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为了解决复杂环境下红外人体目标分割应用中当前脉冲耦合神经网络(PCNN)方法常出现的噪声适应性差、目标边缘细节模糊等问题,提出了改进的PCNN方法。根据红外噪声特点,利用加权均值滤波和各向异性高斯滤波设计了模型反馈输入域的权值矩阵;采用改进的拉普拉斯分量绝对和表示PCNN的连接强度参数,从而实现了该参数的自适应设置;用点火区域平均灰度值构建动态阈值的方法,实现了PCNN模型的迭代控制。对IEEE OTCBVS和自拍数据库中的250余幅红外人体图像进行对比实验,结果表明,提出的方法能够有效抑制红外噪声,分割出带有较多边缘细节的人体目标,与其他PCNN分割方法相比,该方法还具有较优的平均概率兰德指数和较低的平均全局一致性误差。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
ACTAOPTICASINICA
Februar
y
复杂环境下用于人体目标红外图像分割的
改进
PCNN
方法
贺 付 亮
,
,
郭 永 彩
,
高
潮
重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室
重庆
西南大学电子信息工程学院
重庆
摘要
为了解决复杂环境下红外人体 目标 分 割应 用中 当 前脉 冲耦 合 神经 网络
方 法常 出现 的 噪 声适 应 性
差
目标边缘细节模糊等问题
提出了改进的
方法
根据红外噪声特点
利用加权均值滤波和各向异性 高斯
滤波设计了模型反馈输入域的权值矩阵
采用改进的拉普 拉斯 分量绝 对和 表示
的连 接强 度参 数
从 而实 现
了该参数的自适应设置
用点火区域 平 均灰 度值 构 建动 态阈 值 的方 法
实 现 了
模 型 的迭 代 控 制
对
和自拍数据库中的
余幅红外人体图像进行对比实验
结果表明
提出的方法能够有效抑制红 外噪 声
分割出带有较多边缘细节的人体目标
与其他
分割方法 相比
该方 法还 具有较 优的 平均概 率 兰德 指数 和 较
低的平均全局一致性误差
关键词
机器视觉
红外图像分割
脉冲耦合神经网络
各向异性
拉普拉斯分量绝对和
噪声抑制
中图分类号
文献标识码
doi
.
AOS.
Im
p
rovedPCNN MethodforHumanTar
g
etInfraredIma
g
e
Se
g
mentationUnderCom
p
lexEnvironments
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes敭 敭 敭
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
教育部博士点基金
中央高校基本业务费专项资金
作者简介
贺付亮
男
博士研究生
讲师
主要从事计算机视觉
光电技术及智能化仪器方面的研究
导师简介
郭永彩
女
博士
教授
博士 生 导师
主 要从 事 光 电技 术 及 智 能化 仪 器
数 字 信号 处 理 方 面的 研 究
光
学
学
报
引
言
红外成像因其夜间可视
全天候工作和可探测隐蔽热目标等特点
被广泛应用于安全保卫
反恐打击
汽
车辅助驾驶等监控领域
由此产生的红外人体目标检测技术
已经成为机 器视觉发展 的研究热点 之一
但是
在现实应用中
红外人体目标的分割与识别仍面临困难
红外热像相对于可见光图像
自身干扰噪声
多
对比度低
无颜色信息
视觉效果差
监控中 的 人体目标 往 往掩映在 复 杂的背景 中
易被隐藏 和 遮挡
这些情况对目标的精确分割造成了严重的影响
当前针对红外人体目标的分割算 法很多
经典分割方 法
如最大类间 方差法
最大期望 法
等
在目标与背景灰度分布差异较大时
即拥有双峰灰度直方图分布时
具有较好的分割效果
但这些方法
应用于目标和背景灰度特征混叠的复杂环境图像时
常常出现过分割 或欠分割现 象
脉冲耦合神 经网络
因其在复杂环境下对人体目标的分割效果显著而独树一帜
但同时
该方法也存在着模型结构
复杂
分割效果依赖人为经验设置的多个参数等方面的不足
因此
许多学者针对模型简化和参数自适应的
方法开展了一系列卓 有成效的 工 作
等
等
严春满等
先后利用 图 像 完 美 分 割 假
设和区域生长机制
在模型连接强度
β
参数上提出 了自适应选 择的方法
等
则分析了动 态 阈值
E
的
调节原则
等
以各类信息熵为评价
从分割效果的角度探讨了模型迭代停止的条件
以上这些方法
都只是就模型的一部分参数自适应提供了标准
在红外图像分割应用时
还需要人工实验确定其他参数
为
使
模型在图像分割领域实现所有参 数的自动设 置
文献
引入了遗 传
粒子群
果蝇等群 智 能
算法寻求模型多参数的同步 寻 优
但是这类 方 法 在 训 练 上 需 要 花 费 大 量 时 间
实 时 性 不 理 想
另 外
等
就模型捕捉行为的本质提出了综合参数的设置方法
但需要
预先分割阈值
这并不适用于复杂背
景下红外目标的分割
周东国等
等
进一步研究提出了分层阈值的
简化模型
在红外目标
分割上得到了较好的效果
但存在连接强度
β
需要迭代寻优设置和分割结果边缘模糊等局限
本文从分析现实环境中 红 外 人 体 目 标 的 特 点 出 发
提 出 了 针 对 红 外 噪 声 抑 制 和 目 标 边 缘 增 强 的 改 进
模型
并讨论了利用红外图像自身信息实现模型 全部参数自 适应选择的 方法
使得
模型能够
在复杂背景的红外目标分割应用中获得较好的效果
现实环境中红外人体目标特点
红外成像与可见光成像的机理不同
是将红外探测器接收到的场景红外热辐射
包括目标
背景等热源
映射为图像灰度值的过程
其主要接收波长为
和
的两个大气 窗口的红外 光
图像的产
生由场景的温度差和发射率差决定
图像空间信息实质为场景的二维温度场分布
因此
场景中辐射强度越
大的对象
其反映在图像中的灰度值就越高
在红外成像条件下
典型复杂环境人体 目标图像如 图
所示
其特点为
人体目标的温度相对恒定在
左右
在图像中常常表现为灰度值相对较高的区域
但人体
的非刚体特性使其区域表达不固定
红外成像的动态范围小
背景温度与人体温度 差异不显著
整体红外
图像对比度小
图像存在目标与背景之间
多个人体目标之间热辐射信息的相互遮 掩和重叠
其灰度直方
图不能呈现出双峰特性
有时甚至为单峰特性
因此造成了
这类常用的图像分割方法不能获得良好的
效果
红外辐射的温度场是一个渐变过程
使得红外图像不会有像可见光图像一样的目标边缘灰度显著跳
变
并造成待分割目标的轮廓模糊
红外图像无色彩信息描述
除此之外
红外图像因受探测器的固有性能等因素影响
还存在着大量的椒盐噪 声和高斯噪 声
较低的
信噪比为复杂环境下红外人体目标的精确分割带来了较大的影响
模型改进及参数选取
起源于
年
等学者提出的哺乳动物神经元模型
该模型作为一种第三代人工 神经
网络
具有无需训练
可直接实现相同性质神经元同步捕捉的良好特性
因而 被广泛应用
依靠复杂环 境下
人体目标在红外图像中呈现出的特点
对传统
图像分割模 型进行改进
保留其在图 像分割过程 中
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