基于水平集和支持向量機(jī)的圖像聲吶目標(biāo)識(shí)別

王喜龍孟禹彤（.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 5004；.渤海造船廠集團(tuán)有限公司船舶設(shè)計(jì)院，遼寧 葫蘆島 5004）

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基于水平集和支持向量機(jī)的圖像聲吶目標(biāo)識(shí)別

王喜龍1孟禹彤2
（1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2.渤海造船廠集團(tuán)有限公司船舶設(shè)計(jì)院，遼寧 葫蘆島 125004）

摘 要：本文對(duì)基于水平集和支持向量機(jī)的圖像聲吶目標(biāo)識(shí)別方法進(jìn)行了介紹，這是一種利用聲吶技術(shù)獲得圖像，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別的先進(jìn)技術(shù)。水平集法可以根據(jù)聲吶圖像了解目標(biāo)的大概輪廓，根據(jù)不變矩，找到特征矢量，并結(jié)合支持向量機(jī)，得到識(shí)別結(jié)果。這種方法有著較高的識(shí)別率，應(yīng)用的范圍也比較廣，筆者根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)這種方法的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，希望對(duì)相關(guān)工作人員提供一定參考意見。

關(guān)鍵詞：水平集；支持向量機(jī)；圖像；聲吶；識(shí)別

在水下搜救工作中，經(jīng)常會(huì)應(yīng)用聲吶技術(shù)，這是一種準(zhǔn)確度較高的探測(cè)技術(shù)，可以降低搜救人員在工作中遇到危險(xiǎn)的概率?，F(xiàn)在科技發(fā)展得越來越快，水下探測(cè)工作中應(yīng)用的技術(shù)也越來越先進(jìn)。水下聲吶成像技術(shù)是海洋技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，通過近距離高分辨率聲吶成像技術(shù)，可以獲得水下目標(biāo)的形狀信息，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與判斷。本文對(duì)基于水平集和支持向量機(jī)的圖像聲吶目標(biāo)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了介紹，希望對(duì)相關(guān)工作人員提供一定的幫助。

1. 探測(cè)用聲吶及其成像的特點(diǎn)

水聲圖像與光學(xué)圖像在本質(zhì)上有著極大的相似性，二者都屬于能量的平面分布圖，但是二者也具有一定的差異，這主要是因?yàn)槎叩慕橘|(zhì)有著較大的差異。采用成像聲吶技術(shù)，一般中心頻率都在幾百千赫以上，而海水介質(zhì)對(duì)聲波能量的吸收是與其中心頻率的大小有著直接關(guān)系的，并且頻率增長(zhǎng)后，能量吸收是以平方次逐漸遞增的，在海水介質(zhì)中，聲波的體積還會(huì)擴(kuò)散，這也使得聲波在海水中有著較大的損失，影響著圖像聲波的質(zhì)量。水聲成像的質(zhì)量與聲輻射情況有著較大的關(guān)系，而且容易受到周圍環(huán)境、噪聲等外界因素的影響，如果目標(biāo)被遮擋，會(huì)影響識(shí)別的準(zhǔn)確性。聲吶圖像的識(shí)別技術(shù)與傳統(tǒng)的光學(xué)圖像技術(shù)相比，準(zhǔn)確度較低，而且圖像的質(zhì)量會(huì)受到較多因素的影響，這會(huì)影響目標(biāo)的可識(shí)別率，還會(huì)導(dǎo)致信息缺失等問題的產(chǎn)生。

本文對(duì)聲吶圖像技術(shù)進(jìn)行了研究與分析，下面筆者對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析：首先，水下圖像聲吶識(shí)別，可能會(huì)受到水紋以及氣泡的影響，船體可能會(huì)被一些東西遮擋，但是識(shí)別目標(biāo)時(shí)，形狀特征還是較容易判斷的。其次，探測(cè)目標(biāo)可能會(huì)出現(xiàn)與成像聲吶一起運(yùn)動(dòng)的情況，這會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)以及平移發(fā)生變化。以P450E型前視聲吶技術(shù)為例，獲取的一幀圖像如圖1所示。

圖像聲吶目標(biāo)識(shí)別技術(shù)會(huì)受到海水介質(zhì)的影響，并且會(huì)發(fā)生聲波能量被吸收的反應(yīng)，聲吶圖像容易出現(xiàn)噪聲大、邊緣模糊，圖像質(zhì)量較差等問題。但是可以肯定的是，圖像的形狀特征還是比較明顯的。在識(shí)別的過程中，可以采用輪廓提取的方式，為了保證識(shí)別的準(zhǔn)確性，相關(guān)工作人員還可以采用邊緣計(jì)算公式。通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用邊緣檢測(cè)算法在改善聲吶圖像質(zhì)量方面效果并不理想，所以，相關(guān)工作人員還會(huì)采用主動(dòng)輪廓模式對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。由于聲吶成像技術(shù)具有隨著目標(biāo)圖像一起旋轉(zhuǎn)與平移的特點(diǎn)，工作人員多會(huì)采用基于水平集和支持向量機(jī)的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，收到的效果極佳。

2. 基于水平集和不變矩的聲吶目標(biāo)識(shí)別算法

基于水平集和不變矩的聲吶目標(biāo)識(shí)別算法流程如圖2所示，在具體識(shí)別的過程中，首先是訓(xùn)練樣本的輪廓，得到一些輪廓特征；其次是利用高分辨率技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)獲得的圖像進(jìn)行預(yù)處理，從而提取出目標(biāo)輪廓，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算；最后是將識(shí)別過程中所提取的特征值輸入支持向量機(jī)中與需要識(shí)別的目標(biāo)特征進(jìn)行匹配，如果匹配一致，說明識(shí)別到的目標(biāo)與設(shè)定目標(biāo)一致。

