基于譜殘差和梯度紋理融合特征的艦船檢測(cè)

李慶峰，何 斌,王文勝,蘇 暢,韓璽鈺,梁懷丹

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；

3.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100192)

1 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，光學(xué)遙感器的圖像分辨率有了大幅度提高，人造艦船目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別在可見(jiàn)光遙感圖像中有著極其重要的意義和研究?jī)r(jià)值。針對(duì)可見(jiàn)光遙感圖像中的艦船目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)，一方面，圖像分辨率的提高可以獲得目標(biāo)更清晰豐富的形狀紋理結(jié)構(gòu)，有更多的數(shù)據(jù)量來(lái)描述目標(biāo)灰度分布關(guān)聯(lián)性；另一方面目標(biāo)灰度同質(zhì)性降低、紋理差別增大、云霧與海浪等干擾給艦船檢測(cè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。如何及時(shí)高效地處理高分辨率可見(jiàn)光遙感圖像信息，從海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息，已經(jīng)成為遙感圖像分析與理解、智能視覺(jué)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。艦船作為一類重要的、典型的人造目標(biāo)檢測(cè)對(duì)象，是用于海上運(yùn)輸?shù)闹匾d體以及戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期遭受攻擊的重要軍事目標(biāo)。因此，對(duì)艦船的檢測(cè)工作在民用和軍事檢測(cè)與識(shí)別領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。遙感載荷成像時(shí)會(huì)受到大氣散射、雜散光干擾、云霧遮擋等諸多因素的影響。同時(shí)，海面云霧及孤立海島等其他干擾物也會(huì)對(duì)海面艦船的成像干擾。因此，如何從復(fù)雜的海洋背景中快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)和識(shí)別出艦船目標(biāo)仍然是一個(gè)難題。

現(xiàn)有的艦船檢測(cè)方法大多采用“先篩選后確認(rèn)”的策略：首先通過(guò)一些計(jì)算量小的艦船特征和檢測(cè)算法進(jìn)行目標(biāo)候選區(qū)域提取，從大幅圖像中篩選出疑似目標(biāo)的區(qū)域；然后根據(jù)艦船與其他干擾物的自身精細(xì)特征圖像差異(形狀、紋理等)對(duì)候選區(qū)域進(jìn)行確認(rèn)，剔除虛警，進(jìn)行目標(biāo)的判別確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船目標(biāo)的識(shí)別。例如，在候選區(qū)域目標(biāo)定位和篩選提取階段，有利用圖像灰度統(tǒng)計(jì)和邊緣信息實(shí)現(xiàn)閾值分割[3]；也有利用自然背景與人工目標(biāo)的分析特征差異來(lái)進(jìn)行定位檢測(cè)[4]；亦有利用多層稀疏編碼構(gòu)造圖像顯著圖進(jìn)行分割，獲取候選目標(biāo)區(qū)域[5]。在候選區(qū)域目標(biāo)判別確認(rèn)階段，通過(guò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜特征來(lái)描述艦船目標(biāo)，最后采用機(jī)器學(xué)習(xí)SVM算法進(jìn)行二分類判別確認(rèn)。例如文獻(xiàn)[3]通過(guò)提取形狀不變量特征以及層次化描述的簡(jiǎn)單紋理、多尺度紋理等特征，獲得高達(dá)679維描述目標(biāo)特征的向量；文獻(xiàn)[6-7]通過(guò)構(gòu)建顯著圖模型來(lái)提取艦船目標(biāo)的局部二值模式(Local Binary Pattern，LBP)特征來(lái)進(jìn)行分類識(shí)別。文獻(xiàn)[8-9]使用顯著性模型和形狀不變量以及梯度特征來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別，其中文獻(xiàn)[8]定位算法較為復(fù)雜，同時(shí)缺乏對(duì)艦船目標(biāo)的內(nèi)部紋理信息的利用。雖然，以上方法都能取得不錯(cuò)的檢測(cè)結(jié)果，但是存在以下兩個(gè)問(wèn)題：受云霧、島嶼等干擾影響，導(dǎo)致候選區(qū)域目標(biāo)的分割易產(chǎn)生虛假目標(biāo)，分割效果的好壞直接關(guān)系到檢測(cè)精度和算法的時(shí)效性。同時(shí)，已有算法的特征向量維數(shù)較大，在訓(xùn)練分類器、描述目標(biāo)切片提取特征以及最終分類判別時(shí)計(jì)算均較為復(fù)雜。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于譜殘差(Spectral Residual,SR)[10]和梯度紋理融合特征的艦船檢測(cè)方法。該方法包括：目標(biāo)在候選區(qū)域的粗篩選和定位以及對(duì)船舶目標(biāo)的識(shí)別與確認(rèn)。前半部分采用模擬人的視覺(jué)注意機(jī)制的譜殘差模型結(jié)合自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)海面船舶目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行搜索定位，有效地抑制了海面大面積云層、尾波浪花等的干擾。在后半部分，根據(jù)船舶目標(biāo)的形狀和紋理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的結(jié)合形狀、梯度、紋理3種信息的融合特征。文中梯度方向特征具有較好的旋轉(zhuǎn)和尺度不變性，同時(shí)，采用局部與全局紋理信息互補(bǔ)來(lái)描述紋理特征，充分利用了艦船目標(biāo)切片內(nèi)部的紋理信息。然后，利用AdaBoost分類器對(duì)30維的融合特征向量進(jìn)行分類鑒別，有效地剔除云塊和孤島等虛假目標(biāo)的干擾，減少了特征向量的維數(shù)，降低了計(jì)算復(fù)雜度。

