美國計算機(jī)視覺技術(shù)發(fā)展與軍事應(yīng)用

徐晨

國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京，100040

0 引言

計算機(jī)視覺就是使用計算機(jī)及成像設(shè)備對人類視覺系統(tǒng)的一種生物模擬，是讓機(jī)器像人那樣“看”，其基本原理是通過光學(xué)非接觸式成像設(shè)備，如攝像機(jī)等系統(tǒng)模擬人類的眼睛對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤識別、分析和測量，并作為輸入手段，用計算機(jī)代替人腦將采集到的目標(biāo)數(shù)據(jù)或影像處理成更合適人眼觀察和儀器檢測的圖像。最終目標(biāo)是讓計算機(jī)像人那樣通過視覺觀察且理解世界[1]。

計算機(jī)視覺的研究始于20世紀(jì)70年代早期，是賦予機(jī)器智能的開始。20世紀(jì)80年代，很多科學(xué)家開始研究圖像和場景的分析方法，并采用定量甚至更復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析。20世紀(jì)90年代，計算機(jī)視覺領(lǐng)域最顯著的一個發(fā)展是與計算機(jī)圖像學(xué)的結(jié)合，特別是在圖像的建模和繪制方面。進(jìn)入21世紀(jì)后，計算機(jī)視覺領(lǐng)域通過與機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的交叉融合，在與圖形學(xué)結(jié)合、物體識別方法、算法優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用等方面取得了廣泛的技術(shù)突破，主要表現(xiàn)如下：①計算機(jī)視覺與圖形學(xué)相互融合；②提出了以特征方法為基礎(chǔ)的物體識別方法；③發(fā)展了更高效求解復(fù)雜全局化問題的算法；④復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)方法在計算機(jī)視覺問題中的應(yīng)用，目前主導(dǎo)著該領(lǐng)域很多視覺識別的研究。

目前，國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界在計算機(jī)視覺領(lǐng)域取得了大量成果，例如：美國特斯拉把計算機(jī)視覺運(yùn)用到汽車輔助駕駛上，讓計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對智能駕駛的輔助支持。其他的應(yīng)用還包括無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)學(xué)成像、監(jiān)視和交通監(jiān)控等。

隨著其應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)大，美軍積極開展了計算機(jī)視覺技術(shù)在軍事上的應(yīng)用研究。例如，美軍在戰(zhàn)場態(tài)勢感知、精確打擊、無人裝備、指揮控制和情報輔助決策等軍事領(lǐng)域開展了計算機(jī)視覺應(yīng)用研究。雖然計算機(jī)視覺在很多領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用，但是與人類的視覺相比，其功能仍處在低水平階段，還存在實(shí)體定義不明、目標(biāo)檢測識別不到位、實(shí)體追蹤不準(zhǔn)等問題，其領(lǐng)域的研究在很大程度上仍然依賴于對生物視覺機(jī)理的理解。

1 美軍計算機(jī)視覺技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目

計算機(jī)視覺技術(shù)作為一項(xiàng)賦能技術(shù)，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展和完善、技術(shù)瓶頸和難點(diǎn)的不斷攻克，越來越凸顯了它的應(yīng)用價值，成為人工智能領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。伴隨著近年人工智能技術(shù)成為美軍重點(diǎn)關(guān)注方向這一趨勢，計算機(jī)視覺等前沿科技創(chuàng)新不斷助力美軍信息裝備技術(shù)向智能化、無人化、自主化、協(xié)同化方向發(fā)展。美軍持續(xù)加快計算機(jī)視覺領(lǐng)域的項(xiàng)目布局，開展了一系列計算機(jī)視覺技術(shù)項(xiàng)目研究，如“指南針”“心靈之眼”“深綠”“指揮官虛擬參謀”“戰(zhàn)地物聯(lián)網(wǎng)”“智能神經(jīng)接口”“基于圖式的知識導(dǎo)向人工智能推理系統(tǒng)”“Maven”等，力爭搶占計算機(jī)視覺技術(shù)等人工智能技術(shù)軍事應(yīng)用的先機(jī)。

1.1 “指南針”

2018年美國國防高級研究計劃局（DARPA）“指南針”項(xiàng)目旨在利用先進(jìn)人工智能技術(shù)提高指揮官面對復(fù)雜破壞活動的決策效能，最終為戰(zhàn)區(qū)級作戰(zhàn)人員和規(guī)劃人員提供強(qiáng)大的決策輔助分析工具，通過計算機(jī)視覺技術(shù)，分析海量數(shù)據(jù)，識破對方的身份和企圖?！爸改厢槨表?xiàng)目研發(fā)的輔助決策工具能夠幫助分析人員鑒別正在發(fā)生的事是否正常。

