空地導(dǎo)彈制導(dǎo)圖象去噪方法探究

秦樹海, 佟惠軍, 高 崇, 饒 敏

(空軍航空大學(xué)軍械工程系,吉林長春130022)

0 引言

空對地電視制導(dǎo)導(dǎo)彈在攻擊地面目標(biāo)的末段彈道上,電視攝像管不斷的攝下目標(biāo)及其周圍的景物圖像,通過電視發(fā)射機(jī)發(fā)射給制導(dǎo)站。操縱員從電視接收機(jī)的熒光屏上可以看到目標(biāo)及其周圍的景象,從而可以更直觀的操縱導(dǎo)彈,使其準(zhǔn)確的命中目標(biāo)。但防守方往往會利用通信干擾技術(shù)對制導(dǎo)圖像的傳輸進(jìn)行干擾,以達(dá)到降低導(dǎo)彈攻擊效率的目的。

接收機(jī)接收到的信號經(jīng)濾波后,仍然存在大量噪聲信號,在圖像上產(chǎn)生噪聲點。當(dāng)信噪比小于1時,人眼將無法識別圖像中的目標(biāo),使導(dǎo)彈失去制導(dǎo)功能,從而降低了導(dǎo)彈的效能。

本文在不改變現(xiàn)有裝備硬件前提下,通過圖像處理對圖像進(jìn)行最大限度的恢復(fù),圖像恢復(fù)原則不是把噪聲完全濾除,而是使人眼能夠從背景中識別出需用目標(biāo)。

1 維納濾波

頻域維納濾波公式如下

Sn(u,v)和Sf(u,v)在實際中很難求得,因此可以用一個比值k代替兩者之比,從而得到簡化的維納濾波公式[1]:

維納濾波是一種綜合考慮了退化函數(shù)和噪聲統(tǒng)計特征兩個方面進(jìn)行恢復(fù)處理的方法,它建立在認(rèn)為圖像和噪聲是隨機(jī)過程的基礎(chǔ)上,而目標(biāo)是找一個未污染圖像 f的估計值，使它們的均方誤差最小。在實際運用中,退化函數(shù)H(u,v)很難準(zhǔn)確的給出,這里認(rèn)為它是隨機(jī)的。

仿真實驗在電視制導(dǎo)導(dǎo)彈末段彈道仿真實驗平臺上進(jìn)行[2],得到濾波前后圖像,如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 原制導(dǎo)圖像

圖4 信噪比1∶1干擾圖像

圖5 信噪比1∶1維納濾波后圖像

圖6 信噪比1∶2維納濾波后圖像

通過比較可得維納濾波得到的結(jié)果不能令人滿意,這是因為[3]:

a)維納濾波假設(shè)是線性系統(tǒng),但實際上圖像的記錄和評價圖像的人視覺系統(tǒng)往往都是非線性的;

b)維納濾波是根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則設(shè)計的最佳濾波器,這個準(zhǔn)則不見得與人類視覺判斷準(zhǔn)則相符合,均方誤差(MSE)準(zhǔn)則對所有的誤差,不管其處在圖像中的位置如何,都賦以同樣的權(quán)值,而人眼對暗處和高梯度區(qū)域的誤差具有較大的容忍性,由于使均方誤差最小化,維納濾波以一種并非最適合人眼的方式對圖像進(jìn)行了平滑;

c)維納濾波基于平穩(wěn)隨機(jī)過程模型,但實際存在的圖像并不一定都符合這個模型,大多數(shù)圖像都是高度非平穩(wěn)的,而且它只利用了圖像的協(xié)方差信息,可能還有大量的有用信息沒有充分利用。

2 郵戳法

2.1 制導(dǎo)圖像靜噪基本原理

根據(jù)攻擊過程中的實際情況,可以認(rèn)為

式(3)中E(f)可用E(g)近似,但噪聲n的統(tǒng)計量卻是必不可少的,因此需要在原圖像未知條件下通過事先約定郵戳來估計噪聲分布函數(shù),進(jìn)而按局部統(tǒng)計法濾波去除噪聲。

2.2 使用郵戳的圖像噪聲估計的原理和原則

郵戳就是在圖像中選定相對次要的位置,按事先約定放置通信收發(fā)雙方都已知的局部圖像[f]k×l。[f]k×l是 f的一部分接收到受干擾圖像為g,顯然有如下關(guān)系:

式(4)中:[g]k×l是g的一部分,它恰好是郵戳被干擾后的圖像。于是得到噪聲局部信息[n]k×l,根據(jù)[n]k×l估計噪聲n。

設(shè)n中任意元素n(k,l),對于不是[n]k1×l1(1)、[n]k2×l2(2)、[n]k3×l3(3)、[n]k4×l4(4)中的元素n(i,j)運用二維插值得到。

原則上,郵戳可以設(shè)計成任意圖案。為更好提取噪聲部分分量,可采用白電平圖案、特殊遞歸花紋圖案、黑白間隔圖案,這樣使得計算機(jī)易生成;郵戳圖案與隨機(jī)分布噪聲相關(guān)系數(shù)應(yīng)小于規(guī)定閾值;郵戳分布最適宜的地方是圖像的4個角,大小約為圖像面積的5%為宜;郵戳個數(shù)根據(jù)具體情況而定,本文采用四角郵戳。

基于郵戳的抗干擾程序的啟動時機(jī)在戰(zhàn)斗過程中,當(dāng)沒有受敵方干擾時,考慮時間開銷和后續(xù)圖像處理的實時性要求,一般不必啟動基于郵戳的抗干擾程序。

在受到敵方干擾時,為提高復(fù)雜電磁環(huán)境下空地圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊效能,必須自動啟動基于郵戳的抗干擾程序。啟動時機(jī)通過郵戳位置圖像與郵戳圖像某一特征統(tǒng)計量比值k來把握。特征統(tǒng)計量要根據(jù)郵戳圖案選擇。

當(dāng)k＜K0時,啟動基于郵戳的抗干擾程序。閾值K0按Newmen-Pearson準(zhǔn)則選取[5]。

2.3 仿真結(jié)果

仿真實驗在電視制導(dǎo)導(dǎo)彈末段彈道仿真實驗平臺上進(jìn)行[3]。郵戳選取128×128點白電平形狀,四角分布,畫面選取576×576點,單個郵戳占畫面5%。

為討論郵戳面積對靜噪效果,采用64×64點白電平形狀郵戳作對比。啟動時機(jī)控制量k取灰度直方圖統(tǒng)計量,K 0取0.345。仿真單幅片段結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 信噪比為1∶1的干擾圖像(郵戳為5%)

圖8 信噪比為1∶1時靜噪圖像(郵戳為5%)

圖9 信噪比為1∶2干擾圖像(郵戳為5%)

圖10 信噪比為1∶2時靜噪圖像(郵戳為5%)

圖11 信噪比為1∶1時靜噪圖像(郵戳為1.2%)

3 結(jié)論

通過仿真實驗,比較這兩種圖像恢復(fù)方法不難看出,使用郵戳的圖像噪聲估計比維納濾波方法要優(yōu)越很多,使用郵戳的圖像噪聲估計方法去除噪聲點有很好效果,增加了人眼識別目標(biāo)的幾率,從而在不改變現(xiàn)有硬件前提下提升了空地圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈的攻擊效能。

對于使用郵戳的圖像噪聲估計在使用時應(yīng)注意以下幾個問題:

a)郵戳紋理不宜太復(fù)雜,復(fù)雜的郵戳圖案會增加計算時間開銷;

b)本方法由于具有多余的時間開銷,在導(dǎo)彈攻擊圖像制導(dǎo)連續(xù)圖像處理過程中會產(chǎn)生延遲,需增加目標(biāo)相對運動預(yù)測以彌補(bǔ)延遲對制導(dǎo)造成的影響;

c)該方法適合分辨率為256*256以上;d)郵戳大小以5%為宜。

[1] 周玉,彭召意.運動模糊圖像的維納濾波復(fù)原研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(19):181-183.

[2] 佟惠軍.電視制導(dǎo)導(dǎo)彈末端彈道仿真實驗平臺設(shè)計[J].航空學(xué)會青年論壇,2008.

[3] M.M.Sondhi.Image Restoration:The Removal of Spatially Invariant Degradations[J].Proc.IEEE,1972,60(7):842-853.

[4] 陳書海,等.實用數(shù)字圖像處理[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[5] 張?zhí)煨?成像自動目標(biāo)識別[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2005.