2 紋理特征

2.1 局部二進(jìn)制模式

局部二進(jìn)制模式(LBP)是一種用于圖像局部紋理特征描述的經(jīng)典算子，它的核心思想主要是指設(shè)定中心點(diǎn)像素的灰度值的大小為閾值，將其與它3×3鄰域灰度值相比較，得到相應(yīng)的二進(jìn)制碼以此來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像局部紋理結(jié)構(gòu)信息的描述[11]。如果相鄰像素的灰度值大于或者等于中心點(diǎn)像素灰度值，將該像素的位置標(biāo)記為1，否則置0。也就是說(shuō)，按照規(guī)定的編碼方向?qū)χ行南袼氐陌肃徲蜻M(jìn)行二值化，將將二進(jìn)制序列轉(zhuǎn)化為無(wú)符號(hào)十進(jìn)制數(shù)作為中心點(diǎn)像素的響應(yīng)。對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行處理后，得到一幅LBP響應(yīng)圖像，并利用響應(yīng)圖像的統(tǒng)計(jì)柱狀圖作為L(zhǎng)BP特征，用在后續(xù)識(shí)別工作上。LBP算子的計(jì)算公式如下：

(1)

其中，

(2)

式中：P表示P鄰域，R表示圓域半徑，gc表示局部鄰域的中心點(diǎn)像素灰度值，gk(k=0,1,…,P-1)表示3×3鄰域范圍像素點(diǎn)灰度值。

由于LBP柱狀圖是單獨(dú)計(jì)算圖像的每個(gè)分區(qū)，對(duì)于塊區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)LBP描述符得到的二進(jìn)制模式數(shù)較大，而塊區(qū)域中實(shí)際像素?cái)?shù)相對(duì)較少，從而導(dǎo)致柱狀圖過(guò)于稀疏，其并不具備太多的統(tǒng)計(jì)意義。為了進(jìn)一步減少LBP特征模式的特征維度，Ojala等人提出，如果二進(jìn)制位串被看作一個(gè)循環(huán)，并且它包含的從1到0或從0到1的跳躍不超過(guò)2次，則它是一個(gè)統(tǒng)一的模式[11]。除統(tǒng)一化模式外，其它的模式均為非統(tǒng)一化模式。8鄰域的LBP算子有58種統(tǒng)一化模式，加1個(gè)非統(tǒng)一化模式，共有59種模式。

