BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫

張浩鵬 劉正一 姜志國 安 萌 趙丹培

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京100191)

1 引言

當(dāng)前,外太空的戰(zhàn)略地位正在快速上升,不論是在軍用方面還是民用方面,越來越多的國家加入到了空間競爭的行列之中,而空間目標(biāo)監(jiān)視在其中起著關(guān)鍵性作用。美國是目前空間監(jiān)視能力最強的國家,已擁有較完善的空間監(jiān)視系統(tǒng),中國、歐盟、法國、德國、日本等國家和組織也在大力發(fā)展獨立的空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)[1-3]。

空間監(jiān)視系統(tǒng)的基本任務(wù)之一是對繞地球軌道運行的人造目標(biāo)進行探測、跟蹤、編目及識別[4]。這里的人造目標(biāo)包括工作和不工作的衛(wèi)星、火箭殘骸及空間碎片,也就是通常人們所關(guān)心的空間目標(biāo)。本文所述空間目標(biāo)主要指衛(wèi)星。

對空間目標(biāo)的監(jiān)視可采用地基和天基兩種方式實現(xiàn)。與地基觀測相比,天基觀測在空域覆蓋性和監(jiān)視時效性等方面具有較大優(yōu)勢[5]。天基可見光傳感器(Space-based Visible sensor)可監(jiān)視整個地球同步軌道帶,同時探測多個空間目標(biāo),可以有效提高空間監(jiān)視能力[6-7]。天基可見光觀測技術(shù)已成為當(dāng)今空間領(lǐng)域的前沿性技術(shù)。

我國的空間目標(biāo)監(jiān)視研究尚處于起步階段,中國科學(xué)院、國防科技大學(xué)、南京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國航天科技集團等單位對空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)進行了較為深入的研究。目前,成像目標(biāo)探測已成為空間目標(biāo)光電探測與識別技術(shù)的發(fā)展趨勢。[8-9]

空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫是空間監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成部分,是空間目標(biāo)分類、識別的基礎(chǔ)。通過研究空間目標(biāo)特性,建立空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫,對于空間監(jiān)視任務(wù)中的目標(biāo)識別、分類研究具有重要應(yīng)用價值。計科峰、王宏、張云飛等人設(shè)計和建立的空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫主要包含衛(wèi)星屬性信息(名稱、國別等)、衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星RCS(RADAR Cross-Section)、目視星等、觀測信息(觀測時間、觀測站位置、傳感器參數(shù)等)等內(nèi)容[10-12]。彭華峰、李駿、潘海濱等人對空間目標(biāo)可見光特性進行了分析,并在此基礎(chǔ)上給出了可見光成像仿真結(jié)果[13-15],但目標(biāo)在像面上呈點狀或線狀,反映不出目標(biāo)的外形、紋理等幾何特性。李志軍、毛宏霞等人對空間目標(biāo)與環(huán)境的紅外特性進行了分析,給出了相應(yīng)的仿真成像結(jié)果,且具備一定的形狀信息[16-17]。在作者已知的范圍內(nèi),有關(guān)空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫和成像仿真方面的公開文獻均未提及包含豐富幾何特性(外形、紋理)的空間目標(biāo)可見光成像數(shù)據(jù)庫。而針對空間目標(biāo)可見光成像探測建立相應(yīng)的空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫對于空間目標(biāo)探測和識別具有極其重要的意義,這一數(shù)據(jù)庫的缺失已經(jīng)成為影響空間目標(biāo)分類、識別研究的一個瓶頸。

BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫正是基于上述考慮而創(chuàng)建的包含豐富幾何信息的空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫。本文在分析空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫建立的背景和意義的基礎(chǔ)上,首先從三維模型建立、仿真圖像生成兩個方面闡述BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫的建立方法,接著介紹該數(shù)據(jù)庫共享版本BUAA-SID-share1.0包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容,最后給出兩種識別算法在共享數(shù)據(jù)庫上的測試結(jié)果。

2 BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫的建立方法

BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫基于空間目標(biāo)三維模型,利用3ds Max軟件渲染生成空間目標(biāo)全視點仿真圖像序列,共包含56顆衛(wèi)星的三維模型及其仿真圖像。BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫分為三維模型庫和仿真圖像庫兩個子庫:三維模型庫包含56顆衛(wèi)星的三維模型,保存格式為max(3ds Max場景文件);仿真圖像庫包含25 760幅仿真圖像,分辨率320×240像素,每顆衛(wèi)星460幅,其中230幅為全視點24位彩色圖像,另外230幅為相應(yīng)的二值圖像。

2.1 空間目標(biāo)三維模型建立

由于空間目標(biāo)的特殊性,很難獲取其真實外觀信息,公開可見的衛(wèi)星圖片幾乎全部是仿真圖片。因此,建立空間目標(biāo)三維模型是生成空間目標(biāo)可見光仿真圖像的必要前提,是構(gòu)建空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。建立三維模型子庫所需的空間目標(biāo)三維模型是通過以下兩種途徑獲取的。

