章永杰,徐振亞,李建勛*
(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240; 2.中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009)
紅外圖像仿真的置信度是紅外目標(biāo)檢測(cè)跟蹤的基礎(chǔ),如同算法的性能是高光譜目標(biāo)檢測(cè)的關(guān)鍵,但沒有一種算法或模型適用于所有的高光譜數(shù)據(jù)[1]。仿真結(jié)果受多種因素的影響,因此如何檢驗(yàn)紅外圖像仿真模型的準(zhǔn)確性是問題的關(guān)鍵。由于飛機(jī)紅外輻射的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少,且多是特定環(huán)境下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因此,飛機(jī)紅外輻射模型的驗(yàn)證總體較為困難,當(dāng)前主要有兩種方式:
第一種,通過計(jì)算得到飛機(jī)輻射在不同狀態(tài)下的變化規(guī)律,說明模型選取的合理性[2-3]。文獻(xiàn)[4]以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)隨視線角的變化趨勢(shì)大致相同來體現(xiàn)所建立計(jì)算模型的合理性; 文獻(xiàn)[5]分別定量分析了焦距、目標(biāo)溫度、背景溫度、背景發(fā)射率、探測(cè)單元類別、測(cè)試工作波段、測(cè)試目標(biāo)材質(zhì)、測(cè)試天氣、高度、天頂角等對(duì)圖像信噪比的影響。
第二種,通過建立某些參數(shù)的模型,進(jìn)而改進(jìn)目標(biāo)的仿真模型。文獻(xiàn)[6]在計(jì)算蒙皮反射輻射時(shí),考慮飛機(jī)蒙皮不是理想的漫反射體,而是鏡面反射和漫反射兩者合一的特性,引入了飛機(jī)蒙皮的BRDF特性,用Ward BRDF模型校正太陽直射輻射的反射計(jì)算; 文獻(xiàn)[7-8]在計(jì)算尾焰輻射時(shí)采用微觀的譜帶模型計(jì)算法,即將非均勻氣體的輻射看作均勻氣體輻射的C-G 近似法,并考慮譜線的碰撞展寬效應(yīng)和多普勒展寬效應(yīng),進(jìn)行定量分析; 文獻(xiàn)[9]在導(dǎo)彈尾焰輻射計(jì)算中提出了導(dǎo)彈尾焰視線投影面積模型和等效發(fā)射率模型,在光學(xué)影像的成像鏈路中引入了點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF),綜合考慮圖像模糊、信號(hào)轉(zhuǎn)換、噪聲等過程,提出了遙感影像質(zhì)量退化模型; 文獻(xiàn)[10]在不同的簡化假設(shè)下建立了三種海面輻射計(jì)算模型,比較分析了三種模型在艦船輻射場(chǎng)計(jì)算和海面背景熱像模擬中的差異和適用性; 文獻(xiàn)[11]完成了對(duì)傳感器各組成單元的物理效應(yīng)建模,并以量化的方式評(píng)價(jià)了模型的仿真度。
但上述兩種方法都缺少對(duì)所有參數(shù)或者是部分參數(shù)的整合分析,本文通過分析紅外仿真過程中模型的影響參數(shù),將仿真模型的參數(shù)分為目標(biāo)輻射特性、大氣輻射效應(yīng)和成像傳感器系統(tǒng)三個(gè)主要影響參數(shù),比對(duì)分析含有飛機(jī)目標(biāo)的真實(shí)高光譜遙感數(shù)據(jù),對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了基于最小二乘法的校正,得到了可見光近紅外波段上較高仿真度的仿真模型,進(jìn)而為仿真生成中遠(yuǎn)紅外波段上飛機(jī)目標(biāo)的高光譜數(shù)據(jù)集提供一種方法途徑。
