类别标签的训练数据可用, 给定一组特征向量来揭示潜在的相似性,并将相似的 特征向量进行聚类,称为无监督学习方法。 半监督学习方法:利用少量带有已知类别标签的数据和 大量无标签的数据,找到规律,完成聚类任务。将标 记过的数据作为约束条件,为聚类算法提供所需的先 验知识。聚类任务就是在同一聚集里强制分配某些点 或排除被分配在同一聚集里的某些点。


目标分类与识别的内涵 目标分类与识别面临的困难和挑战
视点变化 光照改变 遮挡存在 尺度改变 姿态变形 背景混叠 类内变化明显


目标分类与识别设计的关键问题
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5.4.3 分类与识别涉及的关键问题


根据研究对象的特征或属性,运用一定的分析 算法认定它的类别,使分类尽可能符合事实。 目标的分类涉及到以下问题:
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关系模型考虑目标中各个部分及其相互关系确定的规 则,如各部分之间的方位、大致距离等。 投影几何模型包括三维线框模型或小面化模型表示中 目标各部分之间的明确关系。 传感器物理模型利用了有关目标环境和传感域中现象 的信息,以获得目标各部分期望观察的概率表示。


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5.4 目标分类与识别的基本原理
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3、自动目标识别的性能度量



目标识别水平的层次系统:目标检测、目标分类、目标识别、 目标确认和目标描述。 目标检测是从传感器数据中发现潜在目标的过程。 目标分类是区分目标类别的过程。例如:区分战舰和商船,履 式车和轮式车、飞机和坦克等; 目标识别是在更高水平上区分同属某一类的不同物体。 例如:对同属车辆目标的卡车、坦克和装甲车的区分能力,对同 属舰船目标的航空母舰和驱逐舰的区分能力,对同是飞机目标 的战斗机和轰炸机的区分能力; 确认和描述属于ATR目标辨别性能的较高层次。 确认就是在整个目标类中将特定目标模型从其它相似类型中区 分出来的过程。例如:区分几种战斗机F17、F22、歼8、歼10 等。 目标特性描述就是对某特定目标已描述的物理特性进行明确区 分的过程。
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特征提取需要考虑的问题:

可体现类别特点的特征 特征对物体形变的稳定性
特征对光照变化的稳定性
特征抗噪声的能力 特征的复杂程度 特征是否易于描述
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特征提取:对研究对象固有的、本质的重要特 征或者属性进行检测提取。

特征描述:将提取的特征进行量化,形成可度 量的特征矢量、符号串、关系图,得到训练/ 待识别的样本。
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5.3 目标的建模与表达
典型目标类型
取决于成像条件约束和目标内在性质,依据目标图像形态把 目标分为以下四种类型:

点源和斑状目标
超远距离成像条件下,目标图像为亚像素或少像素,无 形状信息,称之为点源或斑状目标,例如恒星、卫星、流星 等;

线状和条带状目标
远距离成像条件下目标图像为延展性的互相连接的直线 段、曲线或条带,其宽度为单个像素或少像素,与其长度不 成比例。可以想象为点源或斑状目标按某种运动规律在二维 或三维空间勾画出的轨迹。例如:桥梁、道路、运动的点源 或斑点目标的投影轨迹等。 9



目标识别算法源于统计模式识别,统计决策和估计理论是这类 算法的基础。 目标特征和参考目标模式特征的获取过程会引入噪声和不确定 因素,因此需要将统计方法和决策理论应用到目标识别算法中 即统计分类器。 识别问题的内涵 成像自动目标识别本质是一个逆问题求解,即从客观场景 的表象-图像或图像序列逆向推导客观场景的某些本质信息的反 演问题。它可以分为四个层次:①检测-仅仅给出潜在的待识别 目标,但还没有确认,还存在虚警的可能;②识别-确认了目标 所属类型;③定量信息的提取-目标的位置、运动特性、目标的 结构等;④理解-目标行为及场景语义的解释等。
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边界特征的特点
优点: 抗光照变化、颜色变化 运算速度快 适用于边界特征明显的物体识别 缺点: 易受背景影响 很难适应物体形变 特征描述较复杂
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(3)、区域特征
区域分割
颜色直方图 梯度直方图 欧拉数 面积等
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基于目标灰度分布的区域矩


利用目标区域的灰度分布构造各阶矩来描述目 标的灰度分布特性 各阶矩构造的一些函数式具有平移、旋转、尺 度和缩放不变性,由此可以得到反映目标内在 属性的一些仿射不变特征。由于充分利用了目 标区域内部的大量信息,所以更全面反映目标 本源特征。
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2、自动目标识别系统的功能与应用



