城市環(huán)境下裝備車輛涂裝方案設(shè)計

王文娟 崔佩璋 李緒凱

摘要：裝備車輛涂裝是最基本的軍事偽裝手段，針對陸軍裝備車輛迷彩圖案設(shè)計種類少、數(shù)量少、難以滿足多層級分辨率下的偽裝等裝備車輛涂裝的問題，提出了基于城市作戰(zhàn)環(huán)境下，采用不同偵察手段、不同視角、不同分辨率下的車輛視圖建模，典型城市背景建模、車輛涂裝圖案設(shè)計方法、偽裝效果的三維可視化仿真模型與樣例驗證的方案論證。研究表明，基于融合理論的跨層優(yōu)化涂裝圖案設(shè)計方案在城市作戰(zhàn)背景下，具有抗多手段偵察、偽裝性能優(yōu)良的特點。

關(guān)鍵詞：城市作戰(zhàn)；陸軍裝備；迷彩偽裝；優(yōu)化融合

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）24-64-4

0引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速增長，世界正向城市化轉(zhuǎn)變，城市的軍事地位愈加重要，城市作戰(zhàn)正逐漸演化成一種新的軍事行動樣式。裝備車輛涂裝作為最基本的軍事偽裝手段，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中對抗偵察與打擊的常用手段之一[1-2]。而現(xiàn)有的陸軍裝備涂裝迷彩類型較少，僅適用于顏色偏綠的植被地貌和荒漠、高原、沙漠及其相似地區(qū)，城市作戰(zhàn)環(huán)境下陸軍裝備車輛迷彩偽裝方面仍存在一些不足。

本文針對陸軍裝備車輛在城市作戰(zhàn)背景下的涂裝需求，開展陸軍裝備車輛視圖建模、典型城市背景建模和車輛涂裝圖案設(shè)計等方面的研究。在城市作戰(zhàn)環(huán)境下將方案應(yīng)用于陸軍裝備車輛的涂裝中，為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中提高偽裝目標(biāo)戰(zhàn)場生存能力提供有利條件。

1裝備車輛涂裝問題

根據(jù)可查詢的陸軍裝備涂裝方案進(jìn)行分析判斷、總結(jié)不足，表現(xiàn)為以下幾個方面。

1.1迷彩圖案設(shè)計種類少、數(shù)量少

1988年，美國貝爾沃研究發(fā)展和工程中心完成413套迷彩圖案的設(shè)計，可滿足834種不同裝備的迷彩偽裝要求，該中心分別提供給美國陸軍駐多國部隊共計22 500套圖紙以適應(yīng)地域差異。

相對比，《GJB404-2000陸軍裝備變形迷彩圖冊》規(guī)定的典型裝備變形迷彩圖案也只有75張，僅能滿足林地南方型、林地北方型、草原型、荒漠型、雪地型作戰(zhàn)環(huán)境下或類似作戰(zhàn)背景下的偽裝。而我國幅員遼闊，各戰(zhàn)區(qū)地區(qū)性差異性大，僅有5種典型背景的變形迷彩圖案，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)具有廣泛機(jī)動特點的軍用車輛偽裝的需要。而未來的軍事行動極有可能會更多地集中在城市，城市作戰(zhàn)環(huán)境下的車輛偽裝是短板，而城市的道路和建筑物較為復(fù)雜，各種城市建筑風(fēng)格受地域、宗教等的影響，使得城市作戰(zhàn)背景下裝備偽裝受到挑戰(zhàn)。因此，與美陸軍相比，我國陸軍迷彩圖案設(shè)計種類少、圖紙數(shù)量少，導(dǎo)致其無法滿足多變的作戰(zhàn)環(huán)境。

1.2陸軍裝備車輛目標(biāo)偽裝難

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中，隨著光學(xué)單元、無人機(jī)、衛(wèi)星等高技術(shù)偵察探測手段的運用，戰(zhàn)場信息獲取能力不斷增強(qiáng)，各類軍事目標(biāo)面臨日益嚴(yán)峻的生存威脅。多樣化的偵察探測手段分辨率不同，監(jiān)測到的目標(biāo)顯著性也不同。多樣化的偵察探測手段條件下進(jìn)行的多層級分辨率下的目標(biāo)監(jiān)測，導(dǎo)致地面陸軍裝備車輛目標(biāo)易暴露、偽裝難。

1.3涂裝圖案特征跨層優(yōu)化融合難

對于城市背景而言，不同偵查設(shè)備、不同視角、不同分辨率下，背景的主顏色差別較大，甚至在同一視角下，不同地域內(nèi)背景也會差別較大，例如城市化地區(qū)的城市核心區(qū)、邊緣區(qū)、住宅區(qū)、郊區(qū)工業(yè)區(qū)等背景特征差別明顯，利用這些背景進(jìn)行涂裝顏色選取也會存在難度，光學(xué)單元、無人機(jī)、衛(wèi)星等各層級背景條件下得到的車輛涂裝圖案特征跨層優(yōu)化融合困難，導(dǎo)致難以滿足多層級分辨率下的車輛偽裝需要。