LBP特征的統(tǒng)一化模式可表示為：

(3)

式中：U表示二進(jìn)制的序列中兩個(gè)相鄰二進(jìn)制值之間的0/1(或1/0)變換次數(shù)。考慮到艦船目標(biāo)大小變化范圍，本文中鄰域P=8，鄰域半徑R=2，使用雙線性插值結(jié)果提供對(duì)角線四鄰域的灰度值。最后，使用Uniform LBP模式直方圖統(tǒng)計(jì)方差作為特征。

2.2 灰度共生矩陣特征

應(yīng)用結(jié)果表明，通過(guò)研究灰度的空間相關(guān)特性，灰度共生矩陣(GLCM)能夠從方向、間隙、變化范圍和速度等方面反映圖像的綜合信息。它能反應(yīng)圖像亮度的分布特性和亮度相近像素之間的位置分布特性，具有良好的紋理識(shí)別效果[12]。

灰度共生矩陣原理是取圖像I中的任意一點(diǎn)(x,y)和另一個(gè)偏離它的點(diǎn)(x+a,y+b)(其中，a,b為整數(shù)，代表偏移量)形成一對(duì)點(diǎn)。如果將點(diǎn)對(duì)的灰度值設(shè)置為(f1，f2)，并在整幅圖像上移動(dòng)點(diǎn)(x,y)，則將獲得不同的(f1，f2)值。如果圖像的最大灰度為L(zhǎng),則有L2種f1與f2的組合。對(duì)于整個(gè)圖像，計(jì)算每個(gè)(f1，f2)值的出現(xiàn)次數(shù)，然后將其排列成一個(gè)正方形矩陣，再用(f1，f2)的總發(fā)生次數(shù)歸一化為發(fā)生概率P(f1，f2),由此產(chǎn)生灰度共生矩陣p(i,j)。HARALICK等人對(duì)GLCM定義了14種[13]用于表達(dá)紋理的二階統(tǒng)計(jì)量，但這些統(tǒng)計(jì)量會(huì)重復(fù)描述紋理信息[14]?？紤]到算法效率，實(shí)際應(yīng)用中需要選擇符合目標(biāo)紋理特性和描述需求的統(tǒng)計(jì)量組合描述紋理特征。

通過(guò)對(duì)艦船目標(biāo)和非目標(biāo)的GLCM紋理統(tǒng)計(jì)量實(shí)驗(yàn)研究表明(圖1 (a)和(b))：對(duì)比度(Contrast),相關(guān)性(Correlation)這兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量能夠很好地描述艦船圖像紋理中灰度基元之間空間聯(lián)系，反映了紋理信息中灰度分布的性質(zhì)。取步長(zhǎng)為2，對(duì)0°，45°，90°，135°方向求統(tǒng)計(jì)量，并對(duì)上述各方向統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)進(jìn)行歸一化，獲取描述紋理特征的二階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分類。

2.2.1 對(duì)比度(反差)

對(duì)比度用于測(cè)量共生矩陣的值如何分布，以及圖像中局部變化的程度。它反映了整幅圖像中像素和它相鄰像素之間的亮度反差。紋理凹槽越深，對(duì)比度越大，效果越清晰。

Contrast=∑i∑j(i-j)2P(i,j).

(4)

2.2.2 相關(guān)性(同質(zhì)性)

利用同質(zhì)性衡量圖像的水平或豎直方向上的灰度共生矩陣元素的相似度，反映圖像紋理局部變化，即灰度的局部相關(guān)特性。同質(zhì)性的值越大，表明圖像不同區(qū)域的紋理變化越小，局部紋理均勻且規(guī)則。

(5)

其中:

(6)

(7)

(8)

圖1 GLCM特征統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)對(duì)比度；(b)相關(guān)性。Fig.1 GLCM feature statistics experiment results.(a)Contrast;(b)Correlation.

