基于平均絕對差分的光譜成像偽裝干擾效果評估

高 衛(wèi)，孫 鵬，孫奕帆，黨東妮

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基于平均絕對差分的光譜成像偽裝干擾效果評估

高 衛(wèi)，孫 鵬，孫奕帆，黨東妮

( 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094 )

為了探索研究利用寬波段偽裝對光譜成像設(shè)備實現(xiàn)有效干擾的可行性，并定量、客觀評估光譜成像偽裝干擾效果，利用一種超光譜成像儀和一種寬波段偽裝網(wǎng)進行了光譜成像偽裝干擾試驗，并利用平均絕對差分對光譜成像偽裝干擾效果進行了定量分析和評估。結(jié)果表明，寬波段偽裝網(wǎng)在超光譜成像儀各譜段均有一定的偽裝干擾效果，偽裝干擾效果的顯著程度因偽裝前的目標特性、偽裝網(wǎng)層數(shù)以及譜段的不同而不同；利用平均絕對差分準則可以將偽裝干擾效果的顯著程度定量化，并排除了主觀因素，使對光譜成像偽裝干擾效果的評估更加精確，因此是一種適用于光譜成像干擾效果評估的定量、客觀準則。

光譜成像；光電對抗；偽裝；干擾效果評估；平均絕對差分

0 引 言

近年來，光譜成像技術(shù)在航空航天遙感、資源勘查、軍事偵察等領(lǐng)域的應用日益廣泛，其中，在軍事偵察等領(lǐng)域的應用對國家安全帶來了威脅[1-5]。在此情況下，找到針對來自空中、空間的光譜成像偵察威脅的有效對抗手段和措施，以保護高價值目標不被探測，就成為電子對抗與防護技術(shù)發(fā)展的當務之急。在各種常規(guī)的光電對抗手段和措施中，偽裝材料和偽裝網(wǎng)是比較廉價高效的。對于光譜成像設(shè)備，由于通常工作在比較寬的波段范圍內(nèi)，要想取得比較好的偽裝干擾效果，就需要有寬波段的偽裝材料和偽裝網(wǎng)，這樣才能對各個工作譜段都形成有效干擾。寬波段偽裝材料和偽裝網(wǎng)技術(shù)近年來已經(jīng)取得較大進展[6-10]，這為光譜成像偵察對抗提供了十分廉價高效的手段，有望在光譜成像偵察對抗技術(shù)上取得突破。為了探索研究利用寬波段偽裝對光譜成像設(shè)備實現(xiàn)有效干擾的可行性并定量、客觀評估光譜成像偽裝干擾效果，我們利用一種超光譜成像儀和一種寬波段偽裝網(wǎng)進行了光譜成像偽裝干擾試驗，并利用平均絕對差分準則對光譜成像偽裝干擾效果進行了定量分析和評估。

1 偽裝干擾試驗

光譜成像偽裝干擾試驗的主要設(shè)備包括作為干擾手段的偽裝網(wǎng)、作為干擾對象的超光譜成像儀、作為超光譜成像儀觀測對象以及被偽裝防護對象的合作目標。合作目標分別采用了白色、銀灰色兩種顏色的小轎車，停放在包含有草地、樹木、水泥小路等典型地物的背景中。偽裝網(wǎng)采用了一種寬波段迷彩偽裝網(wǎng)，在可見光波段的光譜反射曲線接近于同色背景地物，使用時覆蓋在合作目標外部以偽裝目標，如圖1所示。超光譜成像儀如圖2所示，由光譜分光成像系統(tǒng)、CCD探測器、掃描轉(zhuǎn)臺、控制與處理系統(tǒng)等部分組成。其中，CCD探測器為1 024×1 024面陣探測器，垂直方向為空間維，探測來自物方垂直方向一個條帶場景的輻射，水平方向為光譜維，探測經(jīng)光譜分光系統(tǒng)分光后不同譜段的輻射。該設(shè)備在水平方向上的成像方式為推掃式，由控制與處理系統(tǒng)控制掃描轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，帶動光譜分光成像系統(tǒng)完成對物方場景的水平方向掃描。分光系統(tǒng)采用基于凸面光柵的修正Offner分光成像系統(tǒng)[11]，將入射的400 nm~780 nm可見光波段輻射分為1 024個光譜波段，依次編號為1~1 024，光譜波段編號與其中心波長的關(guān)系近似為