1)直接使用CAD(Computer Aided Design)軟件建模。3dsMax是Autodesk公司的一款綜合動畫、三維建模和三維渲染功能的軟件。通過查找有關(guān)空間目標(biāo)的幾何參數(shù)和公開的仿真圖片,使用3ds Max軟件繪制衛(wèi)星的幾何模型,應(yīng)用紋理貼圖技術(shù)進一步豐富三維模型的紋理信息,建立較為逼真的衛(wèi)星模型,建模效果如圖1所示。

2)利用相關(guān)軟件提供的三維模型。STK(Satellite Tool Kit)是美國Analytical Graphics公司的一款航天任務(wù)分析軟件,功能強大,包含可視化工具,具有較多衛(wèi)星三維模型。Starry Night是加拿大Simulation Curriculum公司的一款天文仿真軟件,可以演示星空運動、觀測天體,包含一定數(shù)目的空間目標(biāo)三維模型。STK的模型經(jīng)過轉(zhuǎn)換后可以導(dǎo)入3ds Max場景中進行仿真,轉(zhuǎn)換方法參考文獻[18]。Starry Night的模型為3DS格式,直接可以導(dǎo)入3ds Max。圖2和圖3顯示了這兩個軟件提供的三維模型效果。

圖1 自建模型效果圖

圖2 STK模型效果圖

圖3 Starry Night模型效果圖

通過直接建模和利用已有模型,共有56顆不同種類、不同形態(tài)、不同功能的衛(wèi)星模型被收錄到BUAASID1.0三維模型子庫,為后續(xù)仿真成像奠定了基礎(chǔ)。

2.2 仿真圖像生成

在三維模型庫的基礎(chǔ)上,借助3dsMax強大的渲染輸出功能,對庫中三維模型進行成像仿真,流程如圖4所示。

圖4 成像仿真流程圖

仿真圖像庫中圖像生成的幾個關(guān)鍵步驟具體如下。

1)攝像機參數(shù)設(shè)置。空間目標(biāo)天基可見光成像探測中,目標(biāo)距離觀測相機一般較遠,且觀測距離遠遠大于目標(biāo)尺寸,為簡單起見,仿真時采用正交投影的成像模式。添加自由攝像機,鏡頭對準衛(wèi)星模型,視野設(shè)置為45°,保證兩者z軸方向一致,使得初始狀態(tài)下攝像機視圖中模型位于像面中心且全部可見。

2)光源參數(shù)設(shè)置。考慮空間環(huán)境中太陽光近似為平行光,故在攝像機初始位置后方添加自由平行光光源,無衰減,燈光顏色為白色,強度倍增系數(shù)0.906,調(diào)整該系數(shù)可以得到不同亮度的仿真圖像。

3)相對位置調(diào)整。攝像機、光源與模型三者之間相對位置變化引起視點變化和光照變化,為得到模型全視點仿真圖像,將光源與攝像機綁定,保持相對位置不變,模型不動,將攝像機在以模型中心為球心的球面上移動。為清楚描述視點位置變化,借用地理學(xué)中經(jīng)緯度的表示方法,規(guī)定攝像機的初始位置經(jīng)緯度均為零,沿0°至±90°緯線圈采樣,得到230個采樣視點,如圖5所示。視點位置與仿真圖像對應(yīng)關(guān)系見表1。

圖5 攝像機視點分布圖

表1 仿真圖像視點信息表

4)渲染輸出。設(shè)置輸出圖像分辨率為320×240像素,圖像屬性設(shè)置為24位像素,勾選Alpha(四通道圖像的透明度分量)分割選項。與彩色圖像二值化結(jié)果不同,Alpha分割圖將模型本體可見部分全部輸出到像面上,且邊緣存在漸變,經(jīng)過二值化后作為與彩色圖像對應(yīng)的二值化圖像,很好地保存了目標(biāo)的輪廓信息,如圖6。

圖6 二值化效果對比

3 空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫共享版內(nèi)容介紹

由于BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫是針對項目研究需求而建立的,其內(nèi)容不宜完全公開。為了便于國內(nèi)外空間目標(biāo)識別領(lǐng)域的研究者使用BUAA-SID1.0空間目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫,在科學(xué)研究的前提下分享本文的工作成果,建立并發(fā)布該數(shù)據(jù)庫的共享版本(BUAA-SID-share1.0)成為一種有效手段。BUAASID-share1.0共享數(shù)據(jù)庫不含空間目標(biāo)三維模型,只選取BUAA-SID1.0中具有代表性的20顆衛(wèi)星,發(fā)布其9 200幅仿真圖像,每顆衛(wèi)星460幅,涵蓋全部230個采樣視點。BUAA-SID1.0中20顆衛(wèi)星的24位彩色圖像數(shù)據(jù)量超過1Gbyte,對其進行灰度變換可以在保留圖像主要外形特征的基礎(chǔ)上大大減少存儲空間。因此,共享版數(shù)據(jù)庫包含的仿真圖像為原庫中彩色圖像變換后的8位灰度圖及相應(yīng)的二值圖,分辨率為320×240像素,圖像文件格式為Windows bmp位圖。整個BUAA-SID-share1.0共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量約為683Mbyte左右,壓縮為zip格式后約為31.5Mbyte,方便數(shù)據(jù)庫的發(fā)布和共享。BUAA-SID-share1.0中的圖像示例如圖7所示。