2城市作戰(zhàn)環(huán)境下陸軍裝備車輛涂裝方案

針對城市作戰(zhàn)環(huán)境下陸軍裝備車輛涂裝的問題，進(jìn)行涂裝方案的論證。將總體方案分為背景及目標(biāo)建模、車輛涂裝圖案設(shè)計、樣例驗證試驗3個層次，總體方案如圖1所示。車輛視圖建模是基于采集的車輛目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)在光學(xué)單元偵察場景、無人機(jī)廣域視角、航空衛(wèi)星成像背景下進(jìn)行的，典型城市背景建模主要依賴于遙感影像采集的城市背景下提取的典型城市背景特征；車輛涂裝圖案設(shè)計基于背景主色、背景紋理特征提取而設(shè)計，要結(jié)合多層背景下的跨層優(yōu)化融合生成最終的涂裝圖案。主要通過理論分析、計算機(jī)仿真實驗的方式開展。計算機(jī)仿真實驗是通過利用仿真軟件進(jìn)行模擬仿真，基于生成涂裝圖案構(gòu)建三維立體偽裝車輛目標(biāo)，開展模擬場景下的陸軍裝備車輛涂裝樣例驗證。

2.1陸軍典型車輛視圖建模與典型城市背景建模

信息數(shù)據(jù)采集是建模的基礎(chǔ)條件，任務(wù)包括陸軍典型裝備車輛目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)采集和典型城市背景遙感影像數(shù)據(jù)采集兩部分。

實現(xiàn)多角度下的陸軍典型裝備車輛目標(biāo)涂裝設(shè)計，需對車輛目標(biāo)進(jìn)行基于三維數(shù)據(jù)測量的立體建模。三維數(shù)據(jù)測量可采用接觸式測量和非接觸式測量2種方法，接觸式測量方法是利用尺子直接測量裝備，這種方法測量速度慢，但是精度高，可采用接觸式測量對少數(shù)典型裝備車輛結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。非接觸式測量主要有光學(xué)測量方法和基于視覺系統(tǒng)的方法。采用光學(xué)測量的方法對近距離、低分辨率的光學(xué)偵察下陸軍典型裝備車輛結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用基于視覺系統(tǒng)的雙目視覺數(shù)字測量方法對無人機(jī)廣域視角下陸軍典型裝備車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無人機(jī)具有空中優(yōu)勢，可增加拍攝角度，得到充分的數(shù)據(jù)。

航空衛(wèi)星成像偵察車輛距離遠(yuǎn)，衛(wèi)星成像偵察有圖像質(zhì)量、偵察時間及偵察區(qū)域等屬性的復(fù)雜性，為偵查到地面的裝備車輛，要求衛(wèi)星成像偵察獲取的圖像具有高分辨率，對衛(wèi)星成像偵察系統(tǒng)能力提出高要求。

當(dāng)涂裝圖案設(shè)計為數(shù)碼迷彩圖案時，對光學(xué)偵察下車輛目標(biāo)進(jìn)行立體視圖建模，典型建模方法是采用采集到的數(shù)據(jù)得到車輛的外觀信息，用目標(biāo)四邊形網(wǎng)格建模方法輸出符合數(shù)碼迷彩設(shè)計要求的三維規(guī)則四邊形網(wǎng)格模型。涂裝圖案設(shè)計為變形迷彩圖案時，因為要得到不定型斑點，需要設(shè)計車輛目標(biāo)的整體視圖模型。

無人機(jī)廣域視角下陸軍典型裝備車輛視圖建模研究具有諸多優(yōu)勢，無人機(jī)飛行高度不同時，可實現(xiàn)代替地面光學(xué)單元測量的低空目標(biāo)測量和代替衛(wèi)星視圖影像的高空目標(biāo)偵測[3]。項目主要研究無人機(jī)視角下介于地面光學(xué)單元測量和衛(wèi)星視圖影像之間的車輛視圖建模。進(jìn)行數(shù)碼迷彩設(shè)計時，可輸出包含整塊小四邊形網(wǎng)格的大四邊形網(wǎng)格模型。

航空衛(wèi)星成像偵察車輛更關(guān)注車上方視圖，可對車上方進(jìn)行視圖建模。同理，進(jìn)行數(shù)碼迷彩設(shè)計時，設(shè)計包含整數(shù)塊大四邊形網(wǎng)格的較大四邊形網(wǎng)格模型。圖2為設(shè)計數(shù)碼迷彩圖案時，3種視圖下的目標(biāo)網(wǎng)格模型[4]。

在城市作戰(zhàn)環(huán)境中，背景的成分包括建筑物、道路、樹木、路燈及橋梁等，由于氣候、社會、宗教和人文等外部因素，背景會更復(fù)雜?；诿圆蕚窝b設(shè)計原則，使車輛上某一種變形迷彩斑點圖案在某一城市作戰(zhàn)環(huán)境下有較強(qiáng)的適應(yīng)性，需對這一城市不同季節(jié)進(jìn)行詳盡地背景調(diào)查取樣和統(tǒng)計分析，并對地貌上各色背景進(jìn)行分析。隨著遙感衛(wèi)星傳感器技術(shù)的發(fā)展，獲得衛(wèi)星、航空及無人機(jī)平臺的高分辨率影像數(shù)據(jù)已不再是難題。