圖1 利用偽裝網(wǎng)對合作目標進行偽裝

圖2 超光譜成像儀

試驗布局如圖3所示，超光譜成像儀安裝在建筑物二樓露臺上，合作目標布設(shè)在地面距離超光譜成像儀約100 m處。試驗時，將超光譜成像儀視場中心瞄準合作目標。首先，合作目標不加偽裝，控制超光譜成像儀在水平方向上對包含合作目標在內(nèi)的地面場景進行推掃成像，獲得相應光譜圖像數(shù)據(jù)。然后，將偽裝網(wǎng)罩在合作目標上，控制超光譜成像儀對同一場景進行推掃成像，獲得有偽裝時的光譜圖像數(shù)據(jù)。在秋季不同時間，對于同樣背景下白、銀灰兩種顏色的合作目標，采用單層、雙層偽裝網(wǎng)，分別進行了偽裝干擾試驗。

圖3 偽裝干擾試驗布局示意圖

偽裝干擾試驗的典型結(jié)果如圖4~圖6所示。其中，圖4和圖5分別為同一天對白色目標和銀灰色目標的試驗結(jié)果，圖6為另一天對白色目標的試驗結(jié)果，各圖中(a)、(b)、(c)分別為同一目標在無偽裝、用單層偽裝網(wǎng)偽裝、用雙層偽裝網(wǎng)偽裝三種情況下超光譜成像儀對同一場景掃描成像測量結(jié)果，圖示為480譜段，對應中心波長為578 nm。為便于引用，將與圖4、圖5、圖6對應的試驗分別稱為偽裝干擾試驗Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

圖4 偽裝干擾試驗Ⅰ測量結(jié)果

圖5 偽裝干擾試驗Ⅱ測量結(jié)果

圖6 偽裝干擾試驗Ⅲ測量結(jié)果

通過目視光譜圖像，可以定性判別偽裝效果。從圖4所示試驗Ⅰ的測量結(jié)果看，對白色目標實施單層偽裝后，目標與背景之間的灰度對比度顯著減小，目標邊緣及紋理已難以鑒別，目標與背景之間的相互融合非常明顯，如果沒有先驗信息(以及目標旁邊固定放置的標準漫反射板)，對目標的發(fā)現(xiàn)和識別已經(jīng)比較困難，偽裝干擾在480譜段取得顯著效果。對白色目標實施雙層偽裝后，目標紋理則完全不可見，目標已經(jīng)完全融合在背景之中無法鑒別，與單層偽裝相比，偽裝干擾效果進一步改進。其他各譜段的偽裝干擾效果與480譜段情況相似。

根據(jù)圖5所示試驗Ⅱ?qū)︺y灰色目標的測量結(jié)果，無偽裝時銀灰色目標與背景之間的灰度對比度要比白色目標情形低得多；在對目標實施單層偽裝后，可以看出目標與背景之間的灰度對比度進一步減小，但因為偽裝前目標與背景之間的灰度對比度已經(jīng)很低，偽裝后灰度對比度的下降程度就不如白色目標情形那么顯著，而目標上除去個別部位如車尾燈由于反射陽光尚可見外，其余部分紋理及邊緣已不可見，目標與背景之間的相互融合明顯；在對目標實施雙層偽裝后，目標與背景之間的灰度對比度相比單層偽裝情形的變化通過目視已不能鑒別，而目標紋理及邊緣則已完全不可見。

如圖6所示，在試驗Ⅲ中，由于超光譜成像儀增益相比試驗Ⅰ有所提高，所以目標及背景亮度整體上有所提高，相應地，無偽裝時目標與背景之間的灰度對比度相比試驗Ⅰ要高一些；實施單層偽裝后，目標與背景之間由于灰度對比度大幅下降而顯著融合，但目標紋理尚可辨認；實施雙層偽裝后，目標紋理及邊緣已完全不可見，目標完全融合在背景之中，偽裝干擾效果十分顯著，相比單層偽裝又有明顯改進。