圖7 BUAA-SID-share1.0圖像示例

4 BUAA-SID-share1.0的基本測評情況

4.1 測評算法介紹

4.1.1 不變矩方法

HU在1962年首次提出不變矩的概念[19],給出了具有平移不變性、旋轉(zhuǎn)不變性和比例不變性的7個不變矩的表達式,并對兩幅字母二值圖像進行了識別實驗。之后又有許多不變矩相繼被提出,如FLUSSER等人提出的仿射不變矩[20]。文獻[21]將不變矩用于空間目標(biāo)識別,給出了選取不同不變矩得到的識別結(jié)果。為了測試BUAA-SID-share1.0,選取HU的7個經(jīng)典不變矩作為特征值,采用最近鄰方法對4 600幅二值圖像進行識別實驗,其中每一類衛(wèi)星的230幅圖像一半作為訓(xùn)練集,另一半作為測試集。

4.1.2 BFM方法

邊界片段模板(Boundary Fragment Model,BFM)是OPELZ等人提出的一種目標(biāo)檢測模型[22],文獻[23]將其應(yīng)用于空間有形目標(biāo)識別,對具有復(fù)雜邊緣的空間有形目標(biāo)取得了較好的識別效果。采用文獻[23]所述方法對BUAA-SID-share1.0中的4 600幅灰度圖像進行識別實驗,其中每一類衛(wèi)星的230幅圖像一半作為訓(xùn)練集,另一半作為測試集。

4.2 測評結(jié)果及分析

上述兩種測評算法對BUAA-SID-share1.0數(shù)據(jù)庫中20類衛(wèi)星的識別結(jié)果如圖8所示,衛(wèi)星類別編號見表2。

表2 BUAA-SID-share1.0衛(wèi)星列表

圖8 兩種測評算法在BUAA-SID-share1.0上的識別結(jié)果

測評結(jié)果顯示:不變矩方法平均正確識別率為77.3%,其中編號為8和10的兩類衛(wèi)星的識別率達到了100%,而編號為13的一類識別率不到45%,編號為12和20的兩類識別率也低于60%;BFM方法平均正確識別率為90.7%,其中僅有編號為14的一類識別率低于80%,其余正確識別率都在84%以上。編號為4、8、10的三類衛(wèi)星的BFM方法的正確識別率略低于不變矩方法,在其他類別衛(wèi)星上BFM方法識別效果明顯優(yōu)于不變矩方法。從測評結(jié)果來看,這兩種算法在空間目標(biāo)識別中都是有效的,相比而言BFM方法識別效果更好。本文的測評中,訓(xùn)練樣本和測試樣本均在同一類衛(wèi)星的數(shù)據(jù)庫中選取,使得單類目標(biāo)正確識別率普遍較高,但仍有一些目標(biāo)的識別效果不理想,如果測試集從整個圖像數(shù)據(jù)庫中選取,正確識別率還將會降低。所以,空間目標(biāo)識別技術(shù)還有待進一步研究。

5 總結(jié)與展望

本文針對空間目標(biāo)可見光成像探測的應(yīng)用背景,克服了空間目標(biāo)幾何參數(shù)和實際成像效果難以真實獲得的難點,建立了包含豐富幾何信息的空間目標(biāo)三維模型庫和全視點仿真圖像庫,填補了空間有形目標(biāo)識別領(lǐng)域研究數(shù)據(jù)源的空白,為空間目標(biāo)分類和識別技術(shù)研究提供了強大的仿真數(shù)據(jù)支持。在共享版數(shù)據(jù)庫BUAA-SID-share1.0上的測試結(jié)果表明,該數(shù)據(jù)庫具備較強應(yīng)用價值,為圖像識別算法在空間目標(biāo)識別領(lǐng)域的應(yīng)用效果評價創(chuàng)造了基本條件。

客觀來看,BUAA-SID1.0空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫還有待進一步完善,比如數(shù)據(jù)庫中包含的衛(wèi)星數(shù)量相對于目前在軌衛(wèi)星數(shù)量還顯得遠遠不足,數(shù)據(jù)庫中仿真圖像的真實度還有待提升,還應(yīng)考慮星空、地球等背景因素。BUAA-SID空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫后續(xù)版本將重點在以下方面開展工作:

1)增加三維模型子庫收錄的衛(wèi)星模型數(shù)量,使數(shù)據(jù)庫更豐富;

2)進一步研究空間目標(biāo)成像特性,提高仿真圖像真實度;

3)考慮光照變化、噪聲影響及運動模糊等因素,建立相應(yīng)的仿真圖像子庫,為算法測試提供更完善的平臺;

4)建立空間目標(biāo)仿真視頻庫,更好地為目標(biāo)探測、跟蹤等空間監(jiān)視技術(shù)研究服務(wù)。

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