電視制導導彈目標圖像處理改進研究

何景峰++冀敏+李盛+肖儒亮

摘 要： 在使用電視制導導彈對目標的攻擊過程中，對目標圖像的分割處理直接影響到攻擊效果。因此，選擇一種合適的圖像分割方法，確保目標圖像處理質(zhì)量高、速度快、實時性好，顯得尤其重要。將遺傳算法的快速尋優(yōu)原理和類間方差法的優(yōu)點結合起來對類間方差法進行改進，并在模擬平臺上進行仿真。仿真結果表明，改進后的類間方差法處理效果好且計算速度快，該算法是有效的。

關鍵詞： 圖像分割處理； 電視制導導彈； 類間方差法； 遺傳算法

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0040?03

Improvement and research on target image processing for TV?guided missile

HE Jingfeng， JI Min， LI Sheng， XIAO Ruliang

（College of Control Engineering， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract： In the attack process of TV?guided missile against a target， the segmentation processing of the target image affects on the attack effect directly. Therefore， it is particularly important to select a suitable image segmentation method to ensure the high?quality and fast?speed target image processing with perfect real?time performance. A method combining the advantages of the fast optimization principle of the genetic algorithm and the Otsu method is proposed to improve the Otsu method. The method was simulated on the simulation platform. The simulation results show that the improved Otsu method has perfect processing effect and fast computation speed.

Keywords： image segmentation processing； TV?guided missile； Otsu； genetic algorithm

0 引 言

電視制導是利用電視來控制和導引導彈飛向目標的技術。電視制導系統(tǒng)由電視攝像機、自動駕駛儀、電視發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、圖像信息處理系統(tǒng)、跟蹤伺服系統(tǒng)等組成。電視制導有兩種方式：一種是電視指令制導，這種方式是安裝在導引頭上的攝像機捕捉目標圖像進行處理后，發(fā)送給操作人員，由操作人員根據(jù)捕捉到的圖像信號選取攻擊目標，用無線指令控制導引頭對目標進行攻擊。另一種是電視尋的制導，這種方式是將攝像機所捕捉的圖像信號處理后，直接發(fā)送給制導裝置，引導導彈攻擊目標。電視制導導彈具有靈活機動、反應迅速，不受地域影響的特點，在空對地攻擊中得到廣泛使用。電視制導導彈導引頭對目標的實時截獲跟蹤能力主要取決于彈載計算機對目標圖像分割質(zhì)量和解算識別的速度。然而彈載計算機對圖像的解算速度主要由兩個因素決定：一是計算機系統(tǒng)自身的計算速度；二是對目標圖像的分割算法。因此，為了在空戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢，有必要針對彈載計算機對目標圖像的分割算法進行研究。

1 圖像分割研究現(xiàn)狀

目前圖像分割的方法很多，常用的分割方法有邊緣檢測型、區(qū)域跟蹤型和門限型三類[1]。門限型具有簡單有效、計算簡單、速度快等特點，是圖像處理中首選的一種方法。為了研究電視制導導彈圖像分割算法，本文將遺傳算法并行搜索和全局尋優(yōu)的優(yōu)點應用到門限型圖像分割質(zhì)量好的類間方差法（Otsu）中。結合兩者的優(yōu)點對Otsu進行改進，改進尋求最優(yōu)門限值的速度，切實提高圖像分割效率。

2 Otsu的改進

2.1 門限型圖像分割法原理

設電視制導導彈導引頭捕獲的圖像的灰度級范圍為作為一門限值，為一對二值灰度，且門限的設置可由圖像得到一幅二值圖像即：

2.3 Otsu的改進過程

由于電視制導導彈導引頭拍攝的圖像中目標所占的比例很小，目標的灰度信息不足以影響整幅圖像中的灰度信息。如果要將目標信息從背景圖像中區(qū)分開，當目標圖像在整幅圖像中占據(jù)一定比例時，可以使用Otsu進行圖像處理，使用Otsu法進行圖像處理，需要一個最優(yōu)的門限值確保類間方差函數(shù)的值最大。圖像分割質(zhì)量的好壞和圖像處理的速度直接取決于門限值的選擇是否最優(yōu)。在電視制導導彈中，既要得到清晰的圖像處理結果又要考慮實時性問題，畢竟這兩個指標都關乎著對目標的跟蹤攻擊效果。因此，對最優(yōu)門限值的算法選擇很重要，傳統(tǒng)的尋優(yōu)方法步驟多，運算量大，考慮到遺傳算法可以在全局范圍內(nèi)搜索且自動篩選門限值，大大縮短了時間。為了同時兼顧以上指標，在Otsu算法中引入遺傳算法中的尋優(yōu)原理，確定最佳搜索空間，尋找最優(yōu)門限值