從分析飛機(jī)目標(biāo)紅外高光譜輻射特性出發(fā),以飛機(jī)幾何建模為基礎(chǔ),計(jì)算零視距上飛機(jī)目標(biāo)各光譜段上的輻射亮度信息; 結(jié)合大氣傳輸效應(yīng)的影響,模擬紅外成像傳感器系統(tǒng)的成像特性,生成目標(biāo)的紅外仿真模型; 采用與背景分開建模的思路,背景仿真利用背景貼圖的方式,將目標(biāo)與背景進(jìn)行圖像融合處理,并通過Matlab軟件仿真生成高光譜紅外圖像序列,最后通過含有飛機(jī)目標(biāo)的真實(shí)高光譜遙感數(shù)據(jù),完成仿真模型的驗(yàn)證和校正。具體流程如圖1所示。
圖1 飛機(jī)紅外高光譜模型仿真建模及驗(yàn)證
飛機(jī)目標(biāo)的模擬分為幾何特征的模擬和紅外輻射特征的模擬。幾何特征模擬主要是借助3DSMax軟件等來完成,建模方式采用多邊形建模的方法,類似于網(wǎng)格建模的方法,而網(wǎng)格建模方法的網(wǎng)格對(duì)象是由三角面構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu),多邊形對(duì)象既可以是三角網(wǎng)格模型,也可以是四邊模型甚至更多的邊,在編輯建模時(shí)更加靈活方便,可根據(jù)觀測(cè)角度設(shè)定目標(biāo)的姿態(tài)信息。圖2所示為某型飛機(jī)的幾何模型。
圖2 某型飛機(jī)的幾何模型
紅外輻射特征的模擬主要考慮了飛機(jī)的蒙皮輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰輻射,在蒙皮和尾焰輻射的計(jì)算過程中,均采用普朗克公式計(jì)算,其中蒙皮輻射的計(jì)算公式為
(1)
式中:Ts為駐點(diǎn)溫度;T0為周圍大氣的溫度;r為溫度恢復(fù)系數(shù)(取0.82);γ為空氣定壓定容熱容量之比(取1.4);Ma是飛機(jī)飛行馬赫數(shù)。將Ts代入普朗克公式[12],該值與發(fā)射率的乘積便可計(jì)算出蒙皮自身的輻射量:
Iplane=LplaneSplane
(3)
式中:ελ為飛機(jī)蒙皮的發(fā)射率,ελ=0.8;c1為第一輻射常數(shù),c1=3.741 8×10-16W·m-2;c2為第二輻射常數(shù),c2=1.438 8×10-2m·K;λ為波長;Splane為飛機(jī)蒙皮在視線方向上的投影面積。
飛機(jī)尾焰是選擇性輻射源,輻射能量主要集中在4.3~4.55 μm的二氧化碳發(fā)射帶,尾焰輻射計(jì)算采用譜帶模型計(jì)算法,即將非均勻氣體的輻射看作均勻氣體輻射的C-G近似法,在計(jì)算中考慮了譜線的碰撞展寬效應(yīng)和多普勒展寬效應(yīng)。為計(jì)算沿任意方向尾焰的輻射,采用了軸線上距噴口距離x0和與軸線夾角A兩個(gè)量來確定方向的方法。飛機(jī)羽流的形狀模型如圖3所示,以x0為界,可分為初始段、主段兩部分,其中斜線部分為核心區(qū),具有組分壓強(qiáng)和溫度基本恒定且為最大值的特性。
圖3 飛機(jī)羽流示意圖
計(jì)算由x0和A所確定的任意方向上的輻射亮度的具體步驟詳見文獻(xiàn)[8]。圖4是仿真尾焰圖像和真實(shí)尾焰圖像,兩幅圖像具有較好的一致性。
圖4 真實(shí)飛機(jī)尾焰
大氣的輻射效應(yīng)主要表現(xiàn)為大氣透過率和大氣路徑輻射衰減。常用的大氣傳輸計(jì)算軟件有LOWTRAN,MODTRAN,F(xiàn)ASCODE等,本次仿真圖像生成使用MODTRAN計(jì)算紅外在大氣傳輸中的透射率。
背景的紅外仿真主要采用紋理貼圖的形式,即以相應(yīng)的背景圖像數(shù)據(jù)作為紋理,按照灰度值的大小進(jìn)行對(duì)應(yīng)像素上的概率密度量化,并與相應(yīng)背景條件下的平均輻射亮度相乘得到。
最后將目標(biāo)與背景圖像灰度值量化后進(jìn)行圖像融合處理,并通過Matlab軟件仿真生成高光譜紅外目標(biāo)圖像序列,完成整個(gè)仿真過程。