1.2 “心靈之眼”

國防部2010年啟動的“心靈之眼”計劃，旨在開發(fā)視覺智能，依靠機(jī)器學(xué)習(xí)可廣泛應(yīng)用和生成事物間的行為描述。其可將來自戰(zhàn)場的視頻文件進(jìn)行輸入和學(xué)習(xí)，并對相關(guān)場景進(jìn)行推理，形成行為描述，用于探索能夠根據(jù)視覺信息進(jìn)行自動化地面監(jiān)視和實(shí)現(xiàn)態(tài)勢認(rèn)知與推理的戰(zhàn)場監(jiān)視系統(tǒng)，且采用計算機(jī)視覺技術(shù)幫助指揮員快速理解戰(zhàn)場態(tài)勢，并自主生成行動建議。

1.3 “深綠”

2007年DARPA開展的“深綠”計劃，是將人工智能和仿真技術(shù)嵌入作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，其最主要的核心技術(shù)是采用計算機(jī)視覺等技術(shù)，在戰(zhàn)爭環(huán)境下，反復(fù)將戰(zhàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬、仿真并推演出敵我雙方采用不同作戰(zhàn)方案可能產(chǎn)生的戰(zhàn)爭結(jié)果，來推斷敵方可能采取哪些作戰(zhàn)行動以及戰(zhàn)場態(tài)勢感知的發(fā)展方向，引導(dǎo)指揮官依據(jù)計算機(jī)視覺技術(shù)評估的結(jié)果做出正確合理的決擇。

1.4 “指揮官虛擬參謀”

2016年美國陸軍啟動的“指揮官虛擬參謀”項(xiàng)目，是繼“深綠”后美軍發(fā)展指揮控制智能化而開發(fā)的又一個人工自能視覺相關(guān)的項(xiàng)目。通過綜合運(yùn)用計算機(jī)視覺技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行研判，提出主動建議、高級分析和自然人機(jī)交互，為指揮員制定戰(zhàn)術(shù)決策提供從規(guī)劃、準(zhǔn)備、執(zhí)行到戰(zhàn)場行動回顧全過程的決策支持。

1.5 “戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)”

美國陸軍“戰(zhàn)地物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目，2017年啟動，以計算機(jī)視覺、深度融合技術(shù)為核心，將戰(zhàn)場傳感器、武器、車輛、機(jī)器人以及作戰(zhàn)人員可穿戴設(shè)備等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，提升戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。

1.6 “智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”

DARPA“智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”2019年2月啟動，描述實(shí)現(xiàn)“人機(jī)融合”的思路，為了在網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)和圖像視頻分析、無人機(jī)集群操作等方面增強(qiáng)人類能力，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、腦機(jī)接口等技術(shù)建立智能武器裝備和作戰(zhàn)人員之間的心靈感應(yīng)鏈接，讓作戰(zhàn)人員能夠與機(jī)器或者計算機(jī)間進(jìn)行思想互動。

1.7 “基于圖式的知識導(dǎo)向人工智能推理系統(tǒng)”

DARPA自2019年以來牽頭開展的“基于圖式的知識導(dǎo)向人工智能推理系統(tǒng)”項(xiàng)目,旨在利用計算機(jī)視覺技術(shù)對復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界事件的語境和時間進(jìn)行推理，致力于鑒別和發(fā)現(xiàn)大量紛繁復(fù)雜的事情和媒體片段中的某種聯(lián)系，分析并預(yù)測他們?nèi)绾握归_。

1.8 “算法戰(zhàn)跨職能小組”

2017年美國國防部創(chuàng)建“算法戰(zhàn)跨職能小組”項(xiàng)目，是計算機(jī)視覺人工智能應(yīng)用的一次嘗試，可以在人類無法到達(dá)的區(qū)域如在低空等作戰(zhàn)環(huán)境下，對監(jiān)視設(shè)備拍攝的大量監(jiān)視錄像和視頻展開歸類鑒別，將異常的或相關(guān)的視頻標(biāo)識出來，并提醒操作員注意，提高了情報分析人員的工作效率。后續(xù)將引進(jìn)更為先進(jìn)的計算機(jī)視覺技術(shù)[2]。

1.9 “深度多模式視頻活動”

