數(shù)碼迷彩空間混色程度的表征方法研究

初苗，田少輝，喻鈞，胡志毅

（1.西安工業(yè)大學藝術與傳媒學院，陜西西安710032；2.總后勤部建筑工程研究所，陜西西安710032；3.西安工業(yè)大學計算機科學與工程學院，陜西西安710032）

數(shù)碼迷彩空間混色程度的表征方法研究

初苗1，田少輝2，喻鈞3，胡志毅2

（1.西安工業(yè)大學藝術與傳媒學院，陜西西安710032；2.總后勤部建筑工程研究所，陜西西安710032；3.西安工業(yè)大學計算機科學與工程學院，陜西西安710032）

數(shù)碼迷彩是利用計算機技術對目標背景迷彩斑點化，以便于自動化設計、施工作業(yè)的一種迷彩形式。這種新迷彩圖案將不同顏色的馬賽克按照一定規(guī)律排列組合，打破了傳統(tǒng)迷彩的平滑邊緣，從隱蔽性上來講，數(shù)碼迷彩比傳統(tǒng)迷彩效果要更好。空間混色是數(shù)碼迷彩效果區(qū)別于其他迷彩形式的主要特征之一，同時也是數(shù)碼迷彩設計質量提高的一個關鍵途徑，而目前國內外對于空間混色應用于數(shù)碼迷彩設計的相關資料較少，研究也很不充分，不能對數(shù)碼迷彩設計研究提供足夠的支撐。從數(shù)碼迷彩的空間混色過程進行分析，提出了空間混色系數(shù)這一參數(shù)，用來表征數(shù)碼迷彩的空間混色程度，并用實驗驗證了該表征方法的有效性和可行性，為后續(xù)的數(shù)碼迷彩設計方法研究提供理論參考。

兵器科學與技術；數(shù)碼迷彩；空間混色；混色程度表征

0 引言

空間混色是數(shù)碼迷彩效果優(yōu)于其他迷彩形式的一個重要原因，同時也是數(shù)碼迷彩設計質量提高的一個關鍵途徑，具有重要的研究價值和意義［1］。

然而，目前國內外對于數(shù)碼迷彩空間混色的相關資料較少，研究也很不充分，不能對數(shù)碼迷彩設計研究提供足夠的支撐，因此有必要對數(shù)碼迷彩的空間混色過程進行深入研究，尤其需要對其混色程度進行定量的表征，但是目前還沒有太多相關空間混色程度的表征方法和參數(shù)，這就造成空間混色規(guī)律研究的困難［2-3］。

針對這種情況，依據數(shù)碼迷彩的研究需要，本文介紹了數(shù)碼迷彩的空間混色原理；從數(shù)碼迷彩的空間混色過程進行分析，提出了空間混色系數(shù)這一參數(shù)，用來表征數(shù)碼迷彩的空間混色程度，揭示了空間混色程度與顏色特性及混色距離之間的關系；通過實驗數(shù)據驗證了本文提出的數(shù)碼迷彩空間混色程度表征的有效性和可行性，為后續(xù)的數(shù)碼迷彩設計方法研究提供理論參考。

1 數(shù)碼迷彩空間混色原理

人眼的視角大致處在0.000 297～0.000 125 rad范圍內，如果小于這個范圍，人就不能迅速地辨別出顏色點，就算看到，也會非常模糊［4-5］?？臻g混色示意圖如圖1所示，圖1中觀察距離為d，兩個馬賽克顏色點中心到人眼所形成的視角為θ.

