第五章--光电信息处理技术--成像目标探测与跟踪技术
光电技术简介-PPT精选文档
高
亮
度
R S 光
SR应 用 测 量 光谱测量 物理性质测量 表面、界面测量
应
用
太 屋 大 太 宇
阳 顶 规 阳 宙
能 发 模 能 发
发电 电 集中发电 汽车 电
功 能 器 件
纤
通
信
系
高清晰度图像系统 壁挂式大型电视 立体显示器 高清晰度摄像机
光电子计算机 超 高 速 运 算 (ps~fs) 2维 并 行 处 理 光互连
理学院物理科学与技术系 School of Science, Physical Science and Technology Department 杨应平
理学院物理科学与技术系
School of Science, Physical Science and Technology Department
杨应平
功 激 光 太 光 光 液 集 量
能 光 接 阳 开 调 晶 成 子
ห้องสมุดไป่ตู้
器 、 收 能 关 制 器 光 效
件 发 光 器 件 器 件 电 池 器 件 路 应 器 件
新
量 容 大 超
信息高速公路 光纤传输 相干光传输 量子光传输 光交换
功
多媒体 传真、电话、可视电话 广播、有线电势 光盘、CD 激光打印机
“光”和“电”彼此间渗透和结合==〉 光电混合系统
------（简称）光电系统
理学院物理科学与技术系 School of Science, Physical Science and Technology Department 杨应平
1.2 光电系统
研究大功率光辐射的产生、控制、 利用和转换--光电能量系统 以光辐射和电子流为(光电子)信息 载体，通过光电或电光相互变换方 法，进行相关的信息处理--光电信 息系统
光电跟踪与制导技术
第一章、绪论及跟踪系统综述光电制导与跟踪系统是以电视、红外、激光、毫米波等成像设备为手段，利用目标跟踪识别技术获取对方目标运动、状态、形状等信息，然后实施打击的光电技术，是夺取战场信息优势、实施精确打击的重要技术手段。
特点：精确性高效性先进性威慑性非制冷红外探测器热探测器利用红外辐射的热效应引起探测材料的温度变化，进而产生某种可度量的物理量的变化，获得与红外辐射相对应的信号。
一般不需要制冷，可靠性高，且成本较低，但灵敏度不高，响应速度较慢红外搜索跟踪系统是一种被动空中目标搜索跟踪系统，连续旋转的红外扫描头实施搜索，并将空中目标作为点目标成像在探测器阵列上。
电子信号处理系统对红外扫描头获得的信号进行处理，排除飞鸟等形成的虚假目标信号，确定目标的航迹，为防空武器系统提供目标的方位角和俯仰角信息，引导防空武器瞄准和跟踪目标空中目标。
微光夜视系统通过采集目标场景反射的微弱的光线，利用像增强器将其放大数万倍以上，形成明亮的图像，供人观察。
分为微光直视系统（微光夜视仪）和微光电视系统激光武器分类软杀伤激光武器硬杀伤激光武器战略应用的机载激光系统（ABL）射程200km，战术应用的机载激光系统射程20km激光雷达特点：角分辨率、速度分辨率和距离分辨率高，抗干扰能力好，不仅能探测和跟踪目标，获得目标的方位、速度等信息，而且利用激光的相干性，还能获得微波雷达不能得到的其它类型的信息。
航空相机特点：能迅速地获取敌方纵深地区的大范围地面情报。
获取的照片不仅清晰、直观、容易判读，而且其上所包含的信息的容量、质量和可靠性是其他侦察手段无法比拟的类型：分幅相机、缝隙相机和全景相机无人值守地面传感器光电综合侦察系统特点：组件式、功能互补、昼夜全天候工作光电对抗装置激光警戒接收机导弹临近报警装置（红外、紫外、雷达）红外干扰机激光诱饵系统烟幕系统伪装第二章、导弹总体设计2.1导弹武器系统1、有翼导弹是一种以火箭发动机或吸气式发动机为动力，机动飞行所需的法向力依靠升力部件的空气动力提供，装有战斗部的自控飞行器。
