基于RGB色彩模式的彩色煙幕遮蔽效果測量方法

柴國慶,李武周,周 哲

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 光電對(duì)抗測試評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

引言

煙幕遮蔽干擾是以改變光電信號(hào)的傳輸介質(zhì)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電觀瞄、制導(dǎo)等設(shè)備進(jìn)行干擾的一種無源對(duì)抗方式[1]。煙幕作為一種主動(dòng)式無源干擾器材，具有速度快、易實(shí)施、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但不足是受氣象因素影響明顯。煙幕一般而言是用于對(duì)抗重要軍事威脅的最后防御手段，按照防御系統(tǒng)層次劃分，煙幕的作用距離約為4 km～7 km。煙幕遮蔽效果因發(fā)煙器材和防御方式存在差異。根據(jù)煙幕作戰(zhàn)使用方式，可分為噴撒、爆炸和噴射等煙幕；根據(jù)煙幕成煙材料，可分為化學(xué)合成、高溫燃燒和粉塵等煙幕；根據(jù)煙幕防護(hù)地域環(huán)境，可分為白色、黑/白組合和彩色等煙幕。目前，國內(nèi)外關(guān)于煙幕遮蔽干擾測量方法已開展了大量的研究，主要有煙幕采樣分析法、數(shù)值推算模擬法、煙霧實(shí)驗(yàn)箱分析法和煙幕衰減率數(shù)據(jù)陣列法等，不同的測量方法用于不同的測量對(duì)象和環(huán)境。本文針對(duì)地面煙幕罐噴射彩色煙幕遮蔽干擾的特點(diǎn)，提出一種基于RGB色彩模式的彩色煙幕遮蔽效果的測量方法。

1 噴射式彩色煙幕的遮蔽原理

根據(jù)對(duì)抗防護(hù)需要、地形特點(diǎn)和氣象條件等因素，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)地面煙幕罐布設(shè)位置和噴射方向，地面煙幕罐通過其內(nèi)外大氣壓力差的相互作用，噴射形成具有大面積遮蔽干擾效果的彩色粉塵煙幕。一是煙幕對(duì)目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度產(chǎn)生吸收、反射和散射等衰減作用，降低目標(biāo)與周圍背景的對(duì)比度，消減光學(xué)探測和目標(biāo)反射的信號(hào)傳輸能力；二是彩色煙幕遮蔽目標(biāo)后能夠消除目標(biāo)的光學(xué)特征，使目標(biāo)圖像被有效遮蔽而不能分辨，使偵察設(shè)備難以從偵察區(qū)域背景中發(fā)現(xiàn)和識(shí)別預(yù)定目標(biāo)。

2 RGB色彩模式的顏色空間模型

三基色原理：選取3種基色(紅、綠、藍(lán))，按不同的比例進(jìn)行合成，可以產(chǎn)生豐富的顏色，合成彩色光的亮度由3個(gè)基色的亮度之和決定，色度由三基色分量的比例決定[2-4]。國際照明委員會(huì)(CIE)推薦使用波長分別為700 nm(紅)、546.1 nm(綠)、435.8 nm(藍(lán))的光譜色為三基色，并用(R)、(G)、(B)表示。每一種顏色按其亮度的不同分為256個(gè)等級(jí)。當(dāng)三基色重疊時(shí)，由不同的混色比例能產(chǎn)生各種中間色，所以，RGB模式常用于視頻和多媒體設(shè)計(jì)。RGB顏色空間[5-9]是用一個(gè)單位長度的立方體表示顏色，黑藍(lán)綠青紅紫黃白8種常見顏色分別為立方體的8個(gè)頂點(diǎn)，如圖1所示。

RGB顏色空間模型圖中各參數(shù)的取值范圍為0～255，紅綠藍(lán)分量組合83×83×83=16 777 216種不同的顏色。數(shù)碼圖像處理設(shè)備的顏色系統(tǒng)就是采用RGB色彩模式，可顯示任何采集物體的彩色圖像。