2 平均絕對差分準則

上述通過目視光譜圖像只能定性或粗略判斷光譜成像偽裝干擾效果，其優(yōu)點是簡單、直觀，但難以精確鑒別干擾效果的細微差別且存在主觀因素，因此還需要進一步定量、客觀分析評估偽裝干擾效果。為實現(xiàn)定量評估，需要確定相應的干擾效果評估準則[12]。干擾效果評估準則具體解決的問題是如何量化不同程度的干擾效果，其關(guān)鍵是要確定合適的干擾效果評估指標，即用于衡量、表征干擾效果顯著程度的指標。在評估干擾效果時，需要從被干擾對象的角度出發(fā)，以電子干擾作用前后被干擾對象與干擾效應相關(guān)，或會受干擾影響的關(guān)鍵性能或指標的變化為依據(jù)，來確定干擾效果評估指標和評估準則。

對于光譜成像設(shè)備，其基本功能是獲取地物目標的光譜圖像數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)鑒別地物目標特性。對光譜成像設(shè)備實施偽裝等光電干擾，就是要阻止設(shè)備準確獲取地物目標的光譜圖像數(shù)據(jù)，進而不能準確鑒別地物目標特性或使其鑒別能力下降。因此，在評估光譜成像干擾效果時，重點需要關(guān)注干擾對光譜成像設(shè)備準確獲取地物目標光譜圖像數(shù)據(jù)、進而鑒別地物目標特性的能力及其相應特征指標的影響，具體來講，就是通過對比分析實施干擾前后光譜成像設(shè)備獲取地物目標光譜圖像數(shù)據(jù)的變化程度來評估干擾效果。

對光譜成像設(shè)備獲得的光譜圖像數(shù)據(jù)進行單純的圖像特性變化分析時，與傳統(tǒng)的光電成像設(shè)備是類似的，不同的是還需要考慮圖像特性變化與光譜波段的關(guān)系，即不同譜段圖像特性變化的差別。對光電成像設(shè)備實施光電干擾的目的主要是，通過改變目標及其背景的某些光電特征，影響操作人員對目標的觀察效果，進而影響到對目標的準確鑒別。傳統(tǒng)上，可以利用目標鑒別等級準則、目標鑒別概率準則、作用距離準則或相似度準則定量評估對光電成像設(shè)備的干擾效果[13]。但是對于光譜成像設(shè)備，由于成像譜段多，不同譜段的干擾效果一般也不同，要通過對少則幾十、多則幾百的成像譜段一一進行目標鑒別等級、目標鑒別概率、作用距離的分析以評估各譜段干擾效果，顯然是費時費力不可行的。而相似度準則依據(jù)干擾前后圖像之間信息相似程度度量指標的數(shù)值大小定量評估干擾效果，操作簡便，則可以考慮推廣應用于光譜成像干擾效果的定量評估。

在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中，常用平均絕對差分、相關(guān)函數(shù)等指標度量圖像之間信息相似程度，這里考慮平均絕對差分指標(Mean Absolute Difference, MAD)[14-16]。設(shè)f和g分別為兩幅圖像中第行、第列像元的灰度值(=1,…,；=1,…,；和分別為圖像像元的行數(shù)和列數(shù))，則兩幅圖像之間的平均絕對差分M可表示為

式中：M值越大，則說明兩幅圖像f和g之間的差別越大，即失配度越大，相似度越小；反之，M值越小，則兩幅圖像之間的差別越小，即失配度越小，相似度越大。因此，M值的大小實際上反映了兩幅圖像之間信息失配或不相似程度的大小，有時也稱為圖像失配度。

當沒有干擾因素對光電成像設(shè)備圖像造成任何影響時，則按式(2)，M值等于零為最小值。當對光電成像設(shè)備實施干擾時，通常會改變目標或其背景的某些光電特征。例如在實施偽裝干擾時，為使目標隱沒在背景中不被發(fā)現(xiàn)和識別，會設(shè)法減小或淡化目標與背景之間光電特征的差別，這樣必然導致干擾前后圖像出現(xiàn)差別，使得兩者之間的M值大于零。干擾效果越顯著，干擾前后圖像之間的差別就越大，反映圖像之間信息差別大小的M值也就越大。這樣，M值可從干擾前后圖像之間信息差異大小的角度反映干擾對圖像的影響，從而可用于定量評估干擾效果，相應的干擾效果評估準則即為平均絕對差分準則。