圖1 空間混色示意圖Fig.1 Spatial color mixture

數(shù)碼迷彩的空間混色不是顏色的直接混合，而是由于眼睛的生理機能限制而產生的一種視錯覺［6］。由于組成數(shù)碼迷彩圖案的馬賽克是一個個面積很小的單色方塊，在一定距離下觀察使得馬賽克對人眼的夾角小于人眼的視覺分辨角，人們無法識別其單獨的顏色而造成空間混色，形成不同顏色的馬賽克相互滲透的效果。正是這種效果使得數(shù)碼迷彩圖案能夠更好地模擬背景的顏色和紋理特征，從而達到與背景融合的目的［7-9］。

混色的效果與觀察距離及顏色特性有關，一般來說，觀察距離愈遠，參與空間混色的顏色愈相近，數(shù)碼迷彩的混色效果愈明顯。數(shù)碼迷彩中并置、顏色相近的馬賽克在較遠距離觀察時會通過空間混色呈現(xiàn)出大小不一、形狀不規(guī)則的斑點，數(shù)碼迷彩中分布的顏色差異明顯的馬賽克通過空間混色呈現(xiàn)出模糊、破碎的過渡邊緣，這些都使得觀察者很難從周圍背景環(huán)境中提取“特異”的目標區(qū)域。如圖2所示，圖2（a）為荒漠迷彩的實驗樣板圖案，該實驗樣板的尺寸為0.9 m×1.2 m，馬賽克尺寸為3 cm×3 cm，圖2（b）為該實驗樣板在65 m觀察距離下的混色效果。

圖2 數(shù)碼迷彩的空間混色效果圖Fig.2 Spatial color mixture diagram of digital camouflage

2 空間混色程度的表征方法

從混色的過程分析，數(shù)碼迷彩空間混色經歷了完全不混色、部分混色以及完全混色等不同階段。其中，完全不混色和完全混色是指理論上的兩種極端情況，對于空間混色的研究來說，部分混色階段是研究的主要對象，需要對其混色程度進行定量的表征，但是目前相關空間混色程度表征方法和參數(shù)的研究資料較為匱乏，且研究也不充分。

2.1 空間混色程度分析

數(shù)碼迷彩的空間混色可以認為是由觀察的空間距離而引起的。一般來說，迷彩圖像的空間混色程度會隨著觀察距離的增大而逐步增大。當觀察距離較近時，圖像細節(jié)保留完整，完全不混色；當觀察距離趨于無窮遠時，圖像細節(jié)完全消失，可以認為是圖像完全混色；當觀察距離介于二者之間時，圖像處于部分混色階段，觀察距離不同，混色程度也有所不同。

為了驗證這一情況，采用樣板尺寸為0.6 m× 0.6 m、馬賽克尺寸為5 cm×5 cm的數(shù)碼迷彩圖案，分別在距離為1 m、50 m、80 m、110 m和400 m的情況下觀察，得到不同空間混色程度的圖像，如圖3所示。本次實驗拍攝相機為CANON EOS 40D，鏡頭型號為EF 24～70 mm f 2.8 USM，固定焦距40 mm.

圖3 實驗樣板的空間混色程度示意圖Fig.3 Spatial color mixture of an experimental sample

圖3中，1 m距離觀察下的圖像可以認為是完全不混色，400 m距離觀察下的圖像可以認為是完全混色，而在50 m、80 m、110 m距離觀察下的圖像則屬于部分混色情況，在研究過程中需要對部分混色圖像的空間混色程度予以定量的表征。

2.2 空間混色程度表征方法

從數(shù)碼迷彩空間混色過程來看，數(shù)碼迷彩圖像經歷了完全不混色到混色程度逐步增大的過程，圖像的顏色斑點會隨著混色程度的增大而模糊和均勻化，其完全的混色效果是圖像顏色趨于一致。本文從圖像顏色變化的角度入手，用圖像混色前、后各像素點顏色與該圖像平均顏色的平均色差的比值來表征數(shù)碼迷彩圖案的空間混色程度，并將其稱為空間混色系數(shù)。

顏色模型（Lab）是基于人對顏色的感覺，Lab中的數(shù)值描述正常視力的人能夠看到的所有顏色，因此本文選擇Lab顏色模型進行研究。設任意數(shù)碼迷彩圖案混色前圖像P0（圖像P0不能為純色圖像）和混色后圖像P1，圖像P0和P1分別由n0個像素點和n1個像素點構成。圖像P0中任一像素點的顏色為（Li，ai，bi），圖像P1中任一像素點的顏色為（Lj，aj，bj），則有:

圖像P0的平均色為

圖像P1的平均色為

根據色差公式［10-11］

則混色前圖像P0任意像素點顏色（Li，ai，bi）與平均色的色差為

混色后圖像P1任意像素點顏色（Lj，aj，bj）與其平均色的色差ΔEjP1為

那么，混色前圖像P0中各像素點顏色與其平均色的平均色差記為，

混色后圖像P1中各像素點顏色與其平均色的平均色差記為，

由（6）式和（7）式，可得空間混色系數(shù)為

本文提出空間混色系數(shù)δ來表征數(shù)碼迷彩的空間混色程度。在數(shù)碼迷彩圖案不是單一顏色的條件下，根據混色的過程和特點進行分析:混色后圖像要小于混色前圖像，且隨混色程度的增加逐漸變小，在完全混色狀態(tài)下為最小值0，在完全不混色狀態(tài)下為最大值因此，可以推斷，空間混色系數(shù)δ值介于0與1之間，混色程度越大、δ數(shù)值越小，其中0代表理論上的完全混色，1代表理論上的完全不混色。

3 實驗驗證

3.1 實驗目的

通過實驗分析空間混色系數(shù)與觀察距離之間的變化關系，判斷其是否隨著觀察距離的增大而減小，從而驗證空間混色系數(shù)表征數(shù)碼迷彩空間混色程度的可行性。

3.2 實驗方案

本次實驗選用3張實驗樣圖，并制成實驗樣板，如圖4～圖6所示。采用由近及遠的拍攝方式，拍攝在不同距離下數(shù)碼迷彩圖案的空間混色效果，記錄拍攝距離，并根據數(shù)碼迷彩圖案對空間混色圖像進行分組。在每組圖像中，依據（8）式計算每張混色圖像的空間混色系數(shù)，分析其與拍攝距離之間的關系。

圖5 實驗樣板2Fig.5 Experimental sample 2

圖6 實驗樣板3Fig.6 Experimental sample 3

實驗用樣板尺寸為1.0 m×1.0 m，數(shù)碼迷彩馬賽克尺寸為3 cm×3 cm的正方形，實驗拍攝相機為CANON EOS 40D，鏡頭型號為EF 24～70 mm f 2.8 USM，固定焦距40 mm.具體實驗步驟如下:

1）制作實驗樣板；

2）選擇光線良好的天氣，固定實驗樣板，使其與地面和數(shù)碼相機光軸互相垂直；

3）由近及遠拍攝每張數(shù)碼迷彩圖案的空間混色效果，并記錄拍攝距離d；

4）將拍攝的實驗樣板圖案從場景中截取出來，獲得不同距離下的空間混色圖像并分組；

5）在每組圖像中，依據（8）式計算每張混色圖像的空間混色系數(shù)，并分析其與拍攝距離之間的關系。

3.3 實驗數(shù)據分析

各樣板圖案在不同距離下的空間混色情況如圖7～圖9所示。

圖7 實驗樣板1的混色效果Fig.7 Spatial color mixture of experimental sample 1

圖8 實驗樣板2的混色效果Fig.8 Spatial color mixture of experimental sample 2

3.3.1 樣板1各圖像空間混色系數(shù)計算

依據（1）式～（8）式可得，實驗樣板1混色前圖像（如圖4所示），則圖7中各圖像的空間混色系數(shù)δ的計算結果見表1.

圖9 實驗樣板3的混色效果Fig.9 Spatial color mixture of experimental sample 3

表1 實驗樣板1的空間混色系數(shù)δ計算結果Tab.1 Spatial-color-mixture ratio δ of experimental sample 1

3.3.2 樣板2各圖像空間混色系數(shù)計算

實驗樣板2混色前圖像（如圖5所示），則圖8中各圖像的空間混色系數(shù)δ的計算結果見表2.