基于支持向量機(jī)的目標(biāo)識(shí)別需要利用支持向量機(jī)這一設(shè)備，其可以有效地降低水下探測(cè)中出現(xiàn)誤差或圖像質(zhì)量較差的概率。基于支持向量機(jī)的目標(biāo)識(shí)別是根據(jù)有限樣本信息在模型中找到最佳折中，這項(xiàng)技術(shù)最大的特點(diǎn)是主要針對(duì)小樣本進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，可以根據(jù)現(xiàn)有信息達(dá)到全局最優(yōu)解，結(jié)合核函數(shù)運(yùn)算公式，可以避免出現(xiàn)維數(shù)災(zāi)難。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的范圍比較廣，可以解決目標(biāo)圖像識(shí)別中存在的問題，從而提高識(shí)別的質(zhì)量。

圖1　P450E型聲吶獲取的原始圖

圖2　基于水平集和不變矩的目標(biāo)識(shí)別算法流程

圖3　含有船體圖像的正樣本

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3. 聲吶圖像目標(biāo)識(shí)別實(shí)驗(yàn)

采用P450E高分辨率圖像聲吶目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，對(duì)水下船體識(shí)別進(jìn)行算法驗(yàn)證，這可以找到該項(xiàng)技術(shù)存在的問題，從而制定出改進(jìn)的方案。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

在本次驗(yàn)證中共有3個(gè)環(huán)節(jié)：第一，樣本訓(xùn)練支持向量機(jī)。根據(jù)聲吶得到的圖像，從中選出30幅，并且將含有船體的15幅作為正樣本，剩下15幅作為負(fù)樣本，這可以得到兩個(gè)樣本集。含有船體圖像的正樣本如圖3所示，其中前5幅是標(biāo)準(zhǔn)圖像，其他10幅都是在標(biāo)準(zhǔn)圖像的基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與位移。在后10幅圖像中可能存在船體遮擋的問題，比如中間5幅存在噪聲遮擋問題，最后5幅是被部分遮擋提取的輪廓圖，如圖3所示。

第二，圖像的預(yù)處理。在讀取聲吶制成的視頻圖像時(shí)，還要根據(jù)成像的特點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行剪切、去噪，這項(xiàng)工作主要是為了去除圖像中存在的無用信息。采用縮小技術(shù)主要是為了提高運(yùn)算速度。在聲吶圖像中會(huì)受到水文與氣泡噪聲的影響，采用形態(tài)學(xué)濾波技術(shù)，可以保留有用信息，消除無用干擾信息。

第三，提取目標(biāo)輪廓。根據(jù)聲吶成像的特點(diǎn)，確定初始輪廓，利用水平集法提取輪廓后，在多個(gè)閉合中選取面積最大、受遮擋最少的圖像作為船體輪廓。

第四，支持向量機(jī)識(shí)別。將已提取的目標(biāo)輪廓特征輸入支持向量機(jī)中，然后與目標(biāo)進(jìn)行匹配。這一過程一般會(huì)經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，這是為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。在本文介紹的案例中，核參數(shù)σ=23，懲罰因子C=100.0。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用P450E型高分辨率前視聲吶技術(shù)，對(duì)視頻圖像進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)后得出了以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在選取的100幀圖像中，有52幀含有船體，48幀不含船體，發(fā)現(xiàn)當(dāng)船體進(jìn)入聲吶視野范圍后，加入σ=0.01、0.04、0.09的高斯噪聲后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。在選取的200幀測(cè)試圖像中，含有船體的有100幀，不含船體的有100幀，在對(duì)船體目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別時(shí)，σ=0.01、0.04、0.09的高斯噪聲識(shí)別實(shí)驗(yàn)中，得到的結(jié)果見表1。

在兩組實(shí)驗(yàn)中，將不含船體的圖像作為負(fù)樣本，發(fā)現(xiàn)如果船體進(jìn)入水底地形、掃描范圍存在巖石、魚群等物質(zhì)，并且與船體的形狀較為相似，則識(shí)別的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。本文為對(duì)聲吶圖像目標(biāo)識(shí)別課題的初級(jí)階段研究成果，所涉及的圖像多為學(xué)校港池附近淤泥海底地質(zhì)的海域中獲取的聲吶掃描圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文算法主要適用于該類淤泥海底地質(zhì)的海域中獲取的聲吶掃描圖。在該類圖像中由于水底地形、巖石和魚群等造成的干擾較小，將在下一步的研究中通過紋理特征值等方法對(duì)其他較復(fù)雜海底地形下掃描得到的聲吶圖像的識(shí)別進(jìn)行進(jìn)一步研究。

結(jié)語

通過本文的分析可以看出，基于水平集和支持向量機(jī)的圖像聲吶目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是當(dāng)前水下探測(cè)領(lǐng)域中比較先進(jìn)的技術(shù)，其可以保證識(shí)別圖像的清晰性，也可以提高識(shí)別率，是科技不斷進(jìn)步的體現(xiàn)。采用高分辨率圖像聲吶技術(shù)，在淤泥質(zhì)海底環(huán)境中得到的掃描圖識(shí)別率高達(dá)95%。隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)人員還需要對(duì)這項(xiàng)新型目標(biāo)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，解決視頻圖像目標(biāo)輪廓提取中存在的時(shí)間復(fù)雜度較大、迭代次數(shù)較多等問題。在不同的地質(zhì)與地形下，聲吶掃描識(shí)別的準(zhǔn)確性也是不一樣的，只有不斷地改進(jìn)技術(shù)，才能拓寬應(yīng)用的范圍，保證應(yīng)用的質(zhì)量與效果。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A