圖1 RGB顏色空間模型圖Fig.1 RGB color space model diagram

3 采用RGB色彩模式評(píng)估彩色煙幕遮蔽性能的方法

3.1 采用RGB色彩模式評(píng)估彩色煙幕色度

通過查閱資料，目前尚無對(duì)彩色煙幕色度進(jìn)行測量的方法，針對(duì)彩色煙幕的遮蔽效果使目標(biāo)光學(xué)特征消減這一特點(diǎn)，提出按照主觀判斷和客觀測量相結(jié)合的方法評(píng)估彩色煙幕色度。

主觀判斷法：用高清數(shù)碼攝像機(jī)拍攝彩色煙幕的視頻，4名視力、色覺正常的人員獨(dú)立觀察煙幕視頻，對(duì)煙幕顏色作出主觀判斷。

客觀測量法：用高清數(shù)碼照相機(jī)拍攝彩色煙幕的照片，編寫MATLAB程序，采集彩色煙幕數(shù)碼照片彩色煙幕區(qū)域中各像素點(diǎn)的RGB色彩模式數(shù)據(jù)，一組RGB色彩模式數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)唯一的彩色煙幕色度。采集數(shù)碼照片中像素點(diǎn)RGB數(shù)據(jù)的MATLAB程序如下：

img=imread([pathname filename]);

imshow(img)

圖2 彩色數(shù)碼照片像素點(diǎn)的RGB色彩模式值Fig.2 RGB color mode of color digital photos point

如圖2所示，統(tǒng)計(jì)煙幕遮蔽區(qū)域內(nèi)各像素點(diǎn)出現(xiàn)概率較大的RGB色彩模式數(shù)據(jù)值，用于定量表示彩色煙幕的色度。目前，通過主觀判斷和客觀測量相結(jié)合的方法提高了彩色煙幕色度的評(píng)估措施。

3.2 煙幕形成時(shí)間的測量方法

煙幕設(shè)備的形成時(shí)間是指接到成煙指令至形成規(guī)定有效遮蔽煙幕面積的時(shí)間。一般情況下根據(jù)被保護(hù)目標(biāo)地域的綜合情況，選擇設(shè)計(jì)配置煙幕設(shè)備的煙幕形成方式、成煙材料和煙幕顏色等。

煙幕彈爆炸后在短時(shí)間內(nèi)形成以爆點(diǎn)為中心近似球體狀的煙幕，此時(shí)在距離爆點(diǎn)中心處煙幕濃度大、距中心越遠(yuǎn)煙幕濃度越小，在爆炸初期的煙幕有效遮蔽面積受大氣條件的影響較小。而地面煙幕罐噴射初期時(shí)形成多個(gè)近似柱狀的彩色粉塵煙幕，此時(shí)在內(nèi)外壓力作用下噴射的煙幕濃度很高，形成有效遮蔽面積的擴(kuò)散效果會(huì)受煙幕罐噴射動(dòng)力和大氣條件的影響。

不同煙幕設(shè)備的工作方式對(duì)煙幕形成時(shí)間測量的要求和方法也存在差異。

1) 衰減率數(shù)據(jù)矩陣插值法

目前對(duì)煙幕形成時(shí)間的野外測量方法是依據(jù)GJB6092.1-2007[10]的主要方法：在各采樣時(shí)刻紅外成像設(shè)備分別測量錄取多個(gè)紅外源陣列點(diǎn)的衰減率數(shù)據(jù)，按紅外成像設(shè)備的焦平面陣列插值，得到焦平面陣列所有像元對(duì)應(yīng)的衰減率數(shù)據(jù)矩陣，如圖3和圖4所示，Apq代表紅外源陣列遮蔽率數(shù)據(jù)，X代表插值計(jì)算得出的衰減率數(shù)據(jù)；將各采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的衰減率數(shù)據(jù)與規(guī)定的衰減率閾值進(jìn)行比對(duì)，衰減率大于閾值的像元為有效遮蔽像元，取值為1，反之為0。

圖3 衰減率數(shù)據(jù)矩陣插值示意圖Fig.3 Diagram of attenuation rate data matrix interpolation

圖4 衰減率數(shù)據(jù)矩陣與閾值比對(duì)示意圖Fig.4 Diagram of attenuation data matrix compared with threshold value