表2 實驗樣板2的空間混色系數(shù)δ計算結果Tab.2 Spatial-color-mixture ratio δ of experimental sample 2

3.3.3 樣板3各圖像空間混色系數(shù)δ計算:

實驗樣板3混色前圖像（如圖6所示），則圖9中各圖像的空間混色系數(shù)δ的計算結果見表3。

表3 實驗樣板3的空間混色系數(shù)δ計算結果Tab.3 Spatial-color-mixture ratio δ of experimental sample 3

3組樣板混色效果圖像的空間混色系數(shù)與觀察距離之間的曲線圖，如圖10所示。由圖10可見，隨著觀察距離的增大，空間混色系數(shù)迅速減小，且不同數(shù)碼迷彩圖案空間混色系數(shù)減小的速度也有所不同。實驗樣板2的空間混色系數(shù)減小的速度最快，實驗樣板3的空間混色速度減小的速度最慢，這表明隨著距離的增大，不同數(shù)碼迷彩圖案的空間混色程度的變化速度是不同的。

3.4 實驗結論

1）通過實驗，驗證了空間混色系數(shù)表征數(shù)碼迷彩圖案（純色圖像除外）的空間混色程度是可行的，且空間混色系數(shù)δ∈（0，1），數(shù)值越小，表示空間混色程度越大；

2）觀察距離對混色程度影響較大，且觀察距離越遠，混色程度越大；

3）不同的圖像在相同距離下的混色程度也可能不同，這表明圖像自身的一些參數(shù)也可能對空間混色效果造成影響。

圖10 實驗樣板1、2、3的空間混色系數(shù)曲線圖Fig.10 Spatial-color-mixture ratios δ of experimental samples 1，2 and 3

4 總結

應用空間混色雖然會增加數(shù)碼迷彩設計與實施的復雜程度，但是同時也會顯著提高迷彩自身的偽裝效果，因此，空間混色是數(shù)碼迷彩設計過程中必須考慮的因素之一。針對現(xiàn)階段對數(shù)碼迷彩空間混色效果的研究，只有定性的分析，而沒有量化描述和表征方法的情況，提出使用圖像混色前、后中各像素點顏色與該圖像平均顏色的平均色差的比值來描述數(shù)碼迷彩圖案的空間混色程度（本文稱其為空間混色系數(shù)），并用實驗驗證了該表征方法的可行性。這是對數(shù)碼迷彩空間混色研究理論體系的補充。

（References）

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An Approach of Characterizing the Degree of Spatial Color Mixture

CHU Miao1，TIAN Shao-hui2，YU Jun3，HU Zhi-yi2
（1.Art and Media School，Xi'an Technological University，Xi'an 710032，Shaanxi，China；2.Chinese People's Liberation Army Construction Engineering Research Institute，Xi'an 710032，Shaanxi，China；3.School of Computer Science and Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710032，Shaanxi，China）

The digital camouflage technology is a new form of camouflage technology，which is convenient for automated design and construction.It converts the backgrounds of targets to mosaic pictures by means of computer technology.The new camouflage pattern arranges the mosaic blocks with different colors on a camouflage surface according to certain rules，which breaks down the smoothed edges of traditional camouflage pattern.The digital camouflage technology has more remarkable camouflage effect compared with traditional technology.Spatial color mixture is one of the main features of digital camouflage distinguishing from other forms，and is also a key approach to improve disguise effect for digital camouflage.However，the spatial color mixture research on digital camouflage is relatively lack at home and abroad，and cannot provide enough support for the research on digital camouflage design.An effective parameter，spatial-color-mixture ratio，is proposed to characterize the degree of spatial color mixture through the analysis of spatial color mixture progress of digital camouflage.The characterization method was proved to be fea-sible and effective in practice，which could provide theoretical support for the subsequent work of digital camouflage design.

ordnance science and technology；digital camouflage；spatial color mixture；color mixture characterization

TP391.41

A

1000-1093（2016）07-1306-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.07.020

2015-08-17

陜西省工業(yè)科技攻關項目（2015GY059）；西安工業(yè)大學校長科研基金項目（XAGDXJJ1332）

初苗（1982—），女，講師。E-mail:chumm95ww@163.com