從上述仿真過程中可以看出,飛機(jī)目標(biāo)的輻射亮度由于目標(biāo)本身材質(zhì)、姿態(tài)、觀測(cè)波段、位置、天氣等因素,都會(huì)對(duì)仿真圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響,而且在生成仿真圖像序列的整個(gè)仿真過程時(shí),未對(duì)成像系統(tǒng)的影響做分析,成像探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)成像的影響與其材料、物理結(jié)構(gòu)等多方面因素有關(guān),其主要源于探測(cè)器的空間和時(shí)間濾波效應(yīng)、采樣效應(yīng)、探測(cè)器響應(yīng)的非均勻性以及噪聲等方面。參照建立的某些參數(shù)模型來驗(yàn)證仿真置信度的方法,可以將仿真過程中的主要影響因素分為目標(biāo)輻射特性參數(shù)、大氣輻射效應(yīng)參數(shù)和成像傳感器系統(tǒng)參數(shù)。
1.2.1 目標(biāo)輻射特性參數(shù)
雙向反射分布函數(shù)(BRDF)表示了不同入射角條件下物體表面在任意觀測(cè)角的反射特性,如圖5所示。雙向反射分布函數(shù)是描述材料漫反射特性的重要函數(shù),是光輻射的反射輻射亮度和入射輻照度的比值[13]。
圖5 BRDF光照模型
考慮到飛機(jī)蒙皮不是理想的漫反射體,而具有鏡面反射和漫反射兩者合一的特性,將BRDF引入飛機(jī)蒙皮輻射亮度的計(jì)算中,可更加準(zhǔn)確地描述飛機(jī)目標(biāo)表面反射光的空間分布特征,更具合理性,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
(4)
式中:θi,φi為入射方向的天頂角和方位角;θr,φr為反射方向的天頂角和方位角;Ei為面元 dA(θi,φi)方向上入射光產(chǎn)生的表面輻照度,W/m2·μm;Lr為經(jīng)照射后在(θr,φr)方向上的輻亮度,W/m2·sr·μm;fr的物理意義是沿著方向(θr,φr)出射的輻射亮度與沿著方向(θi,φi)入射在被測(cè)表面產(chǎn)生的輻射照度之比,sr-1。
BRDF具體模型有很多,本文采用擅長模擬金屬表面以及各向異性表面反射特性的Ward模型來對(duì)飛機(jī)蒙皮進(jìn)行其反射建模,其表達(dá)式為
(5)
等式右邊前一部分表示漫反射分量,后一部分表示定向反射分量。其中,kd為漫反射系數(shù);α為鏡面反射方向和出射方向之間的夾角;ks為定向反射系數(shù);Cmax為歸一化因子,但一般有上限;m為表面均方根斜率,m值越小,意味著其表面越光滑,鏡向峰值就會(huì)越大,鏡向反射瓣膜變得越窄,反之則鏡向反射峰值變小,曲線趨之平坦。隨著入射角的增加,其峰值也隨著變大。
由于地球與太陽距離較遠(yuǎn),可以認(rèn)為入射太陽光是平行光,并且太陽輻射強(qiáng)度是均勻的,考慮太陽光通過大氣的影響,目標(biāo)接收到的太陽輻射強(qiáng)度可表示為
Isun=I0[1+0.033 cos(360n/370)·τ·sinγ]
(6)
式中:I0為太陽常數(shù),取1.36 kW/m2;n為在一年中的天數(shù);τ為大氣透過率;γ為天頂角。蒙皮對(duì)太陽輻射的反射,即目標(biāo)輻射特性參數(shù)D1:
D1(λ)=fr·(Iplane+Isun)+Ifire
(7)
1.2.2 大氣輻射效應(yīng)參數(shù)
大氣對(duì)紅外系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在輻射衰減,與大氣氣體分子的吸收,大氣中分子、氣溶膠、微粒的散射和因氣象條件產(chǎn)生的衰減等三種現(xiàn)象有關(guān)。大氣透過率用來描述紅外輻射在大氣中的傳輸特性[14],表示為
τ=e-σχ=e-(α+δ)χ
(8)
式中:τ為衰減系數(shù);χ為通過的大氣路徑長度;α為吸收系數(shù);δ為散射系數(shù),散射系數(shù)和吸收系數(shù)均與波長有關(guān)。本文選擇中緯度夏季模式大氣下計(jì)算大氣透過率。