光电信息科学与工程在航空航天中的研究与应用
光电信息科学与工程在航空航天中的研究与应用光电信息科学与工程是一门综合性的学科，涉及光学、光电子学、信息科学、电子工程等多个领域。
在航空航天领域，光电信息科学与工程的研究和应用发挥了重要的作用。
本文将从光电信息科学与工程在航空航天中的研究重点、应用方面以及未来发展趋势进行探讨。
一、光电信息科学与工程在航空航天中的研究重点在航空航天领域，光电信息科学与工程的研究重点主要包括以下几个方面。
1. 光学传感技术：光学传感技术是光电信息科学与工程在航空航天领域的重要研究方向。
通过光学传感技术，可以实现对航空器的姿态、速度、高度等信息的实时监测和测量，提高飞行安全性。
2. 光纤通信技术：光纤通信技术在航空航天中扮演着重要的角色。
光纤通信技术具有传输速率高、带宽宽、抗干扰能力强等优点，可以实现航空器和地面指挥中心之间的高速、稳定的数据传输。
3. 光电监测技术：光电监测技术主要用于航空器的故障检测、状态评估和预警系统。
通过光电监测技术，可以实时获取航空器各个部件的工作状态，提前做出预警，以确保航空器的安全运行。
二、光电信息科学与工程在航空航天中的应用在航空航天领域，光电信息科学与工程在以下几个方面得到了广泛的应用。
1. 飞行器导航与控制：光电信息科学与工程的相关技术在飞行器导航与控制系统中得到了广泛应用。
通过光学传感技术和卫星导航系统结合，可以实现飞行器的精确定位和姿态控制，提高航行的准确性和稳定性。
2. 航空器影像获取与处理：航空器影像获取与处理是光电信息科学与工程在航空领域的重要应用之一。
通过光电信息技术，可以获取航空器飞行过程中的图像数据，并通过图像处理算法对图像进行优化和增强，提高图像质量和分辨率。
3. 空天目标监测与追踪：光电信息科学与工程在空天目标监测与追踪方面的应用具有重要价值。
通过光电监测技术，可以实时监测航空器和航天器的运行轨迹和状态变化，为空中交通管理和飞行安全提供支持。
三、光电信息科学与工程在航空航天中的未来发展趋势随着科技的不断进步，光电信息科学与工程在航空航天领域的应用将会继续扩大和深化。
机载光电平台的目标跟踪技术(朱明,高文,郝志成)PPT模板
1.4目标跟 踪的起源
1.5目标跟 踪的研究现
状
1.1航空对 地侦察的意
义
1.2航空光 电平台的发
展历史
1.3航空光 电平台的应
用
第1章绪论
1.7航空光电平台目标跟踪的特点与 难点
PART ONE
03 第 2 章 成 像 与 数 字 图 像 处 理
第2章成像与数字图像处理
01 2.1光学系统
第7章目标的搜索策略
7.1金字塔搜索
1
7.3卡尔曼滤波和粒子滤波
7.3.1卡尔曼滤波
3
7.3.2粒子滤波
2
7.2均值漂移搜索
4
7.4滑动窗搜索
PART ONE
09 第 8 章 实 用 跟 踪 方 法
第8章实用跟踪方 法
8.1自适应相关滤波学习的目标跟踪算法 8.2多实例学习（MIL） 8.3压缩跟踪（CT） 8.4时空上下文视觉跟踪（STC）算法 8.5检测学习跟踪（TLD）
PART ONE
11 参 考 文 献
参考文献
PART ONE
12 结
束
语
结束语
感谢聆听
5.2基于局部不变性 特征的目标表示模 型
5.2.1SIFT 5.2.2SURF
5.4基于稀疏表示 的目标表示模型
PART ONE
07 第 6 章 目 标 匹 配 度 量
第6章目标匹配度 量
6.1相关系数 6.2巴氏系数 6.3汉明距离
