基于波門檢測的快速圖像插值處理方法
2023-05-04 09:26:51
基于波門檢測的快速圖像插值處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，檢測光學設備拍攝的圖像中波門區域，對有效目標區域使用三次立方插值，其餘區域採用雙線性插值的算法。本發明提高了算法實時性能，儘量避免了圖像縮放時的失真，保持了圖像中目標的銳度，消除了普通縮放採樣過程中造成的目標淡化、波門目標框丟邊現象，從而可以及時為指揮員提供直觀圖像信息。
【專利說明】基于波門檢測的快速圖像插值處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像顯示處理領域，具體涉及一種對多路光學連續測量圖片進行處理顯示的快速圖像插值處理方法。光學設備對太空飛行器的跟蹤圖像，以每秒多幀的形式，實時記錄到文件，連續傳至監控中心處理顯示。本發明提出了基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，檢測圖像中波門目標區域，對目標區域使用三次立方插值，其餘區域採用雙線性插值的算法，具有較好的準實時性，適應不同解析度顯示要求，避免了光學圖片中目標框顯示的丟邊現象。
【背景技術】
[0002]在航天發射跟蹤測量過程中，光學觀測圖像對太空飛行器飛行狀態的判斷具有重要作用。所有光學設備的觀測圖像，將匯集於指揮中心，用於指揮決策。若採用SDI視頻流的方式傳輸圖像，SDI的幀頻為25幀/s，在現有帶寬下，需要對圖像進行高壓縮率的有損壓縮，會造成指揮中心圖像中目標暗弱丟失，給飛行器狀態判斷造成影響。為了獲取清晰的圖像，不同地域的多臺光學設備，將以5幀/秒的速率採集bmp圖像，並用波門鎖定目標。波門是圖像上的白色矩形框，實時套住目標。採集的圖像經實時壓縮，傳輸至指揮中心，進行集中監控顯示及選優決策。本發明在指揮中心實時處理多路光學圖像，解決了圖像準實時、多解析度顯示問題，避免了波門目標框縮放過程中丟邊現象，圖像直觀清晰，銳度保持良好，為指揮決策提供了準實時直觀信息源。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種航天發射測量過程中，快速圖像插值算法，高質量準實時顯示圖片，避免多種解析度顯示過程中目標暗弱，波門目標框丟邊的問題。
[0004]本發明方法可概括為:光學設備拍攝的原始圖像文件記錄為BMP格式，並以波門套住目標。後經本發明進行處理，檢測圖像中波門區域，對有效目標區域使用三次立方插值，其餘區域採用雙線性插值的算法，具有較好的實時性，輸出的圖像視覺效果優良並保持了良好的銳度。
[0005]為實現上述目的本發明採用的具體技術方案如下:一種基于波門檢測的快速圖像插值算法，包括:
步驟一，確定波門區域
光學圖片以黑色天空為背景，太空飛行器是圖像中的目標，圖上不同的灰度值表明目標的暗弱，並且將用白色矩形框套住目標。從圖像的左上角或右上角或左下角或右下角開始，可以按照從左到右、自上而下，或從右到左、自上而下，或從左到右、自下而上，或從右到左、自下而上的順序掃描像素點，查找一條白色直線，再根據白色直線位置確定整個矩形框即波門，矩形框所包圍的區域即為波門區域；
步驟二，確定波門區域誤差範圍
考慮到波門目標框的誤差，將步驟一找到的矩形框的各邊向外擴大16像素，作為有效目標區域；
步驟三，確定圖像插值算法
在步驟二確定的有效目標區域內採用三次立方插值處理，有效目標區域外(即背景區域)採用雙線性插值處理。從而極大提高了算法效率，並且效果與整體應用三次立方插值效果相當，能提供舒適視覺效果和良好的實時性。
[0006]本發明的優點是檢測出圖像的目標區域和背景區域，綜合利用雙線性插值和三次立方插值，提高了算法實時性能，儘量避免了圖像縮放時的失真，保持了圖像中目標的銳度，消除了普通縮放採樣過程中造成的目標淡化、波門目標框丟邊現象，從而可以及時為指揮員提供直觀圖像信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明中圖像數據傳輸處理過程示意圖；
