1、第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激 光 杂 志LASER JOURNAL Vol.44,No.4April,2023h t t p/w w w.l a s e r j o u r n a l.c n收 稿 日 期:2022-08-12基 金 项 目:海 南 省 教 育 厅 项 目 资 助(No.Hnjg2021-99)、海 南 省 自 然 科学 基 金 高 层 次 人 才 项 目(No.622RC734)作 者 简 介:乔 艳 琰(1986-),女,硕 士,讲 师,主 要 研 究 方 向:机 器 学 习,数 据 处 理。E-mail:syxyqiao 基 于 注 意 力 机 制
2、的 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测乔 艳 琰三 亚 学 院,海 南 三 亚 572000摘 要:在 航 拍 视 频 运 动 目 标 检 测 中,受 到 场 景 复 杂 度 和 目 标 多 元 化 因 素 影 响,导 致 目 标 检 测 精 度 受 限,提出 基 于 注 意 力 机 制 的 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测 方 法。建 立 多 背 景 建 模 约 束 下 的 高 光 谱 视 频 图 像 采 集 和 参 数 识别 模 型,采 用 场 景 变 化 自 适 应 跟 踪 方 法 分 析 目 标 运 动 特 征 参 数,提 取 运 动 目 标 高 光 谱 图 像 的
3、感 知 场 景 背 景 信息、孤 立 像 素 点 以 及 边 缘 特 征 量,根 据 孤 立 像 素 点 的 离 群 特 性,采 用 注 意 力 机 制 融 合 判 断 方 法,提 取 高 光 谱 图 像异 常 目 标 点 的 差 异 性 特 征 值,采 用 模 糊 度 特 征 匹 配 和 场 景 稠 密 度 色 彩 分 割 方 法,实 现 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 的 动态 检 测 和 分 离。仿 真 测 试 结 果 表 明,采 用 该 方 法 进 行 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测,在 虚 警 率 为 0.09,检 测 概 率0.94 时 达 到 了 最 好 的 检
4、测 效 果,检 测 的 平 均 耗 时 为 16.34 s。关 键 词:注 意 力 机 制;高 光 谱 图 像;异 常 目 标 检 测;色 彩 分 割;背 景 建 模中 图 分 类 号:TN911 文 献 标 识 码:A d oi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.196A b n o r m a l t a r g e t d e t e c t i o n i n h y p e r s p e c t r a l i m a g e s b a s e d o n a t t e n t i o n m e c h a n i s mQIAO YanyanU n i v
5、e r s i t y o f S a n y a,S a n y a H a i n a n 572000,C h i n aA b s t r a c t:In the aerial video moving target detection,the accuracy of target detection is limited due to the com-plexity of the scene and the diversity of targets and a hyperspectral images method of abnormal target detection base
6、d on attention mechanism is proposed.A hyperspectral video image acquisition and parameter identification model under the constraints of multi-background modeling is established.The moving characteristic parameters of the target are ana-lyzed by the scene change adaptive tracking method,and the perc
7、eived scene background information,isolated pixels and edge features of the moving target hyperspectral image are extracted.According to the outlier characteristics of iso-lated pixels,the attention mechanism fusion judgment method is adopted to extract the difference feature values of ab-normal tar
8、gets in hyperspectral images,and the fuzzy feature matching and scene density color segmentation methods are adopted to realize the dynamic detection and separation of abnormal targets in hyperspectral images.The simulation results show that this method can achieve the best detection effect when the
9、 false alarm rate is 0.09 and the detection probability is 0.94,and the average detection time is 16.34 s.K e y w o r d s:attention mechanism;hyperspectral image;abnormal target detection;color segmentation;back-ground modeling1 引 言随 着 无 人 机 遥 感 成 像 技 术 的 发 展,采 用 无 人 机 和航 拍 检 测 的 方 法 实 现 对 高 光 谱 图 像