PART ONE
08 第 7 章 目 标 的 搜 索 策 略
机载光电平台的目标跟踪技 术(朱明,高文,郝志成)
演讲人
202X-11-11
PART ONE
光电检测与信息处理技术
光电检测与信息处理技术光电检测与信息处理技术是一种基于光电效应的技术，主要应用于光电传感器和光电器件中。
光电检测技术利用光电器件对光信号的感应和转换，将光信号转化为电信号，再经过信息处理和分析，实现对光信号的检测和测量。
光电检测与信息处理技术在各个领域都有着广泛的应用，包括光通信、光学成像、光电显示、光电测量等。
光电检测技术的关键在于光电器件的选用和设计。
光电器件是将光信号转化为电信号的关键组成部分，常用的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电导、光电三极管等。
不同的光电器件具有不同的特性和应用范围，选择合适的光电器件对于光电检测技术的性能和应用至关重要。
光电检测技术的应用之一是光通信。
光通信是一种利用光信号传输信息的通信方式，具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点。
光电检测技术在光通信中起到了至关重要的作用，能够将光信号转化为电信号，并进行解调和调制，实现信号的传输和接收。
光电检测技术的不断发展和创新，使得光通信的速度和可靠性得到了显著提高，为现代通信技术的发展提供了有力支持。
另一个重要的应用领域是光学成像。
光学成像是利用光信号获取目标物体的图像信息的技术，广泛应用于摄影、电视、医学影像等领域。
光电检测技术在光学成像中起到了关键作用，能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理和分析，实现图像的采集和处理。
光电检测技术的不断创新和进步，使得光学成像的分辨率和清晰度大幅提高，为图像获取和处理提供了强大支持。
光电检测技术还应用于光电显示和光电测量等领域。
光电显示技术是利用光电器件将电信号转化为光信号，实现图像和文字的显示和表达。
光电测量技术是利用光电器件对光信号进行测量和分析，实现对光学特性和参数的测量。
光电检测技术在这些领域的应用，不仅提高了显示和测量的准确性和可靠性，同时也扩展了光电技术的应用范围和领域。
光电检测与信息处理技术的发展离不开科学研究和工程实践的支持。
科学研究的目标是在充分理解光电效应的基础上，探索新的光电器件和光电技术，并提出新的理论模型和方法。
基于雷达信号处理的目标探测与跟踪技术研究
基于雷达信号处理的目标探测与跟踪技术研究雷达信号处理是一种基于电磁波原理的技术，广泛应用于目标探测与跟踪领域。
这项技术通过分析雷达接收到的回波信号，可以实现对目标的探测和跟踪，具有重要的军事和民用应用价值。
在目标探测方面，雷达信号处理可以帮助确定目标的位置、速度、大小和形状等关键参数。
首先，雷达发送一束电磁波向目标方向，当这束电磁波与目标相交时，会发生一部分电磁波的散射和反射。
这些散射和反射的电磁波通过天线接收回来，形成回波信号。
接下来，通过对回波信号进行采样、滤波、解调等一系列信号处理操作，可以分析得到目标的一些特征信息。
对于目标跟踪而言，雷达信号处理技术可以帮助系统实时追踪目标的运动轨迹和变化情况。
基于雷达信号处理的目标跟踪技术主要包括目标特征提取、目标匹配和运动估计等步骤。
首先，通过对回波信号进行特征提取，可以获取目标的一些特征量，如反射强度、多普勒频移等。
然后，通过目标匹配算法将当前回波信号的特征量与之前已知目标的特征量进行比较，以确定目标的身份。