統(tǒng)計(jì)各采樣時(shí)刻衰減率數(shù)據(jù)矩陣為1的像元個(gè)數(shù)ni、像元面積s、煙幕與測量設(shè)備距離L、紅外成像設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)焦距f、第i個(gè)采樣時(shí)刻煙幕有效遮蔽面積Si，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)物、像投影關(guān)系得：

(1)

上述方法主要用于測量煙幕彈爆炸后在短時(shí)間內(nèi)形成以爆點(diǎn)為中心近似球狀煙幕的形成時(shí)間，因?yàn)闊熌粡棻ǔ跗诘那驙顭熌荒軌蚋采w較多紅外源，采集的煙幕衰減率值滿足數(shù)據(jù)采集處理需要。但是采用該方法測量地面煙幕罐噴射煙幕的形成時(shí)間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因?yàn)榈孛鏌熌还迖娚錈熌怀跗谛纬啥鄠€(gè)柱狀彩色煙幕，如圖5所示，若某個(gè)柱狀煙幕形成在2列紅外源之間，測試有效煙幕遮蔽面積變小、形成時(shí)間變大；若某個(gè)柱狀煙幕正好將一列紅外源遮蔽，測試有效煙幕遮蔽面積變大、形成時(shí)間變?。唤y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明該方法用于測量噴射煙幕形成時(shí)間時(shí)測量誤差約為30%～50%。

圖5 彩色煙幕噴射初期遮蔽示意圖Fig.5 Color smokescreen obscured diagram in early jet

2) 彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣法

地面煙幕罐噴射初期時(shí)形成的彩色煙幕濃度很大，衰減率接近100%，彩色煙幕與地面背景區(qū)域的圖像界限涇渭分明，可以采用RGB色彩模式測量彩色煙幕形成時(shí)間。主要方法是：各采樣時(shí)刻連續(xù)拍攝彩色煙幕數(shù)碼照片，采集各像素點(diǎn)的RGB色彩模式數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)碼照片中彩色煙幕及附近區(qū)域所有像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RGB數(shù)據(jù)矩陣，如圖6和圖7所示，將各采樣時(shí)刻的彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣與規(guī)定背景彩色色度進(jìn)行比對(duì)，彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)的彩色色度滿足規(guī)定色度的像素點(diǎn)為有效像素點(diǎn)，取值為1，反之為0。采集彩色數(shù)碼照片中任意像素點(diǎn)RGB數(shù)據(jù)矩陣的MATLAB程序如下：

img=imread([pathname filename]);

h=imshow(img);

[X,Y,I,rect] = imcrop(h)

圖6 彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣示意圖Fig.6 Diagram of color smokescreen RGB data matrix

圖7 彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣與規(guī)定背景比對(duì)示意圖Fig.7 Diagram of color smokescreen RGB data matrix compared with provided background

統(tǒng)計(jì)各采樣時(shí)刻RGB數(shù)據(jù)矩陣有效遮蔽像素點(diǎn)個(gè)數(shù)n，采用公式(1)計(jì)算不同采樣時(shí)刻的彩色煙幕有效遮蔽面積，得出從接到指令至形成規(guī)定有效遮蔽煙幕面積時(shí)間即為形成時(shí)間。

采用RGB數(shù)據(jù)矩陣法測量噴射煙幕遮蔽面積的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

煙幕在逐漸形成過程中，由于煙幕濃度高、衰減率大，其有效遮蔽面積逐漸增大，對(duì)預(yù)定區(qū)域的遮蔽效果明顯，產(chǎn)生的煙幕能夠遮蔽區(qū)域內(nèi)目標(biāo)和背景的主要光電輻射特性，干擾光電觀瞄和精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的威脅，從而達(dá)到防護(hù)遮蔽的效果。

圖8 噴射初期的有效煙幕遮蔽面積Fig.8 Effective smokescreen shield area in early jet

圖9 噴射形成規(guī)定的有效煙幕遮蔽面積Fig.9 Prescribed effective smokescreen shield area formed by jet

采用彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣法成功測量彩色煙幕形成時(shí)間，重點(diǎn)在于數(shù)碼照相機(jī)的像素?cái)?shù)明顯多于紅外成像設(shè)備像元數(shù)，采樣的有效數(shù)據(jù)量大。解決了由煙幕的形狀及形成方式、紅外源陣列的數(shù)量及布設(shè)方式等因素引起的系統(tǒng)誤差，經(jīng)分析該方法對(duì)噴射煙幕形成時(shí)間的測量精度提高到了90%以上。所以采用RGB數(shù)據(jù)矩陣法測量彩色煙幕形成時(shí)間具有測量精度高、便于數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