(9)

3 形狀特征

對(duì)于高分辨率可見(jiàn)光遙感圖像中的艦船目標(biāo)而言，艦船的大小因類型不同差別較大，就幾何特征而言，有長(zhǎng)寬比、面積等均有差別。考慮到形狀的適應(yīng)性，形狀特征的設(shè)計(jì)需要滿足對(duì)不同分辨率和尺寸不同的艦船具有旋轉(zhuǎn)和尺寸縮放不變性，即不受艦船方向和大小形狀特征的描述性能。本文選取的形狀特征有：長(zhǎng)寬比、緊密度、矩形度。

3.1 緊密度

緊密度要求區(qū)域具有光滑邊界，根據(jù)實(shí)際需要及后續(xù)融合特征尺度歸一化，定義為：

(10)

其中:Perimeter是指目標(biāo)切片區(qū)域邊界周長(zhǎng)，即像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。區(qū)域?yàn)閳A形時(shí)，Compactness=1；區(qū)域邊界彎曲越復(fù)雜，Compactness值越大。

3.2 矩形度

用區(qū)域?qū)嶋H像素?cái)?shù)與能包含該區(qū)域最大的凸包中的像素?cái)?shù)的比值表示矩形度(Rectangularity)。凸包的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義：在向量空間H中，對(duì)于給定的集合X，所有包含X的凸集的交集S被稱為X的凸包。

(11)

3.3 長(zhǎng)寬比

由于實(shí)際分割結(jié)果，并非十分規(guī)則的長(zhǎng)方形，使用區(qū)域的等效橢圓的長(zhǎng)短軸,長(zhǎng)短軸用疑似目標(biāo)切片區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化二階中心矩來(lái)表示。設(shè)二維數(shù)字圖像f(i,j)的(p+q)階原點(diǎn)矩定義為：

(12)

中心矩為：

(13)

式中:

(14)

等效橢圓長(zhǎng)軸為：

(15)

等效橢圓短軸為：

(16)

則長(zhǎng)寬比的定義為：

(16)

4 梯度方向特征

在獲得到候選區(qū)域的目標(biāo)切片后，需要對(duì)候選區(qū)域進(jìn)行特征設(shè)計(jì)，以便更精確地進(jìn)行識(shí)別和確認(rèn)，進(jìn)一步去除誤報(bào)區(qū)域，獲得更準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。艦船目標(biāo)在可見(jiàn)光遙感圖像的目標(biāo)中一般呈對(duì)稱長(zhǎng)條形狀，輪廓特征具有共同的形狀共性。由于船上兩條長(zhǎng)邊弦對(duì)稱分布，兩側(cè)的梯度方向基本是對(duì)稱的，且沿垂直主軸方向具有很高的梯度幅值。通過(guò)對(duì)行人檢測(cè)方向梯度直方圖[15](HOG)特征提取算法的研究，結(jié)合艦船自身的固有特點(diǎn)，針對(duì)艦船目標(biāo)設(shè)計(jì)梯度方向特征，將360°的梯度方向均分為8個(gè)統(tǒng)計(jì)間隔(bins)，如圖2(a)所示。該梯度方向設(shè)計(jì)可以更好地描述艦船的對(duì)稱性，突出艦船的側(cè)弦，即梯度方向垂直于主軸方向。為了準(zhǔn)確鑒別檢測(cè)目標(biāo)，剔除疑似艦船目標(biāo)切片，以及避免艦船尺寸對(duì)梯度方向特征的影響。如圖2(b)將艦船目標(biāo)細(xì)分為3個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)塊：B1，B2，B3，分別計(jì)算B1，B2，B33個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)塊內(nèi)8個(gè)統(tǒng)計(jì)間隔的梯度強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特征。