2016年DARPA啟動“深度多模式視頻活動”，旨在開發(fā)多攝像機(jī)流媒體視頻環(huán)境中的強(qiáng)大自動活動檢測能力，項(xiàng)目運(yùn)用計算機(jī)視覺迅速定位視頻中危害公共安全的威脅并檢測政府安全設(shè)施潛在的威脅。這些項(xiàng)目和系統(tǒng)通過運(yùn)用計算機(jī)覺技術(shù)，改變了依靠人力進(jìn)行目標(biāo)搜尋的方式，大大降低了人力成本；同時，縮短了目標(biāo)識別的時間，大大提高了效率。

2 軍事應(yīng)用現(xiàn)狀

計算機(jī)視覺技術(shù)本來是一項(xiàng)民用技術(shù)，但美軍通過開展一系列計算機(jī)視覺技術(shù)項(xiàng)目和計劃的研究，推動了計算機(jī)視覺技術(shù)在軍事中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

2.1 海量軍事數(shù)據(jù)處理

計算技術(shù)視覺技術(shù)徹底改變了純粹借助人力的傳統(tǒng)式目標(biāo)搜索方法，變成情報信息監(jiān)控和偵察體系的“能量推力器”。美國利用計算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行了大量智能裝備的研發(fā)和應(yīng)用。美國防部“敏捷禿鷹”吊艙已經(jīng)完成了在MQ-9“死神”察打一體無人機(jī)上的驗(yàn)證試驗(yàn)，其利用計算機(jī)視覺技術(shù)，實(shí)時處理海量情監(jiān)偵數(shù)據(jù)，提高了無人機(jī)的整體作戰(zhàn)能力。美軍“算法戰(zhàn)跨職能小組”項(xiàng)目將計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)算法融入智能采集單元，通過讓計算機(jī)進(jìn)行目標(biāo)的自動識別，判斷其是否存在敵對活動，分析人員可據(jù)此更高效、更及時做出決策[3]。

2.2 可提供高質(zhì)量的圖像識別

在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中，存在大量人眼無法完成的圖像識別情況。計算機(jī)視覺技術(shù)可實(shí)現(xiàn)被遮擋物以及人眼無法觸及的非視線下的圖像識別。如DARPA資助的“利用主動光場革命性加強(qiáng)可見性”(REVEAL)項(xiàng)目已取得試驗(yàn)成功，利用計算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非視線成像技術(shù)的全面突破，做到了被遮擋物體的高分辨率實(shí)時成像。DARPA的“心靈之眼”項(xiàng)目開發(fā)的無人機(jī)智能相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對物體和動作的準(zhǔn)確識別。

2.3 可為復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境提供輔助決策支撐

計算機(jī)視覺系統(tǒng)可以結(jié)合人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境的偵查和監(jiān)測，為輔助決策提供信息支撐。無論是DARPA的“深綠”計劃，還是美國陸軍的“指揮官虛擬參謀”項(xiàng)目，都是通過綜合運(yùn)用計算機(jī)視覺技術(shù)依據(jù)對獲取目標(biāo)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、分析、推理和研判，或是對戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行計算機(jī)視覺技術(shù)的分析，提出主動建議和通過人機(jī)交互，為指揮員制定戰(zhàn)術(shù)決策提供依據(jù)和參考，實(shí)現(xiàn)從規(guī)劃、準(zhǔn)備、執(zhí)行到戰(zhàn)場行動回顧全過程的決策支持。2018年DARPA的“指南針”項(xiàng)目是幫助作戰(zhàn)人員通過衡量敵方對各種刺激手段的反應(yīng)弄清其意圖，在不適宜采用OODA(觀察、定位、決定、行動)作戰(zhàn)的“灰色地帶”運(yùn)用計算機(jī)視覺等人工智能技術(shù)輔助指揮官進(jìn)行決策。

2.4 可與多種裝備系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)指揮控制

計算機(jī)視覺技術(shù)可以與武器裝備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)指揮。如美國協(xié)同視覺智能技術(shù)供應(yīng)商Edgybees公司為美國空軍AFWERX技術(shù)創(chuàng)新計劃提供它的“百眼巨人”增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決方案，將公司計算機(jī)視覺技術(shù)集成到空軍系統(tǒng)，增強(qiáng)對復(fù)雜環(huán)境操作場景的態(tài)勢感知能力，為指揮官提供遠(yuǎn)程作戰(zhàn)指揮控制。計算機(jī)視覺目前也應(yīng)用于便攜式導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)和大型海軍打擊導(dǎo)彈的武器系統(tǒng)。美國海軍表示，由L3技術(shù)公司制造的HE-4G導(dǎo)彈已通過了設(shè)計審查，允許項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計鑒定和潛在部署。2022年1月，美國特種作戰(zhàn)司令部與Anduril工業(yè)公司簽署了一份高達(dá)9.7億美元的合同，使其成為美軍反無人系統(tǒng)集成合作伙伴。將Anduril公司綜合了計算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的反無人機(jī)系統(tǒng)方法整合到一系列的系統(tǒng)中，“滿足針對特種作戰(zhàn)部隊(duì)優(yōu)化的減輕操作人員任職負(fù)擔(dān)的解決方案的獨(dú)特要求”。

