兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 1041-1049.doi: 10.12382/bgxb.2021.0767
马鹏阁1,*(), 魏宏光1, 孙俊灵1, 陶然2, 庞栋栋2, 单涛2, 蔡志勇3, 刘兆瑜1
收稿日期:
2021-11-12
上线日期:
2023-04-28
通讯作者:
基金资助:
MA Pengge1,*(), WEI Hongguang1, SUN Junling1, TAO Ran2, PANG Dongdong2, SHAN Tao2, CAI Zhiyong3, LIU Zhaoyu1
Received:
2021-11-12
Online:
2023-04-28
摘要:
针对单帧图像红外小目标检测算法在低空复杂背景下虚警率高的问题,提出一种基于高斯-拉普拉斯(LOG)滤波的增强局部对比度算法来检测低空复杂背景下的红外小目标。通过LOG滤波运算快速提取候选目标像素,同时通过像素灰度指数运算增强目标。根据局部区域目标与背景的灰度特征计算目标显著图,通过自适应阈值分割提取目标。针对不同的低空复杂场景,构建了测试数据集,从信噪比增益、背景抑制因子、检测率、虚警率及算法计算效率方面将所提算法与Top-Hat算法、Max-median算法、RLCM算法、IPI算法及MPCM算法进行对比分析。实验结果表明,在不同场景中,所提算法相较于对比算法不仅具有较高的信噪比增益和背景抑制因子,而且具有较高的检测率、较低的虚警率和较高计算效率,验证了该算法的有效性和鲁棒性。
马鹏阁, 魏宏光, 孙俊灵, 陶然, 庞栋栋, 单涛, 蔡志勇, 刘兆瑜. 基于高斯-拉普拉斯滤波的增强局部对比度红外小目标检测算法[J]. 兵工学报, 2023, 44(4): 1041-1049.
MA Pengge, WEI Hongguang, SUN Junling, TAO Ran, PANG Dongdong, SHAN Tao, CAI Zhiyong, LIU Zhaoyu. A LOG Filter Based Enhanced Local Contrast Algorithm to Detect Infrared Small Targets[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(4): 1041-1049.
组编号 | 帧数 | 图像分辨 率/像素 | 背景描述 | 目标 |
---|---|---|---|---|
Group 1 | 57 | 281×209 | 较弱云杂波多目标场景 | 无人机 |
Group 2 | 97 | 281×209 | 较强云杂波空天场景 | 无人机 |
Group 3 | 125 | 281×209 | 目标淹没在较强云杂波 空天场景 | 无人机 |
Group 4 | 86 | 281×209 | 背景复杂的低空场景 | 无人机 |
Group 5 | 67 | 281×209 | 较强杂波低空场景 | 无人机 |
Group 6 | 147 | 640×512 | 田地少建筑物低空场景 | 直升机 |
Group 7 | 86 | 640×512 | 多建筑物低空场景 | 直升机 |
表1 红外图像数据集详细说明
Table 1 Infrared image datasets
组编号 | 帧数 | 图像分辨 率/像素 | 背景描述 | 目标 |
---|---|---|---|---|
Group 1 | 57 | 281×209 | 较弱云杂波多目标场景 | 无人机 |
Group 2 | 97 | 281×209 | 较强云杂波空天场景 | 无人机 |
Group 3 | 125 | 281×209 | 目标淹没在较强云杂波 空天场景 | 无人机 |
Group 4 | 86 | 281×209 | 背景复杂的低空场景 | 无人机 |
Group 5 | 67 | 281×209 | 较强杂波低空场景 | 无人机 |
Group 6 | 147 | 640×512 | 田地少建筑物低空场景 | 直升机 |
Group 7 | 86 | 640×512 | 多建筑物低空场景 | 直升机 |
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group 6 | Group 7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 90.82 | 97.94 | 89.61 | 77.78 | 59.65 | 82.99 | 83.72 |
Max-median算法[ | 94.89 | 96.53 | 73.63 | 91.86 | 84.21 | 76.87 | 73.25 |
RLCM算法[ | 87.76 | 96.91 | 89.92 | 90.81 | 87.72 | 92.52 | 91.86 |
IPI算法[ | 94.92 | 98.97 | 96.82 | 95.41 | 91.23 | 80.27 | 67.44 |
MPCM算法[ | 93.88 | 96.91 | 88.82 | 91.52 | 86.67 | 72.11 | 63.95 |
本文算法 | 96.47 | 100.00 | 93.19 | 98.63 | 95.87 | 95.59 | 98.92 |
表4 7个真实低空复杂场景数据集的平均检测率
Table 4 Average detection rates for datasets of seven real low-altitude complex scenarios%
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group 6 | Group 7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 90.82 | 97.94 | 89.61 | 77.78 | 59.65 | 82.99 | 83.72 |
Max-median算法[ | 94.89 | 96.53 | 73.63 | 91.86 | 84.21 | 76.87 | 73.25 |
RLCM算法[ | 87.76 | 96.91 | 89.92 | 90.81 | 87.72 | 92.52 | 91.86 |
IPI算法[ | 94.92 | 98.97 | 96.82 | 95.41 | 91.23 | 80.27 | 67.44 |
MPCM算法[ | 93.88 | 96.91 | 88.82 | 91.52 | 86.67 | 72.11 | 63.95 |
本文算法 | 96.47 | 100.00 | 93.19 | 98.63 | 95.87 | 95.59 | 98.92 |
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group 6 | Group 7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 14.29 | 4.12 | 12.82 | 22.22 | 24.56 | - | - |
Max-median算法[ | 12.24 | 5.16 | 41.61 | 10.47 | 28.07 | - | - |
RLCM算法[ | 16.32 | 3.09 | 12.42 | 10.35 | 15.79 | 21.09 | 18.61 |
IPI算法[ | 7.42 | 2.06 | 8.16 | 9.19 | 12.28 | - | - |
MPCM算法[ | 6.22 | 7.23 | 16.80 | 10.65 | 15.35 | - | - |
本文算法 | 5.24 | 1.58 | 8.43 | 4.86 | 7.39 | 10.69 | 6.68 |
表5 7个真实低空复杂场景数据集的平均虚警率