圖2(c)是艦船正向和逆向的梯度方向特征直方圖，從中可以看出B1，B2，B3統(tǒng)計(jì)區(qū)塊的梯度方向特征直方圖總體相似。特別地，1D和5D兩個(gè)統(tǒng)計(jì)間隔對(duì)應(yīng)的梯度方向的直方圖高度均遠(yuǎn)高于其余6個(gè)統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)的直方圖高度。原因在于艦船目標(biāo)兩條對(duì)稱的長(zhǎng)側(cè)邊弦，兩邊的梯度方向統(tǒng)計(jì)量總體上應(yīng)是相差不多的。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)后的艦船目標(biāo)依然保持這一特性，結(jié)合圖4(a)和(b)可以得出結(jié)論，針對(duì)艦船目標(biāo)設(shè)計(jì)的梯度方向特征具有旋轉(zhuǎn)和尺度不變性。

圖2 梯度方向特征示意圖Fig.2 Illustration for gradient direction feature

5 譜殘差與融合特征的艦船檢測(cè)

高分辨率可見(jiàn)光遙感圖像的前景目標(biāo)—艦船和背景區(qū)域相比尺寸較小，通常目標(biāo)只占整幅圖像很小的一部分。所以，先從整張圖像中快速準(zhǔn)確的定位艦船潛在的候選目標(biāo)區(qū)域，不僅能夠提高在圖像中搜索候選目標(biāo)區(qū)域的速度，而且還能降低算法的計(jì)算復(fù)雜度和檢測(cè)的虛警率。而人類的視覺(jué)注意機(jī)制能夠快速、準(zhǔn)確的從復(fù)雜場(chǎng)景中區(qū)分出視野中前景目標(biāo)和背景，定位遠(yuǎn)方的感興趣目標(biāo)位置。所以，本文將模擬人類的視覺(jué)注意機(jī)制的視覺(jué)顯著性檢測(cè)思想引入艦船目標(biāo)的候選區(qū)域提取上來(lái)。

目前模擬人類的視覺(jué)注意機(jī)制的視覺(jué)顯著性檢測(cè)[6-7,9]已經(jīng)成為艦船檢測(cè)的研究熱點(diǎn)，主要分為基于空間域和頻率域兩類模型[16]。根據(jù)本文使用的遙感圖像數(shù)據(jù)特點(diǎn)，引入基于頻域分析的譜殘差[10](SR)視覺(jué)顯著性檢測(cè)模型，結(jié)合自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值分割技術(shù)來(lái)提取候選目標(biāo)區(qū)域，能夠很好的提取復(fù)雜云層干擾下的候選目標(biāo)區(qū)域，降低虛景率，以便后續(xù)目標(biāo)切片的紋理和梯度描述與艦船目標(biāo)鑒別。

5.1 基于視覺(jué)注意機(jī)制的譜殘差候選區(qū)域定位

由于每個(gè)目標(biāo)都有自己與眾不同的特性，基于傅里葉變換的SR算法通過(guò)尋找背景的通用性來(lái)獲取目標(biāo)圖像的顯著性，與有復(fù)雜目標(biāo)干擾下的海洋艦船目標(biāo)檢測(cè)有異曲同工之處。該方法能夠有效的解決背景頻率特性高于艦船的場(chǎng)景下(如大面積云霧擾動(dòng)問(wèn)題)的目標(biāo)定位問(wèn)題。本文采取該方法獲得疑似目標(biāo)全局顯著圖，并將顯著圖進(jìn)行三維效果顯示，如圖3(b)所示。

該算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

(1)將圖像I(x)用傅立葉變換到頻率域，取幅值的對(duì)數(shù)后得到對(duì)數(shù)頻率譜L(f)：

A(f)=|F[I(x)]|，

(18)

P(f)=φ(F[I(x)])，

(19)

L(f)=log(A(f))，

(20)

式中：F為二維離散傅里葉變換，|.|代表其幅值，φ代表其相位。

(2)用均值濾波器hn(f)對(duì)其進(jìn)行平滑，獲取的大致形狀即為冗余信息：

V(f)=L(f)hn(f).