MODTRAN界面提供了各種模式大氣模型參數(shù)的選擇輸入。計(jì)算透過率時(shí)主要需要考慮的大氣成分有:水汽、臭氧、甲烷、氮化物、碳氧化物的剖面資料、計(jì)算模式等。本文選擇能見度為5 km的美國標(biāo)準(zhǔn)大氣,其余諸如水汽、臭氧等高度剖面均選擇1976美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式下的默認(rèn)設(shè)置,執(zhí)行模式為計(jì)算透過率。此處大氣輻射效應(yīng)參數(shù)D2等同與透過率τ:
D2(λ)=τ(λ)
(9)
1.2.3 成像傳感器系統(tǒng)參數(shù)
紅外成像傳感器系統(tǒng)將接收到的二維空間分布的目標(biāo)與背景紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間分布的電信號(hào),經(jīng)過電路放大和信號(hào)處理,最后以二維空間分布的灰度量化圖像的形式再現(xiàn)背景與目標(biāo)的紅外輻射分布[15]。紅外探測(cè)器對(duì)成像的影響與其材料、物理結(jié)構(gòu)等多方面因素有關(guān),主要源于探測(cè)器的空間和時(shí)間濾波效應(yīng)、采樣效應(yīng)、探測(cè)器響應(yīng)的非均勻性以及噪聲等方面。一般采用傳遞函數(shù)方法對(duì)空間和時(shí)間線性濾波效應(yīng)建模和仿真[16-17]。
對(duì)于一個(gè)成像系統(tǒng)來說,調(diào)制傳遞函數(shù)(Mo-dulation Transfer Function,MTF)是能夠表征系統(tǒng)整體質(zhì)量和分辨能力的一個(gè)重要的定量化指標(biāo)。成像系統(tǒng)的空間調(diào)制傳遞特性在圖像效果上主要表現(xiàn)為模糊,空間調(diào)制效應(yīng)包括光學(xué)系統(tǒng)的衍射、像差、離焦,探測(cè)器的時(shí)間濾波、像移、抖動(dòng),信號(hào)處理電路的CCD 轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散、電子濾波、高頻提舉等。這些物理效應(yīng)均符合線性系統(tǒng)調(diào)制特征,可看作是線性效應(yīng),利用各組成模塊的MTF來進(jìn)行模擬,其常規(guī)仿真流程和仿真效果如圖6所示。
本文參照文獻(xiàn)[15]得到系統(tǒng)總的調(diào)制傳遞函數(shù)為
MTFsys=MTFoptics·MTFdetector·MTFelectronics
(10)
式中:MTFoptics為光學(xué)系統(tǒng)的空間傳遞;MTFdetechtor為探測(cè)器的空間傳遞;MTFelectronics為信號(hào)處理電路的空間傳遞。每個(gè)傳遞函數(shù)均可展開為每一個(gè)物理效應(yīng)的傳遞函數(shù)的乘積,將其簡化展開為某些參數(shù)的傳遞函數(shù)表達(dá)式:
MTFsys=MTFoptics(λ,D,fr,ζ)·MTFdetector(d,f,ω)·
MTFelectronics(η)
(11)
式中:D為光學(xué)系統(tǒng)入瞳直徑;fr為角空間頻率;ζ為雜光系數(shù);d為探測(cè)器光敏中心距;f為光學(xué)系統(tǒng)焦距;ω為掃描角速度;η為CCD電荷轉(zhuǎn)移效率。從式(11)中可以看出,對(duì)于整個(gè)傳感器系統(tǒng)的MTF值,除λ外,其余參數(shù)相對(duì)已經(jīng)確定的觀測(cè)儀器是固定的,具體參數(shù)值參見文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)。成像傳感器系統(tǒng)參數(shù)D3可提取為與λ相關(guān)的函數(shù)表達(dá)式:
D3(λ)=MTF(λ)
(12)