自动目标识别系统(ATR)是一种非常复杂的新型系统,融合 了多种技术和子系统,具有部分或全部实现战场上对目标进行 搜索、检测、识别、确认、精确定位和使敌军武器部件失效等 过程的自动化潜能。 在此类系统的发展中,有许多名称广泛地用于描述其预期功能 和单元,例如:自动目标选择、自动目标确认、自动目标相关 器、自动目标寻的器等。 国防部ATR技术工作组定义ATR的功能: 为了实时或近实时地启动行动,或为外部系统操作员提供 行动的选择方案等目的,由一个或多个传感器收集目标的图像 数据,然后应用信号处理算法和软件、图像或信号处理硬件对 目标图像进行分类、识别、确认、解释和显示。
图像探测、跟踪与识别技术
主讲人:赵丹培
宇航学院图像处理中心 zhaodanpei@buaa.edu.cn 电话:82339972
2010年11月22日
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第五章

成像自动目标识别技术
学习目的
自然场景和复杂条件下的自动目标识别是光电子、 智能控制、地球与空间科学、人工智能、模式识别、 计算机视觉、脑科学等多学科十分关注的交叉学科前 沿,通过对识别算法的学习,了解一个ATR系统的基 本工作原理和识别过程,从而能够设计并实现一个简 单的成像目标自动识别系统。
特征提取
特征选择
分类器设计
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一个分类系统的设计过程:
特征提 取
特征选 择
学习和 训练
分类识 别
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1、特征提取


什么是特征? 在目标识别中,特征提取是使用有效的数学工具 减少目标模式表达的维数,这种低维表达,必须具有 区别不同目标模式类别的特质,称之为特征。 模式的维数并非越大越好,存在一个最优维数使错误 识别率最小,通过提取特征减少模式维数可达到提高 正确识别率的目的。 特征提取的目的: 识别分类器的复杂性和硬件实现的复杂性随着 模式空间的维数快速增长,因此特征提取能够降低信 息传输通道的容量。
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典型的纹理分析方法:

灰度共现矩阵法
对于方向性纹理的区域,取不同方向,灰度共现矩阵不同; 对于纹理粗细不同,取不同的距离,灰度共现矩阵就不同。

等灰度行程长度法
等灰度行程长度定义为在某个方向上、相邻的具有相同灰 度或某个灰度范围的像素个数。显然粗细纹理区域中长行程情 况出现较多,细纹理区域中短行程出现较多,由此可以用一个 矩阵表示在某个给定方向上各种行程出现的情况。

面状目标
二维平面目标,或其第三维与其它二维相比不成比例的三维 目标,在一定条件下,可将其近似为二维目标,例如机场跑 道、机场、高空俯瞰地面的目标。

三维立体目标
在较近距离成像且可能从多个不同视点观测,立体目标的三 维信息均能平衡充分地反映在其二维图像或图像序列中。这 些目标从不同的视点观察一般呈现不同的视图,由于这些视 图是三维物体在不同视点平面上的投影,表现差异极大,从 而能综合反应物体的三维特性。例如,天空中的飞机、海面 的舰船、建筑物。




⑵、边界特征
边界特征适用于识别外形轮廓有明显差别的两类 物体。
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边界特征提取方法: 边界提取方法:Sobel, Canny,LoG….. 分割方法:Graph-Cuts…. 边界特征描述 曲线拟合、Hough变换、Freeman链码

提取边界
剔除噪声及背 景干扰
描述边界, 形成特征向量

学习的重点
自动目标识别的基本过程; 特征提取与分类器的设计; 几种典型的目标识别算法 。

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本章的主要内容
5.1 自动目标识别技术概述 5.2 成像目标识别的基本过程 5.3 目标的建模与表达 5.4 目标分类与识别的基本原理 5.5 几种典型的目标识别算法
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5.1 自动目标识别技术概述

统计模型法提取纹理特征
统计模型基本思想是用一个统计数学模型描述一致性纹理 区域。用于描述的模型主要有三种:单层马尔科夫随机场,双 层高斯马尔可夫随机场,金字塔随机场序列。
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2、 特征选择与提取
根据应用需求选择合适的特征,不同应用对特征的需求 不同。


特征选择的基本任务是研究如何从众多特征中求出 那些对识别最有效的特征,从而实现特征空间维数 的压缩。 从模式样本的量测值中提取与选择最能反映类别属 性的特征,主要方法包括: 最小误判概率准则、Fisher准则、判决边界、离 散K-L变换等。
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