圖2是波門目標框丟邊現象圖像；
圖3是經本發明處理後無丟邊現象圖像；
圖4是基于波門檢測的快速圖像插值處理方法流程圖；
圖5是分段插值樣條示意圖。
【具體實施方式】
[0008]本發明對圖像數據的處理和顯示、包括如下步驟:
步驟一，確定波門區域
光學圖片以黑色天空為背景，太空飛行器是圖像中的目標，圖上不同的灰度值表明目標的暗弱，並且將用白色矩形框套住目標。從圖像上左上角開始，按照從左到右，自上而下的順序掃描像素點，查找白色矩形框的一條邊，再根據計算邊的位置查找出目矩形框，該矩形框包圍的區域即為波門區域。同理從圖像右上角開始，按照從右到左、自上而下的順序掃描，或從圖像左下角開始，按照從左到右、自下而上的順序掃描，或從圖像右下角開始，按照從右到左、自下而上的順序掃描；均可以查找出白色矩形框的一條邊。
[0009]步驟二，確定目標區域誤差範圍
考慮到波門目標框的誤差，根據試驗，步驟一找到的矩形框各方向擴大16像素，作為有效目標區域。
[0010]步驟二，確定圖像插值算法
在步驟一確定的波門區域範圍，根據步驟二計算出允許誤差的有效目標區域，根據插值點的坐標與有效目標區域的關係進行插值。對有效目標區域使用三次立方插值，背景區域採用雙線性插值的算法，極大提高了算法效率，並且效果與整體應用三次立方插值效果相當，能提供舒適視覺效果和良好的實時性。
[0011]圖1給出了多路圖像數據的傳輸處理流程。光學設備實時採集太空飛行器跟蹤圖像(為BMP格式)，經rar壓縮後，在網絡中傳輸壓縮數據，在有限的帶寬下盡力提供高質量圖像數據，傳送到監控中心(圖1中的η路)，再經監控中心解壓縮後獲得圖像，然後採用本發明的基于波門檢測的快速圖像插值算法處理顯示，以提高實時性和圖像顯示質量。
[0012]圖2給出了波門目標框(即白色矩形框)丟邊現象。直接使用WINDOWS⑶I函數StretchDIBits縮放，光學圖像的波門目標框可能會產生丟邊現象，失真現象嚴重。
[0013]圖像縮放常用鄰近插值、雙線性插值、三次立方插值等。經過對縮放後效果的試驗和比較，鄰近算法效果不理想，雙線性插值銳度保持較好，算法速度快。雙線性插值以中等代價給大多數縮放因子相對小(4X或更小)的應用提供了適當好的結果，但複雜圖像表現欠佳。三次立方插值效果較好，但計算量大，是雙線性插值的20多倍。圖像背景區域紋理細節在輔助決策時關注度較低，目標區域關注度較高。若對整幅圖像採用三次立方插值，計算量大，會降低指揮員獲取圖像信息的實時性，而且大部分背景圖像不是指揮員關注的重點，沒有必要消耗處理時間。可以對目標區域使用三次立方插值，其餘區域採用雙線性插值的算法，極大提高了算法效率，並且效果與整體應用三次立方插值效果相當，能提供舒適視覺效果和良好的實時性。經過研究試驗，設計了基于波門檢測的快速圖像插值算法，對目標區域採用三次立方插值，背景區域使用雙線性插值。算法的實時性好，在保持銳度的同時，提供最舒適視覺感受。[0014]基于波門檢測的快速圖像插值算法流程如圖4。
[0015]因為圖像為灰度圖像，目標較亮，背景較暗，波門矩形框邊為灰度最大值，易於判斷波門目標框區域。算法首先沿畫面左上角水平方向，自上而下，查找一條白色直線，長度大於等於16像素(設計要求的最小波門目標框)，判斷原則為直線上存在三個以上的像素為白色，它們相鄰上下兩像素不為白色。根據直線位置確定整個矩形區域，同樣沿直線末端豎直方向查找白色直線，判斷是否構成整個矩形，否則重新查找。考慮到目標框的誤差，可能不會正好完全套住目標，根據試驗，矩形框各方向擴大16像素，作為有效目標區域。根據插值點是否在有效目標區域選擇雙線性插值或三次立方插值算法。
[0016]基于波門檢測的快速圖像插值算法基本原理，其中採用的兩種插值算法，可以表達為:
(I)雙線性插值