10、 采 集,并 通 过 高 光谱 图 像 处 理 技 术 实 现 对 地 目 标 的 动 态 检 测 和 识 别,研究 基 于 高 光 谱 图 像 处 理 的 目 标 识 别 技 术,在 核 辐 射 探测、交 通 巡 逻、航 空 摄 影 等 领 域 都 具 有 广 泛 的 应 用 机制,且 高 光 谱 图 像 检 测 和 应 用 的 成 本 低,目 标 识 别 能力 强,因 此 在 图 像 的 三 维 重 建 和 视 觉 特 征 重 构 等 领 域都 具 有 很 好 的 应 用 性。然 而,在 高 光 谱 图 像 目 标 检 测识 别 中,受 到 图 像 成 像 环 境 和 运 动 目 标 多
11、元 化 等 因 素制 约,导 致 图 像 异 常 目 标 检 测 容 易 出 现 误 差,需 要 建h t t p/w w w.l a s e r j o u r n a l.c n立 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测 模 型,通 过 异 常 目 标 特 征点 检 测 和 识 别,提 高 目 标 识 别 能 力1。对 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测 是 建 立 在 对 图 像 目标 动 态 特 征 检 测 和 跟 踪 识 别 基 础 上,通 过 提 取 高 光 谱图 像 异 常 目 标 的 特 征 点,通 过 外 观 信 息 的 特 征 分 析,采 用 视 频 特 征 分
12、 析 和 时 间 维 度 检 测 方 法,实 现 对 高 光谱 图 像 异 常 目 标 检 测2,当 前,对 高 光 谱 图 像 异 常 目标 检 测 方 法 主 要 有 基 于 边 缘 轮 廓 检 测 的 高 光 谱 图 像异 常 目 标 检 测 方 法、红 外 监 测 方 法 以 及 基 于 动 态 特 征预 测 的 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测 方 法 等,例 如,文 献3 中 提 出 高 光 谱 影 像 子 空 间 分 析 孤 立 森 林 异 常 目 标探 测 方 法,通 过 正 交 子 空 间 分 析 增 强 输 入 特 征 影 像 中潜 在 异 常 目 标 与 背 景
13、 之 间 的 对 比 度,通 过 主 成 分 分 析法 降 维 来 降 低 孤 立 森 林 算 法 的 目 标 不 确 定 性,提 高 了目 标 检 测 的 空 间 适 应 性,但 该 方 法 进 行 无 法 解 决 高 光谱 图 像 的 复 杂 背 景 和 高 维 问 题;文 献4 中 提 出 基 于未 标 签 信 息 主 动 学 习 算 法 的 高 光 谱 影 像 分 类 检 测 方法,全 局 和 局 部 结 合 的 思 想 实 现 异 常 目 标 检 测,但 该方 法 容 易 产 生 较 高 的 虚 警 率,全 局 字 典 依 赖 性 较 强。文 献5 中 提 出 稀 疏 差 异 先 验
14、 信 息 支 持 的 高 光 谱 图 像稀 疏 解 混 算 法,通 过 对 高 光 谱 影 像 波 段 检 测 和 相 邻 波段 匹 配 搜 索,实 现 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测,但 该 方 法存 在 收 敛 性 不 好 和 计 算 迭 代 次 数 高 的 问 题。针 对 上 述 问 题,提 出 基 于 注 意 力 机 制 的 高 光 谱 图像 异 常 目 标 检 测 方 法。首 先 建 立 多 背 景 建 模 约 束 下的 高 光 谱 视 频 图 像 采 集 和 参 数 识 别 模 型,然 后 采 用 注意 力 机 制 融 合 判 断 方 法,提 取 高 光 谱 图 像 异 常
15、 目 标 点的 差 异 性 特 征 值,实 现 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 的 动 态 检测 和 分 离。最 后 通 过 仿 真 实 验 验 证 了 本 方 法 在 提 高高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测 能 力 方 面 的 优 越 性 能。2 高 光 谱 图 像 采 集 与 预 处 理2.1 总 体 实 现 结 构 图 及 高 光 谱 图 像 采 集建 立 多 背 景 建 模 约 束 下 的 高 光 谱 视 频 图 像 采 集和 参 数 识 别 模 型,采 用 场 景 变 化 自 适 应 跟 踪 方 法 分 析目 标 运 动 特 征 参 数,在 r RL1维 空 间 中,给
16、 出 L 维 的航 拍 视 频 高 光 谱 图 像6,其 中 高 光 谱 图 像 的 目 标 子 空间 为 s RL c,背 景 子 空 间 为 U RL k,通 过 线 性 表 达和 特 征 重 组,建 立 航 拍 视 频 高 光 谱 图 像 的 目 标 子 空 间与 背 景 子 空 间 融 合 模 型,通 过 最 大 化 类 间 散 度 分 析 的方 法,进 行 噪 声 投 影 抑 制,建 立 高 光 谱 图 像 的 异 常 特征 点 检 测 模 型,通 过 局 部 细 化 处 理 的 方 法,将 像 元 向量 投 影 于 背 景 的 正 交 子 空 间 中,采 用 注 意 力 机 制 学
17、习,将 背 景 子 空 间 中 的 高 光 谱 图 像 输 入 到 图 像 的 背 景子 空 间 中,采 用 主 成 分 特 征 分 析 的 方 法,构 建 正 交 子空 间 投 影 和 辨 识 模 型7,得 到 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检测 的 总 体 结 构 如 图 1 所 示。图 1 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测 的 总 体 结 构根 据 图 1 的 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测 总 体 结 构模 型,基 于 重 叠 区 域 的 异 常 特 征 点 检 测,计 算 待 检 测样 本 的 异 常 值,通 过 异 常 检 测 结 果 的 图 模 型 参
18、 数8,得 到 有 向 图 模 型 D Rh w,将 图 像 目 标 检 测 分 为 像 素集 尺 度 检 测 和 对 象 级 尺 度 检 测,由 此 建 立 高 光 谱 图 像异 常 目 标 检 测 模 型,得 到 图 像 采 集 模 型 如 图 2 所 示。图 2 高 光 谱 图 像 采 集 模 型2.2 图 像 预 处 理 及 目 标 运 动 特 征 参 数基 于 各 数 据 的 场 景 特 点 和 目 标 空 间 分 布 关 系,采用 动 态 模 板 匹 配 的 方 法,建 立 高 光 谱 视 频 图 像 的 背 景子 空 间 估 计 模 型,通 过 目 标 运 动 特 征 参 数 分 析,提 取图 像 异 常 目 标 的 速 度、相 位 的 特 征 参 数9,首 先 给 出7 9 1 乔 艳 琰,等:基 于 注 意 力 机 制 的 高 光 谱 图 像 异 常 目 标 检 测