最后，根据目标的特征量与时间的关系，可以估计出目标的运动轨迹和速度信息。
基于雷达信号处理的目标探测与跟踪技术在军事领域具有重要意义。
例如，在军事侦察和监视任务中，雷达可以被用来探测和跟踪敌方飞机、导弹等空中目标，以及舰船、车辆等地面目标。
通过及时获得目标的信息，军方可以有效地制定作战策略和采取相应的对策。
此外，雷达信号处理技术还广泛应用于导弹拦截系统、无人机监测与识别等军事领域。
除了军事应用，雷达信号处理也在民用领域发挥着重要作用。
例如，在气象领域，雷达可以用来监测并预测降雨、风暴等天气变化，为天气预报和灾害预警提供重要数据支持。
此外，雷达信号处理还可以应用于交通管理、航空导航、海洋资源勘探等领域，提供准确的目标探测和跟踪服务。
然而，基于雷达信号处理的目标探测与跟踪技术也存在一些挑战与问题。
首先，目标探测与跟踪任务在复杂环境下面临干扰和杂波的困扰。
光学信息处理技术
（1）脉冲函数的定义：
（2）矩形函数极限
（3）函数序列的极限
（4）广义函数定义下的δ函数
因此δ函数可以用不同的矩形函数的极限来定义，所以δ
是一个广义函数。为了判别不同的函数族所定义的是不是，
同一个广义函数，就需要用一个检验函数
(x)
检验函数 ( x) 需满足两个条件：
2.δ函数的性质 （1）筛选性
四．光信息处理的优势 1. 电子学的缺点
由于现代科学技术的发展提高计算机的运算速度和通信 容量。从这个意义来说，电子计算机正面临光计算机的挑 战，换句话说，光信息处理与光通信急速发展的原因是由 于光波本身物理本质的优越性。
电子计算机高速化有以下三个方面限制 1)量子力学限制 2)热力学限制 3)电子线路技术的限制 4)电子通信容量的限制
它以信息光学为基础，用付里叶分析的方法研究光学成 像和光学变换的理论和技术；实现图像的改善和增强，图 像识别，图像的几何畸变与光度的规整和纠正，光信息的 编码、存储和成图技术，三维图象显示和记录，仿生视觉 系统，以及电、声等非光信号的光信息处理等等。 C.光纤通信
用纤维光缆代替金属电缆，实现传输量大、防干扰性好、 保密性强，耗电少的新型通信线路，将是近年迅猛发展的 一个新领域。
目前认为，发挥光学与电子光学的优势，弥补两者的不 是从长远的意义来说，发展光-电子式混合式计算机是值得 研究的重要方向。
对光学信息处理的理解性定义：
从光衍射的惠更斯-菲涅耳原理可知，光学系统的成像过 程就是二次付里叶变换的过程，它是光电信息处理的基本 着眼点。用付里叶分折的观点，可以把任何二维图象看成 各种空间频率的正弦光栅迭加的结果。同时，又可把光学 系统成像特性归结为对不同空间频率正弦光栅的成像特性， 即光学系统的空间频率响应。
光电信息处理技术的最新进展
光电信息处理技术的最新进展在当今科技飞速发展的时代，光电信息处理技术作为一门关键的交叉学科，正以前所未有的速度不断创新和进步。
从通信领域到医疗成像，从工业检测到航空航天，光电信息处理技术的应用无处不在，为我们的生活带来了巨大的改变。
光电信息处理技术的核心在于对光信号的获取、传输、处理和存储。
近年来，在光信号获取方面，新型的光电探测器不断涌现。
这些探测器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更宽的光谱响应范围。
例如，基于量子点的光电探测器在近红外波段表现出色，能够实现对微弱光信号的高效检测，这对于夜间成像、安防监控等领域具有重要意义。
同时，基于有机材料的柔性光电探测器也取得了显著进展，为可穿戴设备和柔性电子提供了新的可能。
在光信号传输方面，光纤通信技术一直是研究的重点。
随着技术的不断突破，单模光纤的传输容量不断提升。