利用一部分衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行城市背景機(jī)器訓(xùn)練，借助像素數(shù)據(jù)和已有算法中獲取背景特征，給出相關(guān)特征和數(shù)據(jù)的可視形態(tài)表示，完成城市背景建模，利用一部分衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行識別驗證，目的是得到置信度較高的典型城市背景。

2.2車輛涂裝圖案設(shè)計

陸軍裝備車輛涂裝圖案設(shè)計是一項繁瑣且專業(yè)性較強(qiáng)的設(shè)計工作，借助計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行迷彩圖案設(shè)計，應(yīng)具有通用的輔助圖形設(shè)計功能，具有空間混色規(guī)律和斑點圖案優(yōu)化設(shè)計的專家系統(tǒng)，還應(yīng)建立各種背景的顏色資料庫，輸入各種目標(biāo)的外形尺寸（五面展開圖）數(shù)據(jù)庫。

涂裝圖案設(shè)計包括背景特征提取和涂裝圖案生成。背景特征提取又包括背景主色提取和背景紋理特征提取。背景主色提取可基于HSV模型和量化直方圖[5]、基于Lab顏色空間和K-means聚類[6]的迷彩顏色選取算法等。按照涂裝作業(yè)程序調(diào)制涂料，最后將涂料噴涂在車輛上，因此背景主色選擇應(yīng)符合《GJB 798-1990偽裝涂料漆膜顏色》標(biāo)準(zhǔn)。

紋理是所有物體表面特有的一種特征，按照規(guī)律對元素進(jìn)行排列，從而形成的一種重復(fù)的模式。利用算法提取城市背景的圖像紋理特征，在保留城市背景原有紋理結(jié)構(gòu)的情況下，車輛偽裝圖案要盡可能地與周圍背景融為一體，使車輛的邊界要盡可能模糊，因此需要將背景圖像紋理特征與背景主色結(jié)合來設(shè)計涂裝圖案。

保證觀測者處于不同的距離上觀察涂裝圖案都有變形的效果，需進(jìn)行跨層優(yōu)化融合。涂裝圖案設(shè)計應(yīng)運用混色規(guī)律，小斑點群經(jīng)過空間混色后能形成較大的斑點，而較大的斑點在更遠(yuǎn)的距離上又能混色成更大的斑點，以此保證活動目標(biāo)遠(yuǎn)近都有偽裝效果。經(jīng)混色后形成的大斑點還應(yīng)符合變形圖案的要求，如使車輛的角部變暗、斑點超出車輛邊沿、陰影部分涂上亮的斑點、大平面部分要有色彩反差大的斑點等。

2.3三維可視化仿真模型與樣例驗證試驗

涂裝方案的設(shè)定直接影響偽裝效果評價指標(biāo)的選擇，不同涂裝圖案采用的評價指標(biāo)不同，偽裝評價方法如圖3所示。將生成的涂裝圖案實施至背景圖像的目標(biāo)區(qū)域，獲得待測偽裝圖像。根據(jù)建立涂裝圖案、陸軍典型裝備車輛、顏色資料及典型城市背景數(shù)據(jù)庫，確定偽裝效果評價指標(biāo)、權(quán)重分配及偽裝效果評價等級、評價結(jié)果等內(nèi)容。根據(jù)光學(xué)單元、無人機(jī)及衛(wèi)星等不同分辨率下的偽裝圖像，設(shè)計評價指標(biāo)體系獲得指標(biāo)特征向量，利用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，計算加權(quán)相似度作為評價結(jié)果，調(diào)整指標(biāo)權(quán)重使評價結(jié)果被控制在0～1[7]，目的是針對輸入的城市背景圖片快速選擇顯著降低目標(biāo)在背景中的暴露程度的涂裝圖案。

3結(jié)束語

城市作戰(zhàn)環(huán)境下的陸軍裝備車輛涂裝是陸軍裝備涂裝研究不充分的一部分。針對目前陸軍裝備車輛涂裝在城市作戰(zhàn)的戰(zhàn)場環(huán)境下偽裝效果不理想、多形式偵查手段下車輛目標(biāo)偽裝難、跨層級車輛涂裝方案融合難等問題，研究基于陸軍裝備車輛模型的偽裝圖案設(shè)計方法，開展不同觀察手段、不同視角、不同分辨率下陸軍裝備車輛視圖建模、典型城市背景建模、車輛涂裝圖案設(shè)計。研究光學(xué)單元、無人機(jī)圖像、衛(wèi)星遙感影像多層級分辨率下采集的陸軍典型裝備車輛目標(biāo)建模、典型城市背景模型、車輛涂裝圖案生成及優(yōu)化方法、偽裝效果評價方法、偽裝效果的三維可視化仿真模型等內(nèi)容，探索形成新的陸軍裝備車輛的涂裝圖案，為城市作戰(zhàn)環(huán)境下陸軍裝備車輛降低目標(biāo)顯著性、提高偽裝效果建立參考。

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