3 偽裝干擾效果的平均絕對差分分析

根據(jù)式(2)的定義，基于超光譜成像儀偽裝干擾試驗結(jié)果，在超光譜成像儀的各成像光譜波段處，分別計算了無偽裝/單層偽裝光譜圖像之間的M值，無偽裝/雙層偽裝光譜圖像之間的M值，此時式中f和g分別為偽裝前后兩幅圖像中對應像元的灰度值。

與圖4所示偽裝干擾試驗Ⅰ相應的白色目標的計算結(jié)果如圖7所示，其中橫坐標為光譜波段編號，范圍1~1 024，對應波長范圍400 nm ~780 nm，兩者轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1)所示；實線為無偽裝/單層偽裝譜圖之間的M值，虛線為無偽裝/雙層偽裝譜圖之間的M值。

圖7 試驗Ⅰ平均絕對差分DM 值計算結(jié)果

由圖7可見，由于對目標進行偽裝明顯改變了圖像中的信息，在可見光波段范圍內(nèi)的所有譜段都產(chǎn)生了不為零的M值。在利用單層偽裝網(wǎng)或雙層偽裝網(wǎng)對目標進行偽裝后，M值隨譜段不同會有較大差別，在中波部分較大，對于單層偽裝最高達到7.6，雙層偽裝最高達到9.2(510譜段附近)，短波和長波部分則較小，最小約0.3(1 024譜段附近)。從M值表征圖像之間信息差別的角度看，對于不同譜段，偽裝前后圖像之間的信息差別會有較大變化，其中，中波譜段偽裝前后圖像之間信息差別較大，短波和長波譜段偽裝前后圖像之間信息差別則較小。通過對比不同譜段的圖像，發(fā)現(xiàn)不同譜段圖像中目標亮度、背景亮度以及目標與背景之間的對比度有較大差別，圖4~圖6給出的均為亮度和對比度較強的480譜段圖像，而對于200以下、800以上譜段圖像，亮度和對比度都要弱很多，這是不同譜段偽裝前后圖像之間的平均絕對差分以及偽裝干擾效果存在較大差異的主要原因之一。與單層偽裝相比，實施雙層偽裝后，在各譜段處M值均有所增大，在中波譜段增大最顯著，達到1.6(510譜段附近)，體現(xiàn)出偽裝干擾效果進一步改進。

圖8中比較了利用單層偽裝網(wǎng)分別偽裝白色目標(實線)和銀灰色目標(點劃線)時得到的M值。由圖可見，相比白色目標，銀灰色目標偽裝后在各譜段處M值均明顯減小，減小最顯著的譜段在中波部分的400 nm ~800 nm譜段范圍內(nèi)，減小幅度最大達到約2.5。這與上述通過目視譜圖判斷得到的銀灰色目標偽裝干擾效果弱于白色目標的結(jié)論是一致的。

圖8 試驗Ⅰ、Ⅱ平均絕對差分DM 值對比

圖9給出與圖6所示偽裝干擾試驗Ⅲ相應的白色目標M值的計算結(jié)果。與圖7對比，DM值整體上有顯著增大(與目標及背景亮度整體上提高相關(guān))，但M值隨譜段的變化特性類似。相比單層偽裝，實施雙層偽裝后在各譜段處M值都有比較明顯的增大，這與上述通過目視各譜段圖像得到的雙層偽裝干擾效果明顯優(yōu)于單層偽裝干擾效果的直觀判斷是一致的。

圖9 試驗Ⅲ平均絕對差分DM 值計算結(jié)果

需要說明的是，在計算M值時，選取的圖像場景范圍對計算結(jié)果有很大影響。圖10給出分別從全圖場景和部分場景計算得到的M值的比較，其中實線為與試驗Ⅰ中全圖場景對應的M值，虛線為與圖11所示方框范圍內(nèi)場景對應的M值。如圖11所示，所選部分場景范圍約為全景范圍的一半，避開了標準漫反射板和運動器械等物體，目標約占到所選范圍的1/3~1/4。由圖10可見，部分場景的M值計算結(jié)果顯著大于全圖。這也是容易理解的，因為M計算的是對應像元灰度差在所選圖像范圍內(nèi)的平均值，而圖像信息變化的有效范圍只是在被偽裝的目標范圍內(nèi)，其他區(qū)域則幾乎沒有變化，范圍減小后M自然要增大。有鑒于此，在利用平均絕對差分準則評估干擾效果時，需要明確一定的場景范圍，在同樣的或相近的場景范圍內(nèi)分析比較不同的干擾效果。