通过采用波分复用、偏振复用等技术，一根光纤能够同时传输多个波长和偏振态的光信号，极大地提高了通信带宽。
此外，空分复用技术也逐渐成为研究热点，通过多芯光纤或少模光纤的应用，进一步挖掘光纤的传输潜力。
为了实现更高速、更稳定的光通信，新型的光调制技术也在不断发展。
例如，基于硅基光子学的高速电光调制器，能够实现皮秒级的响应速度和低能耗的光信号调制。
光电信息处理的关键环节之一是对光信号的处理。
在这方面，数字图像处理技术与光学处理技术的融合越来越紧密。
基于数字信号处理算法的图像增强、去噪、压缩等技术不断完善，使得光电图像的质量得到显著提升。
同时，光学图像处理技术也在不断创新。
例如，利用空间光调制器实现的光学卷积运算，能够快速处理大量的图像数据，在目标识别、图像分类等领域具有广泛的应用前景。
此外，深度学习技术在光电信息处理中的应用也日益广泛。
通过训练深度神经网络，能够实现对复杂光电图像的智能分析和理解，为自动驾驶、智能安防等领域提供了强大的技术支持。
在光信号存储方面，光存储技术也在不断发展。
蓝光光盘技术已经得到广泛应用，其存储容量不断提高。
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第一帧
帧差图像
解决思路
要检测动态场景中的运动目标，关键在于对场景的运 动进行估计，通过估计出的运动参数补偿其运动，最 后使用帧差法得到运动目标。
自动导系统
尾 翼
导引头
舵机
发动机
一、成像探测与跟踪系统概述
一、成像探测与跟踪系统概述
跟踪系统及跟踪
一、成像探测与跟踪系统概述
EF2000欧洲战斗机装备“海盗”机载红外搜 索跟踪系统
“海盗”系统（无源红外机载跟踪设备）可以为空中拦截 和空地作战提供战术优势。该设备安装在机舱左侧、风挡玻璃 的前方。“海盗”系统在空对空模式下运行的时候，具备搜索 和跟踪系统（IRST）功能，提供无源目标探测和跟踪能力；在 空对地模式下，可以执行多目标获取和识别任务，同时还能提 供辅助导航和着陆功能。
2005年，美国中央佛罗里达大学计算机视觉实验室开发出了基于MATLAB 的COCOA系统，用于无人机低空航拍视频图像的目标检测与跟踪处理。
一、成像探测与跟踪系统概述
研究现状（国内）
研究所：中科院光电技术研究所、长春光机所、上海光 机所，安徽光机所、上海技术物理所、中科院自动化所， 沈阳自动化所 ，中国工程物理研究院等。
COCOA系统的基本技术环节
归纳起来，运动场景中目标检测与跟踪技术主 要包括以下三个关键技术：
✓ 背景补偿与图像预处理：消除背景运动、随机噪 声对目标检测与跟踪的影响。
✓ 图像分割与目标检测：利用图像分割技术从图像 中检测出可能的运动目标。
✓ 特征提取和目标跟踪：对检测出的目标提取可识 别的特征，依据这些特征在后续的视频图像序列中 对目标进行跟踪。
高校：国防科技技术大学、西北工业大学、哈尔滨工业 大学、北京理工大学、北京航空航天大学、华中科技大 学、空军工程大学等。
VSAM
目标是开发自动视频理解技术，并用于实现未来战争人力费用昂贵、非常 危险或者人力无法实现等场合的监控。
该系统融合了数字摄像机、音频采集头、红外和微波报警探测器、温度 探测器等多种类型的传感器，可以对监控地区进行全方位的昼夜监控。使用 了地理信息和三维建模技术，提供可视化图形操作界面，当视频分析处理器 报告了运动对象、对象类别及位置之后，操作员不仅可以在地理信息界面上 进行虚拟对象标记，而且还能在辅助窗口观察对象的真实活动情况。