Table 5 Average false alarm rates for datasets of seven real low-altitude complex scenarios%
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group 6 | Group 7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 14.29 | 4.12 | 12.82 | 22.22 | 24.56 | - | - |
Max-median算法[ | 12.24 | 5.16 | 41.61 | 10.47 | 28.07 | - | - |
RLCM算法[ | 16.32 | 3.09 | 12.42 | 10.35 | 15.79 | 21.09 | 18.61 |
IPI算法[ | 7.42 | 2.06 | 8.16 | 9.19 | 12.28 | - | - |
MPCM算法[ | 6.22 | 7.23 | 16.80 | 10.65 | 15.35 | - | - |
本文算法 | 5.24 | 1.58 | 8.43 | 4.86 | 7.39 | 10.69 | 6.68 |
算法 | Top-Hat算法[ | Max-median算法[ | RLCM算法[ | IPI算法[ | MPCM算法[ | 本文算法 |
---|---|---|---|---|---|---|
耗时/s | 0.451 | 0.885 | 3.394 | 5.037 | 0.062 | 0.403 |
表6 不同算法下单帧红外图像的平均计算效率(Group 1)
Table 6 Average computational efficiency for single-frame infrared images using different algorithms (Group 1)
算法 | Top-Hat算法[ | Max-median算法[ | RLCM算法[ | IPI算法[ | MPCM算法[ | 本文算法 |
---|---|---|---|---|---|---|
耗时/s | 0.451 | 0.885 | 3.394 | 5.037 | 0.062 | 0.403 |
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group6 | Group7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 11.512 | 23.196 | 24.824 | 14.657 | 18.732 | 23.856 | 27.443 |
Max-median算法[ | 1.943 | 16.355 | -11.169 | -14.356 | -10.8 | -10.758 | -13.615 |
RLCM算法[ | 4.79 | 15.974 | 27.798 | 25.622 | 20.993 | 33.275 | 34.825 |
IPI算法[ | 13.384 | 25.327 | 26.785 | 29.195 | 26.125 | 17.502 | 12.899 |
MPCM算法[ | 12.067 | 21.779 | 19.507 | -4.414 | -4.597 | 39.202 | 40.082 |
本文算法 | 16.576 | 28.572 | 36.358 | 35.767 | 32.811 | 47.938 | 47.759 |
表7 7个真实低空复杂场景数据集的平均SNRG值
Table 7 Average SNRG values for datasets of seven real low-altitude complex scenariosdB
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group6 | Group7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 11.512 | 23.196 | 24.824 | 14.657 | 18.732 | 23.856 | 27.443 |
Max-median算法[ | 1.943 | 16.355 | -11.169 | -14.356 | -10.8 | -10.758 | -13.615 |
RLCM算法[ | 4.79 | 15.974 | 27.798 | 25.622 | 20.993 | 33.275 | 34.825 |
IPI算法[ | 13.384 | 25.327 | 26.785 | 29.195 | 26.125 | 17.502 | 12.899 |
MPCM算法[ | 12.067 | 21.779 | 19.507 | -4.414 | -4.597 | 39.202 | 40.082 |
本文算法 | 16.576 | 28.572 | 36.358 | 35.767 | 32.811 | 47.938 | 47.759 |
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group6 | Group7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 6.054 | 19.506 | 14.709 | 4.17 | 7.948 | 10.158 | 18.225 |
Max-median算法[ | 3.428 | 11.883 | 6.714 | 1.630 | 3.202 | 4.959 | 6.961 |
RLCM算法[ | 2.613 | 8.266 | 18.225 | 15.077 | 10.182 | 25.734 | 32.311 |
IPI算法[ | 7.851 | 25.589 | 23.289 | 42.505 | 19.177 | 11.083 | 20.096 |
MPCM算法[ | 7.583 | 24.603 | 18.243 | 3.116 | 6.605 | 58.348 | 68.517 |
本文算法 | 12.545 | 41.988 | 48.898 | 48.205 | 40.852 | 136.145 | 142.425 |
表8 7个真实低空复杂场景数据集的平均BSF值
Table 8 Average BSF values for datasets of seven real low-altitude complex scenariosdB
算法 | Group 1 | Group 2 | Group 3 | Group 4 | Group 5 | Group6 | Group7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Top-Hat算法[ | 6.054 | 19.506 | 14.709 | 4.17 | 7.948 | 10.158 | 18.225 |
Max-median算法[ | 3.428 | 11.883 | 6.714 | 1.630 | 3.202 | 4.959 | 6.961 |
RLCM算法[ | 2.613 | 8.266 | 18.225 | 15.077 | 10.182 | 25.734 | 32.311 |
IPI算法[ | 7.851 | 25.589 | 23.289 | 42.505 | 19.177 | 11.083 | 20.096 |
MPCM算法[ | 7.583 | 24.603 | 18.243 | 3.116 | 6.605 | 58.348 | 68.517 |
本文算法 | 12.545 | 41.988 | 48.898 | 48.205 | 40.852 | 136.145 | 142.425 |
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