建立一個坐標系統，產生4個控制點(0，O)，(O, I)，(I, O)，(I, I)，插值點為4個控制點形成的正方形內點(x，y)，X e [O, l],y e [0，I]，建立插值函數:
f(x, y)=f (O, O) (1-x) (1-y)+f (0, I) (l-χ)y + f (I, I)xy + f (I, 0) x(1-y)
(I)
根據插值點坐標(x，y)，利用插值函數得到插值結果。
[0017](2)三次立方插值
輸入4個控制點內，P1 ,巧，巧，如圖5，插值計算僅依賴於這鄰近的4個點，根據控制點信息構造三次多項式生成的曲線通過四個點。定義一個浮點坐標[0.0，1.0]，當t=0.0時，即力^點，當t=1.0時，即為|?2點，當！在[0.0，1.0]之間變化時，所描繪的曲線方程β(0如式(2)所示，該曲線是一種三次的分段插值樣條，能夠保持C1連續。
【權利要求】
1.基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟一，確定波門區域 從圖像的左上角或右上角或左下角或右下角開始，順序掃描像素點，查找一條白色直線，再根據白色直線位置確定整個矩形框即波門，矩形框所包圍的區域即為波門區域；步驟二，確定波門區域誤差範圍 將步驟一找到的矩形框的各邊向外擴大16像素，作為有效目標區域； 步驟三，確定圖像插值算法 在步驟二確定的有效目標區域內採用三次立方插值處理，有效目標區域外採用雙線性插值處理。
2.根據權利要求1所述基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，其特徵在於:步驟一所述掃描像素點的順序為:從左到右，自上而下；或從右到左，自上而下；或從左到右，自下而上；或從右到左，自下而上。
3.根據權利要求2所述基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，其特徵在於:步驟一所述查找白色直線的原則是:直線上存在三個以上的像素為白色，且它們相鄰上下兩像素不為白色。
4.根據權利要求1所述基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，其特徵在於:步驟三所述雙線性插值如下: 建立一個坐標系統，產生4個控制點(O，O)，(O, I)，(I, O)，(I, I)，建立插值函數: f(x, y)=f (O, O) (1-x) (1-y)+f (O, I) (l-χ)y + f (I, I)xy + f (I, 0) x(1-y)(I) 根據插值點坐標(x，y)，利用插值函數計算得到插值結果。
5.根據權利要求1所述基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，其特徵在於:步驟三所述三次立方插值如下: 輸入4個控制點巧,P1, P2, P3 ,根據該控制點信息構造三次多項式使生成的曲線通過Po, Pi, Pi 』 Λ四個點;令浮點坐標I e [0.0, 1.0],當t=0.0時，即為P1點，當t=l.0時，即為&點，當I在[0.0，1.0]之間變化時，所描繪的曲線方程6的如式(2)所示，該曲線是一種三次的分段插值樣條，能夠保持σ1連續；
6.根據權利要求1到5任一項所述基于波門檢測的快速圖像插值處理方法，其特徵在於:步驟一所述圖像為光學設備實時採集的太空飛行器跟蹤圖像，經壓縮後傳送到監控中心，再經解壓縮後獲得的圖像。
【文檔編號】G06T3/40GK103679635SQ201310686103
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月16日 優先權日:2013年12月16日
【發明者】陳錦平, 王海雁, 劉劍鋒, 何孝港, 王晟, 羅啟富, 崔健, 唐琦傑, 鄧燦, 張鵬超 申請人:中國人民解放軍63791部隊