遺傳算法是由美國的J.Holland教授于1975年首先提出[4]，它是通過對目標空間進行隨機搜索的一種全局搜索算法。這種算法的基本思想是模擬自然選擇和遺傳學理論，依據(jù)適者生存的原理。遺傳算法也是計算機科學人工智能領域中用于解決最優(yōu)化的一種搜索啟發(fā)式算法，是進化算法的一種[5]。

Otsu算法的解算就是選擇最優(yōu)門限值，使目標灰度和背景灰度的方差值最大，實現(xiàn)背景圖像和目標圖像的切割，但是該方法對計算機的速度影響大?？紤]到遺傳算法可以在全局中進行搜索，對門限值進行智能化篩選，因此將遺傳算法的搜索原理引入類間方差法，從而達到對Otsu算法的改進，既滿足了圖像分割效果，同時也縮短了圖像處理時間，以滿足電視制導導彈彈載計算機計算速度的要求。

在遺傳算法的基礎上改進Otsu圖像分割的步驟如下：

第一步：確定決策變量及其各種約束條件，即確定出個體的表現(xiàn)型和問題的解空間[6]。決策變量是要求的最優(yōu)門限值因為電視制導導彈捕捉到的圖像灰度值范圍為0～255，因此，最優(yōu)門限值為該范圍內(nèi)的整型值。

第二步：確定適應度函數(shù)。類間方差法中背景圖像與目標圖像間的方差比例與分割的準確度成正比。適應度函數(shù)值越大，說明圖像的前景和背景的差別就越大，分割效果越好[7]。故可采用圖像對應的類間方差計算公式實現(xiàn)適應度函數(shù)的設定[8]。適應度函數(shù)為：

（12）

第三步：選擇操作。選擇操作采用比例選擇算子。

第四步：交叉操作。選擇概率為0.8的單點交叉算子。

第五步：變異操作。選擇概率為0.008的均勻變異算子。

第六步：設定運行參數(shù)和結束條件。運算中兼顧圖像分割效果和圖像處理速度，入口數(shù)和進化代數(shù)分別設定為10，20。代數(shù)上限被設定為結束條件，到達代數(shù)上限則停止運算。

在遺傳算法的基礎上改進的Otsu算法流程圖如圖1所示。

3 仿真結果分析

為了驗證遺傳算法對Otsu法的改進效果，在電視制導導彈地面模擬訓練平臺上使用改進的類間方差法進行圖像處理實驗。圖2，圖3分別是拍攝的原始圖像和改進Otsu類間方差法分割的目標圖像。

從圖2，圖3的圖像分割對比圖中可以看出，應用改進的Otsu法處理后，分割效果好，目標特征清晰，改進的類間方差法的處理結果既滿足電視制導導彈跟蹤目標對圖像分解的需要，同時也兼顧了彈載計算機對圖像處理速度的要求。

4 結 論

本文對Otsu算法進行改進，以上仿真結果表明，結合遺傳算法改進的Otsu法應用在電視制導導彈中進行圖像處理，速度快、圖像清晰、分割效果好、實時性好，改善了電視制導導彈對目標識別、跟蹤精度的要求，為電視制導導彈的研究提供了一種很好的方法。

參考文獻

[1] 周明，孫樹棟.遺傳算法原理及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 侯格賢.遺傳算法及其在跟蹤系統(tǒng)中的應用研究[D].西安：西安電子科技大學，1998.

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[5] 譚小紅.細長桿多腔模注塑成型工藝多因素多目標集成優(yōu)化[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2013.

[6] 楊麗.基于Ridgelet冗余字典和遺傳進化的壓縮感知重構[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[7] 王群峰，徐迎暉.結合改進遺傳算法與局部閾值法的指紋圖像分割[J].自動化與信息工程，2015，36（1）：12?17.

[8] 羅麗霞.基于遺傳算法的Ostu圖像分割方法[J].河北北方學院學報（自然科學版），2014，30（6）：29?33.