彩色煙幕隨著時(shí)間和氣象條件的變化從無到有、持續(xù)擴(kuò)散，形成有效遮蔽煙幕，保護(hù)重要目標(biāo)免于精確制導(dǎo)武器的攻擊。但是彩色煙幕的遮蔽效果受條件影響因素較多，所以能夠準(zhǔn)確評(píng)估彩色煙幕的性能具有重要意義，本文采用RGB色彩模式的彩色煙幕遮蔽效果測量方法，可用于解決評(píng)估彩色煙幕遮蔽效果中的煙幕色度和煙幕形成時(shí)間難題，具有高精度和高適用性。

[1] Gao Wei，He Wei.Evaluation rules of smokescreen jamming effectiveness on electro-optical observation and aiming devices[J].Acta Photonica Sinica，2007，36(sup ):270-273.

高衛(wèi)，賀偉.煙幕對(duì)光電觀瞄設(shè)備干擾效果的評(píng)估準(zhǔn)則[J].光子學(xué)報(bào)，2007，36(sup):270-273.

[2] Sun Min，Su Xianyu.Technology of double randon phase encode data hidden in RGB images[J].Acta Photonica Sinica，2008，37(2):320-324.

孫敏，蘇顯瑜.基于RGB圖像傳輸?shù)碾p隨機(jī)相位加密隱藏技術(shù)[J].光子學(xué)報(bào)，2008，37(2):320-324.

[3] Wu Qiang，Wang Xinsai，Wang Weiping，et al.Infraresd imaging colorizing method based on local linear embedding[J].Journal of Applied Optics，2012，33(4):733-737.

吳強(qiáng)，王新賽，王衛(wèi)平，等.基于LLE的紅外成像彩色化處理算法研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33(4):733-737.

[4] Yang Zhenya，Wang Yong，Yang Zhendong，et al.A new color difference formula in RGB color space[J]. Journal of Computer Applications，2009，29(2):465-467.

楊振亞，王勇，楊振東，等. 一種新的RGB色差度量公式[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29(2)：465-467.

[5] Yang Jun，Zhao Zhongming.Shadow processing method based on normalized RGB color model[J].Opto-Electronic Engineering，2007，33(12):92-96.

楊俊，趙忠明.基于歸一化RGB色彩模型的陰影處理方法[J].光電工程，2007，34(12):92-96.

[6] Xie Zhiyong，Zhang Teizhong.A new method of segmentation of strawberry image[J].Journal of China Agricultural University，2006，11(1):84-86.

謝志勇，張鐵中.基于RGB色彩模型的草莓圖像色調(diào)分割算法[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11(1):84-86.

[7] Han Xiaowei. Study on key technologies of color image processing[M]. Shenyang: Northeastern University Press,2005:24-37.

韓曉微.彩色圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2005：24-37.

[8] Yang Jing，Zhu Lei.Color image segmentation method based on RGB color spac[J]. Computer and Modernization,2010(8):147-149.

楊璟，朱雷.基于RGB顏色空間的彩色圖像分割方法[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2010(8)：147-149.

[9] Zhou Yu，Zhang Jie，Li Changxi，et al.Imagery processing method of gas flame examination based on RGB model [J]. Instrument Technique and Sensor, 2010(11):85-90.

周昱，張杰，李昌禧，等.基于RGB模型的燃?xì)饣鹧鏅z測的圖像處理方法[J]. 儀表技術(shù)與傳感器儀表技術(shù)與傳感器，2010(11)：85-90.

[10] Wang Yunping，F(xiàn)ang Dongqi，Dang Dongni，et al. Test method of range for ground electro-optical passive jamming equipment GJB 6092.1-2007[S]. Bjing:The GeneralArmaments Deparment Published the Distribution Department，2007.

王云萍，范東啟，黨冬妮，等.地面光電無源干擾設(shè)備試驗(yàn)場試驗(yàn)方法GJB6092.1-2007 [S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2007.