(21)

(3)頻譜殘差就是圖像的傅里葉譜和其進(jìn)行均值濾波后的差：

R(f)=L(f)-V(f).

(22)

(4)對(duì)譜殘差R(f)和相位P(f)用二維離散傅里葉反變換處理：

(23)

(5)最后，進(jìn)行高斯模糊濾波重構(gòu)出一幅圖像，獲得表示原圖像各像素的顯著性的顯著圖(Saliency map)。

圖3中以圖像平面為xy平面，將像素灰度值作為z軸坐標(biāo)，將兩種場(chǎng)景下的原圖與全局顯著圖，三維立體化顯示出來(lái)，以更好地觀察譜殘差模型的變換效果。通過(guò)圖3(a)和(b)對(duì)比可以得出結(jié)論，基于頻域變換的譜殘差模型在云霧干擾情況，尤其是云霧彌漫的場(chǎng)景中的艦船目標(biāo)候選區(qū)域定位有很好的效果，能夠準(zhǔn)確定位云霧遮掩下的疑似艦船目標(biāo)區(qū)域。

接著，結(jié)合自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)疑似目標(biāo)顯著圖進(jìn)行分割，獲得二值化分割圖像。它的表達(dá)式為：

Tc=m(S)+k×σ(S)，

(24)

(25)

式中：S表示顯著圖，m和k分別為S的均值和方差，k為閾值系數(shù)。值得指出的是，系數(shù)k的選取根據(jù)實(shí)際需求而定。為保證檢測(cè)效果和對(duì)虛景的敏感度。本文的經(jīng)驗(yàn)值k=2。

最后，使用形態(tài)學(xué)腐蝕、膨脹、孔洞填充來(lái)對(duì)顯著圖分割圖進(jìn)行處理，根據(jù)艦船目標(biāo)的形態(tài)學(xué)面積特征來(lái)去除小面積區(qū)域，獲得疑似目標(biāo)的形態(tài)學(xué)濾波結(jié)果和定位疑似目標(biāo)區(qū)域，分別如圖3(c)和(d)所示。

(a)原圖及三維顯示(a)Original image and 3D display

(b)全局顯著圖及三維顯示(b)Global saliency map and 3D display

(c)二值化圖 (d)候選區(qū)域定位 (c)Binary image (d)Localization of the ROI圖3 疑似目標(biāo)定位Fig.3 Suspected target location res

5.2 基于融合特征的艦船目標(biāo)鑒別

譜殘差模型雖然可以抑制薄云層、海霧及尾跡浪花等的干擾影響，但仍可能檢測(cè)到厚云層，島嶼等干擾物。在獲取候選區(qū)域目標(biāo)切片后，需根據(jù)能區(qū)別艦船與干擾物的有效特征對(duì)候選區(qū)域目標(biāo)切片進(jìn)行判別確認(rèn)，進(jìn)一步去除虛警干擾，獲得更準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。本文使用的可見(jiàn)光遙感圖像中檢測(cè)到的干擾目標(biāo)形狀不規(guī)則，而艦船目標(biāo)呈條形狀(以022導(dǎo)彈艇為例，長(zhǎng)寬比3.5)且左右船弦呈對(duì)稱分布，從圖2(b)及圖7(a)艦船圖像數(shù)據(jù)集中可以看出，艦船目標(biāo)形狀特征較為規(guī)律，且多是兩側(cè)長(zhǎng)邊弦對(duì)稱分布的狹條狀。