飛機(jī)目標(biāo)的紅外高光譜圖像數(shù)據(jù)較難獲取,尤其是中遠(yuǎn)紅外波段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),本文選取了機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀(AVIRIS)數(shù)據(jù)與仿真理論模型進(jìn)行比對(duì)與校正。AVIRIS采用掃描式陣列成像,該數(shù)據(jù)空間分辨率為20 m,譜分辨率為10 nm,像素大小為400×400,覆蓋光譜范圍是0.4~2.7 μm共224個(gè)譜段(可用波段為201)。圖7所示為第20波段的San Diego海軍基地的AVIRIS影像數(shù)據(jù),紅框所示飛機(jī)為此次仿真對(duì)象。在飛機(jī)目標(biāo)幾何模型的提取中,選取了與AVIRIS數(shù)據(jù)中相同型號(hào)與姿態(tài)的飛機(jī)影像作為目標(biāo)幾何模型提取的數(shù)據(jù)源,在此基礎(chǔ)上以AVIRIS數(shù)據(jù)第1波段所對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)作為飛機(jī)目標(biāo)輻射亮度反演的溫度,進(jìn)而計(jì)算飛機(jī)目標(biāo)各譜段上的輻射亮度信息,背景數(shù)據(jù)同原圖背景保持一致。
圖7 San Diego基地某光譜段AVIRIS影像數(shù)據(jù)
圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)有三個(gè)準(zhǔn)則,一是峰值信噪比(PSNR),PSNR越大代表圖像失真越?。?二是信息熵(Information Entropy),是反映圖像所含有的信息層次豐富程度的變量,信息熵值越大,表明圖像所攜帶的信息量越大; 三是結(jié)構(gòu)相似度(SSIM),SSIM取值在[0,1]之間,等于1時(shí)代表兩幅圖像完全一致[11]。
SSIM(R,S)=l(R,S)α·c(R,S)β·s(R,S)γ
(13)
式中:R和S代表兩幅圖像;α,β和γ是調(diào)整照度l、對(duì)比度c和結(jié)構(gòu)s相對(duì)重要程度的常數(shù)。本文選用SSIM值作為模型校正的收斂閾值,并用SSIM值、信息熵和邊緣強(qiáng)度來度量仿真圖像與真實(shí)數(shù)據(jù)的相似程度。
由于仿真的飛機(jī)目標(biāo)在整幅圖像中的像素占比很低,本文不是選取整幅圖像作為結(jié)構(gòu)相似性的計(jì)算區(qū)域,而是選取了飛機(jī)目標(biāo)周圍的30×30區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域,有效杜絕仿真圖像與原圖因背景一致而產(chǎn)生相似性過高的情況。
模型參數(shù)校正思路:首先建立飛機(jī)目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度的參數(shù)化模型,然后基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本和模型處理結(jié)果,建立參數(shù)校正函數(shù),最后采用迭代算法,計(jì)算在參數(shù)校正函數(shù)取最優(yōu)解的參數(shù)值。
對(duì)仿真過程主要影響因素分析可知,模型參數(shù)可提取為目標(biāo)輻射特性、大氣輻射效應(yīng)和成像傳感器系統(tǒng)三個(gè)主要參數(shù),分別為D1,D2,D3。三個(gè)參數(shù)是以模擬當(dāng)前傳感器獲取影像時(shí)的特定大氣條件和傳感器系統(tǒng)參數(shù)的前提下進(jìn)行的初始化,現(xiàn)按照最小二乘法對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行校正。
(1) 建立目標(biāo)函數(shù)