圖10 試驗Ⅰ全景和部分場景DM 值對比

圖11 試驗Ⅰ部分場景范圍選擇示意圖

4 結(jié) 論

綜上所述，利用一種超光譜成像儀和一種寬波段偽裝網(wǎng)進行了光譜成像偽裝干擾試驗，基于實施干擾前后各譜段光譜圖像數(shù)據(jù)的變化，應用平均絕對差分準則對光譜成像偽裝干擾效果進行了定量分析和評估。結(jié)果表明，所用寬波段偽裝網(wǎng)在超光譜成像儀的各個工作譜段均有一定的偽裝干擾效果，使得通過各譜段圖像不能鑒別目標或鑒別困難，偽裝干擾效果的顯著程度因偽裝前的目標特性、偽裝網(wǎng)層數(shù)以及譜段的不同而不同；不同于通過目視譜圖判別干擾效果的主觀、定性評估方法，利用平均絕對差分M值可以將實施偽裝前后光譜圖像的變化幅度或偽裝干擾效果的顯著程度定量化，并排除了主觀因素，使對光譜成像偽裝干擾效果的評估更加精確，可鑒別光譜成像偽裝干擾效果的細微差別，同時利用平均絕對差分準則對光譜成像偽裝干擾效果的評估結(jié)果符合通過目視譜圖的直觀判別結(jié)果，因此也是可信的，可以作為光譜成像干擾效果的一種定量、客觀評估準則。

最后需要補充說明的是，在對具體目標進行偽裝時，影響最終偽裝效果的因素除了偽裝本身，偽裝前的目標特性、背景特性以及目標與背景之間的對比度等也是不可忽視的因素。因此，為全面評估偽裝效果，還應考慮目標本身特性、背景特性對偽裝效果的影響，并對偽裝后目標與背景的融合程度進行評估。此問題主要涉及在偽裝后的同一幅圖像中如何定量表征目標區(qū)與背景區(qū)像元的灰度差別，具體表征指標尚有待深入研究。在綜合考慮上述各種因素后，如何定量比較、評估相同偽裝、不同目標特性和背景特性下的偽裝效果，或目標與背景的融合程度，是后續(xù)需要進一步探討研究的問題。

致謝：特別感謝陳宇恒、周建康二位同志以及沈為民教授的熱忱幫助。

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Evaluation of Camouflage Jamming Effect on Spectral Imaging Based on Mean Absolute Difference

GAO Wei，SUN Peng，SUN Yifan，DANG Dongni

( Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China )

To investigate and evaluate the jamming effect of broad-band camouflage on spectral imaging devices, camouflage jamming tests were carried out with a hyperspectral imager and a kind of broad-band camouflage net. The camouflage jamming effect on the hyperspectral imager was analyzed and evaluated quantitatively by using the mean absolute difference. The results show that the broad-band camouflage net has certain jamming effect on the hyperspectral imager at all the spectral bands, and the markedness of camouflage jamming effect varies with the target characteristics before being camouflaged, camouflage net layers and the spectral band. By using the mean-absolute-difference rule, camouflage jamming effect on spectral imaging could be evaluated quantitatively and impersonally, which makes the evaluation results more accurate. So the mean-absolute-difference rule could be used as a quantitative and impersonal rule for evaluating the jamming effect on spectral imaging.

spectral imaging; electro-optical countermeasure; camouflage; evaluation of jamming effect; mean absolute difference

TP75；TN97

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.001

試驗技術(shù)研究重點項目(BZ-000-1-1102)

高衛(wèi)(1970-)，男(漢族)，陜西榆林人。研究員，博士，主要研究方向為光電對抗試驗評估、光學工程。E-mail:wchengao@sina.com

2015-08-20；

2015-12-03