遙感圖像中艦船目標(biāo)的位置方向隨機(jī)，所以在提取候選區(qū)域目標(biāo)切片后，提取候選區(qū)域目標(biāo)切片梯度紋理形狀融合特征前，需要確定目標(biāo)主軸方向。本文使用PCA獲取目標(biāo)主分量方向。具體步驟：我們使用5.1節(jié)中疑似艦船目標(biāo)候選區(qū)域定位流程中的目標(biāo)形態(tài)學(xué)濾波后的二值分割結(jié)果，提取疑似目標(biāo)區(qū)域的所有像素坐標(biāo)，用PCA分析法提取疑似目標(biāo)區(qū)域的第一主分量對(duì)應(yīng)的變換系數(shù)。而艦船多是兩側(cè)長(zhǎng)邊弦對(duì)稱分布的狹條狀，第一主分量投影變換的方向就是目標(biāo)的主軸方向。

圖4是艦船目標(biāo)與非艦船目標(biāo)(島嶼、海浪、云塊)的梯度方向特征。由圖4(a)可以看出艦船梯度方向特征在3個(gè)區(qū)域塊中1和5方向區(qū)間(垂直于主方向)的柱狀圖統(tǒng)計(jì)量明顯大于其余方向區(qū)間的柱狀圖統(tǒng)計(jì)量而對(duì)于不是艦船的目標(biāo)(圖4(c)～(e))，其它梯度方向特征沒(méi)有這個(gè)特點(diǎn)。同時(shí)，圖4(b)說(shuō)明梯度方向特征對(duì)帶尾跡的小船同樣有效,具有很好的尺度不變性。

(a)船及其梯度方向直方圖特征(a)Ship and its corresponding histogram features of gradient directions

(b)尾跡小船及其梯度方向特征直方圖(b)Wake ship and its gradient direction feature histogram

(c)島嶼及其梯度方向直方圖特征(c)Island and its corresponding histogram features of gradient directions

(d)海浪及其梯度方向直方圖特征(d)Wave and its corresponding histogram features of gradient directions

(e)云塊及其梯度方向直方圖特征(e)Cloud and its corresponding histogram features of gradient directions圖4 梯度方向直方圖特征Fig.4 Histogram features of gradient directions

圖5 統(tǒng)一化直方圖統(tǒng)計(jì)方差Fig.5 The histogram statistical variance of uniform

最后，對(duì)疑似目標(biāo)區(qū)域切片進(jìn)行梯度紋理融合特征描述，結(jié)合艦船目標(biāo)切片的長(zhǎng)寬比、緊湊度、矩形度等形狀特征，進(jìn)而獲得最終的30維融合特征向量。此時(shí)，本文將艦船檢測(cè)問(wèn)題經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為將要解決的一個(gè)二分類問(wèn)題，通過(guò)訓(xùn)練好的AdaBoost分類器來(lái)對(duì)疑似目標(biāo)切片進(jìn)行最終的判別確認(rèn)，其中圖6是Adaboost訓(xùn)練與測(cè)試錯(cuò)誤率。

圖6 Adaboost訓(xùn)練與測(cè)試錯(cuò)誤率Fig.6 Adaboost training and test error rate

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

6.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及數(shù)據(jù)

本文使用的硬件平臺(tái)是Intel E33.30GHzCPU+16 GB內(nèi)存，軟件平臺(tái)為Matlab 2016B。本文實(shí)驗(yàn)使用的259張2 m分辨率可見(jiàn)光遙感圖像來(lái)源于高分一號(hào)和谷歌地圖，這些圖像的尺寸范圍1 024×1 024到4 096×2 048。選取200幅遙感圖像，使用ACDSee15軟件截取407個(gè)正樣本(艦船目標(biāo))數(shù)據(jù)集，如圖7(a)所示；截取520個(gè)負(fù)樣本(云塊，島嶼，海浪，人造物等非艦船干擾)數(shù)據(jù)集,如圖7(b)所示，尺寸范圍10×10到200×200。

剩下的圖像作為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)圖，使用ACDSee15截取98張包含有418個(gè)船舶目標(biāo)的圖像，尺寸范圍512×512到1 024×1 024。這些圖像中包含含有孤島、薄云及云塊干擾的海面等復(fù)雜背景，以檢測(cè)算法魯棒性。