该系统在运动背景估计与补偿中所涉及的主要技术是基于KanadeLucas-Tomasi算法的特征点跟踪和基于M估计的鲁棒性仿射参数估计。然后 利用三帧差减的方法检测目标运动，利用形态学操作分割图像并定位运动目 标。对多目标进行标记之后，利用Hausdorff距离匹配和模板更新的方法对目 标进行长时间的跟踪。
VSAM
针对机载航空摄像机所拍摄的视频图像，萨尔诺夫戴维研究中心研发 了检测和跟踪独立地面车辆目标的视频图像理解技术。该技术的关键在于 对航空摄像机的自运动补偿，对经过补偿的图像，利用三帧差减的方法检 测目标。
美国康奈尔大学计算机系设计的航拍视频图像目标检测与持续跟踪系统 的特色在于，能够对多运动目标实现较长时间的准确跟踪，即使在短时间内 目标被遮挡或移出视场以及目标时静时动。
一、成像探测与跟踪系统概述
红外监控系统
一、成像探测与跟踪系统概述
什么是视频(成像)目标跟踪？
一、成像探测与跟踪系统概述
什么是视频(成像)目标跟踪？
一、成像探测与跟踪系统概述
成像跟踪系统流程及框图
监视器
摄像头 伺候机构
图像预处理
目标特性分析、
数
特征提取
字
信
号
处
自动跟踪
目标识别
目标检测
理
图像分割
该系统对机载光电传感器或红外传感器所摄视频图像进行鲁棒性背景运 动补偿，并可生成全景图，利于更高层次的应用。对图像中多种运动目标 （如汽车、坦克、摩托车等）进行可靠性检测并进行持久地跟踪。
COCOA
视频序列
ห้องสมุดไป่ตู้
背景运动补偿
基于特征 + 基于灰度梯度
运动检测
累积帧差法 + 形态学操作
目标跟踪
Level Set方法 + Mean Shift方法
主要内容
成像探测与跟踪系统概述 运动目标检测方法 成像目标跟踪方法 目标跟踪技术应用及发展
主要内容
成像跟踪系统概述 运动目标检测方法 成像目标跟踪方法 目标跟踪技术应用及发展
一、成像探测与跟踪系统概述
精确制导、目标跟踪
一、成像探测与跟踪系统概述
自动导系统
X-59导引头
雷达导引头
一、成像探测与跟踪系统概述
45
76
102
123
152
159
253
298
COCOA
COCOA系统是一种无人机航拍图像目标跟踪系统。该系统针对一段视频 图像序列，通过三大技术环节，即背景运动补偿、运动检测与目标跟踪，来 完成对目标的检测与跟踪。该系统基于MATLAB平台，可以适用于不同的光 传感器（可见光或红外），最小的可跟踪目标约为100象素大小。
VSAM
使用架设在高处多方位旋转云台上的单个摄像机，可以全方位地实施视频 监控。系统首先有规律地初始化一系列背景图像，然后利用基于特征区域的方 法将实际摄录的视频图与相应的背景图作匹配，再利用背景减除法检测运动目 标。
VSAM
由于传统的卡尔曼滤波方法只能处理单峰问题，该系统对传统的卡尔曼滤 波思想进行了扩展，并使用了带目标模板更新的相关匹配算法实现了多目标的 跟踪。
主要内容
成像探测与跟踪系统概述 运动目标检测方法 成像目标跟踪方法 目标跟踪技术应用及发展
二、运动目标检测
1、静止背景下的目标检测
帧差分法：
g x, y ft1 x, y ft x, y
g x, y
ft1 x, y
ft x, y
=
-
静态场景帧差的一个例子
二、运动目标检测
视频序列运动检测
器
光光光光光光光光光 光光光光光光光光光
光光光光光
一、成像探测与跟踪系统概述
研究现状（国际）
1997年，美国国防高级研究项目署设立了以卡内基梅隆大学牵头，麻省理工 学院等高校参与的视觉监控重大项目VSAM，主要研究用于战场及普通民用 场景监控的自动视频理解技术。
1999年，美国康奈尔大学计算机系设计了一套航拍视频检测与持续跟踪系 统，该系统能够对多运动目标实现长时间的准确跟踪，即使发生短时间内 目标被遮挡或目标时静时动的情况 。