假設(shè)實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)為N,飛機(jī)目標(biāo)輻射強(qiáng)度模型樣本In的集合S1={In,n=1,…,N},與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)相似性樣本SSIMn的集合S2={SSIMn,n=1,…,N},模型中共有P個(gè)模型參數(shù),模型參數(shù)Di的集合D={Di,i=1,…,P},其中D1,D3參數(shù)系數(shù)初始化系數(shù)設(shè)為0,D2系數(shù)初始化為1,系數(shù)調(diào)整取值均介于[0,1]之間,構(gòu)造參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為
(14)
(2) 迭代算法
迭代收斂條件為
SSIM0≥1-ε
(15)
式中:SSIM0為所有樣本數(shù)據(jù)的SSIM均值;ε為迭代收斂閾值,取值0.05。具體流程見圖8。
為了更加直觀地反映仿真模型校正前后的效果,選取了第20,130,200波段的高光譜數(shù)據(jù)作為仿真前后對(duì)比,如圖9所示。對(duì)比可看出,模型校正后的仿真效果更加逼真,與原圖相似度更高。
表1給出了上述三個(gè)波段圖像模型校正前后的仿真圖像與其對(duì)應(yīng)波段原始圖像結(jié)構(gòu)相似度、信息熵和邊緣強(qiáng)度等圖像特征的對(duì)比。
現(xiàn)將201個(gè)可用波段數(shù)據(jù)的圖像特征指標(biāo)進(jìn)行匯總,如圖10所示。
圖8 仿真流程圖
為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真模型校正的效果,采用中遠(yuǎn)紅外波段的飛機(jī)目標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型校正后的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,其中飛機(jī)飛行姿態(tài)和觀測(cè)波段均與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng),仍采用真實(shí)數(shù)據(jù)的背景,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)如圖11所示。同樣是選取了飛機(jī)目標(biāo)周圍的30×30區(qū)域作為結(jié)構(gòu)相似度的計(jì)算區(qū)域,經(jīng)計(jì)算SSIM值為0.901 4。
本文在建立飛機(jī)紅外高光譜仿真模型的基礎(chǔ)上,著重對(duì)模型的影響因素進(jìn)行了分析,將仿真模型的參數(shù)提取為目標(biāo)輻射特性、大氣輻射效應(yīng)和成像傳感器系統(tǒng)三個(gè)與觀測(cè)波段密切相關(guān)的主要參數(shù),并用含有飛機(jī)目標(biāo)的真實(shí)高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證和參數(shù)校正,將仿真模型的SSIM值由初始仿真的0.73~0.81提高到0.95以上,模型校正前后仿真圖像與原圖在信息熵和邊緣強(qiáng)度上體現(xiàn)的相似度也有所提高,在確保仿真參數(shù)提取有效性的同時(shí),也提高了仿真數(shù)據(jù)的置信度和模型的準(zhǔn)確性。當(dāng)然,本文提出的仿真模型參數(shù)的提取和模型校正的方法,對(duì)于飛機(jī)目標(biāo)在其他波段, 特別是在3~5μm尾焰輻射突出的波段缺少與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì),校正后的模型也不可能適用于所有的飛機(jī)目標(biāo),故此次研究是在飛機(jī)目標(biāo)紅外高光譜仿真的基礎(chǔ)上對(duì)仿真模型校正提供了一種驗(yàn)證思路。
圖9 仿真圖像對(duì)比
表1 模型校正前后的圖像特征統(tǒng)計(jì)
圖10 模型校正前后各波段圖像特征對(duì)比
圖11 紅外圖像