圖7 樣本數(shù)據(jù)集Fig.7 Sample data dataset

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，從左到右為3種海洋背景下的船舶檢測(cè)結(jié)果，即含孤島的海洋、薄云擾動(dòng)的海洋以及云塊干擾的海洋。圖8(b)左圖和中圖的場(chǎng)景中，虛景是與艦船目標(biāo)大小相似的島嶼，經(jīng)過(guò)融合特征分類鑒別，檢測(cè)出艦船,如圖8(c)左圖和中圖所示。從圖8(b)右圖中場(chǎng)景中，虛景是云塊亮度過(guò)高的區(qū)域剔除有殘留導(dǎo)致，通過(guò)融合特征描述分類鑒別，最終檢測(cè)出艦船，如圖8(c)右圖所示。從圖8(b)、(c)中可以看出，該方法能夠很好地在云霧干擾的海洋背景下定位出疑似艦船目標(biāo)，并從疑似目標(biāo)中準(zhǔn)確篩選出船舶目標(biāo)。

接著，結(jié)合自適應(yīng)動(dòng)態(tài)門(mén)限法與形態(tài)學(xué)濾波法處理全局顯著圖，對(duì)疑似艦船目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行定位，然后用上述各節(jié)中介紹的形狀梯度紋理融合特征提取疑似目標(biāo)切片的向量，使用訓(xùn)練好的AdaBoost分類器模型進(jìn)行特征分類剔除虛景，完成艦船目標(biāo)確認(rèn)鑒別。

(a)原圖(a)Original image

(b)疑似目標(biāo)定位(b)Suspected target location

(c)檢測(cè)結(jié)果(c)Detection results圖8 艦船檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Example of ship detection results

為驗(yàn)證本文方法的有效性，我們將其與文獻(xiàn)[6]、[8]、[9]中的方法進(jìn)行了比較，選用召回率(Recall)和檢測(cè)精度(Precision)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。4種方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表2所示。此外，在算法耗時(shí)方面，算法訓(xùn)練AdaBoost分類器用時(shí)12.054 8 s；對(duì)于1 024×1 024大小的圖像，各算法檢測(cè)用時(shí)對(duì)比如表1所示。

召回率和檢測(cè)精度的定義為：

(26)

(27)

式中：TP表示正確檢測(cè)為艦船目標(biāo)的數(shù)量，TR表示是實(shí)際檢測(cè)到的艦船目標(biāo)數(shù)量，F(xiàn)P表示將背景錯(cuò)誤判定成艦船目標(biāo)的數(shù)量。

表1 4種算法的檢測(cè)耗時(shí)對(duì)比Tab.1 Time-consuming comparison of detection of four algorithms (s)

表2 4種算法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of detection results of four algorithms

7 結(jié) 論

本文提出了一種基于譜殘差和梯度紋理融合特征的艦船檢測(cè)方法，能準(zhǔn)確提取海面艦船目標(biāo)，獲取艦船目標(biāo)的數(shù)量和位置信息，在檢測(cè)時(shí)間和精度上都能夠滿足實(shí)際工程需要。該方法通過(guò)譜殘差模型結(jié)合自適應(yīng)閾值法搜索定位海面艦船目標(biāo)區(qū)域，可以有效抑制海面云霧、尾跡浪花等的干擾；結(jié)合艦船目標(biāo)形狀紋理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了梯度方向特征及形狀紋理特征的融合特征，不受云塊、小島等虛假目標(biāo)的干擾，能有效地描述艦船目標(biāo)的特征。最后，利用AdaBoost分類器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了鑒別確認(rèn)，得到了準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出算法的檢測(cè)精度為95.51%，召回率為96.65%，可以滿足海域艦船目標(biāo)的快速定位和檢測(cè)的準(zhǔn)確性要求。