2.5 可實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)的自主探測、定位和精確打擊

計算機(jī)視覺技術(shù)在無人系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先是人工進(jìn)行無人系統(tǒng)的操作，操作員從攝像機(jī)和激光雷達(dá)等攝影設(shè)備收集視覺和空間數(shù)據(jù)，隨后對它們進(jìn)行標(biāo)識。新標(biāo)識的數(shù)據(jù)信息將由無人系統(tǒng)軟件的人工智能算法運(yùn)作，進(jìn)而訓(xùn)練無人系統(tǒng)在攝像機(jī)和激光雷達(dá)的視距范圍內(nèi)識別物體，并聯(lián)想類似對象，從而避免危險。目前，小型無人機(jī)正在探索利用計算機(jī)視覺算法進(jìn)行獨(dú)立飛行，并通過對障礙物的掃描計算來躲避障礙物[4]。

采用計算機(jī)視覺技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)自主探測、定位和精確打擊。如美國人工智能與安全航電系統(tǒng)公司2019年宣布，推出了一款能使自主飛行器超視距飛行的首個商用計算機(jī)視覺探測與規(guī)避解決方案，使無人機(jī)系統(tǒng)能像飛行員一樣理解周邊航空環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)自主探測、避撞等。美軍阿帕奇直升機(jī)通過計算機(jī)視覺技術(shù)更新改造后，不但能夠全自動給予戰(zhàn)場圖象，還能夠全自動對1000個偵查目標(biāo)進(jìn)行歸類，依據(jù)威協(xié)等級挑選比較威脅目標(biāo)進(jìn)行自主打擊[5-6]。

3 計算機(jī)視覺技術(shù)對武器裝備建設(shè)和對作戰(zhàn)的影響

未來戰(zhàn)爭，智能化因素將滲入戰(zhàn)事和戰(zhàn)備訓(xùn)練的整個過程，如智能感知、智能化情報搜集、智能輔助管理決策、智能化指揮控制、智能化無人作戰(zhàn)服務(wù)平臺等，將變成決定戰(zhàn)爭輸贏的關(guān)鍵實(shí)力。計算機(jī)視覺技術(shù)作為人工智能技術(shù)的重要組成部分，終將對裝備和未來作戰(zhàn)產(chǎn)生影響。

3.1 對武器裝備建設(shè)的影響

在實(shí)際作戰(zhàn)中，可借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專門的視覺硬件等對目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)跟蹤，計算機(jī)視覺系統(tǒng)通過觀察，可在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下自動識別出潛在威脅，為目標(biāo)打擊提供參考信息。因此，計算機(jī)視覺系統(tǒng)也呈現(xiàn)出逐步向高度集成的嵌入式和小型化邁進(jìn)和采用更高可信度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖像的精準(zhǔn)識別等方面發(fā)展。

（1）在嵌入式和小型化方面，美國Iris Automation公司的Casia項(xiàng)目是一款超輕量、低功耗、小尺寸的，搭載了智能算法和軟件的計算機(jī)視覺模塊，可用于各種尺寸的無人機(jī)及目前流行的駕駛平臺，具有可擴(kuò)展、可升級的特性。

（2）在圖像精準(zhǔn)識別方面，DARPA正在探索使用深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)抵御卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干擾，防止圖像基于像素的修改和“擾動”等計算機(jī)出現(xiàn)視覺欺騙。

3.2 對作戰(zhàn)的影響分析

計算機(jī)視覺技術(shù)作為一種賦能技術(shù)，對作戰(zhàn)將產(chǎn)生以下影響。

（1）增強(qiáng)情監(jiān)偵系統(tǒng)情報獲取和處理能力，全面提升戰(zhàn)場態(tài)勢感知。情報監(jiān)視偵察領(lǐng)域是計算機(jī)視覺技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向，可顯著提升情報人員分析綜合的準(zhǔn)確性和效率，為指揮官準(zhǔn)確掌握復(fù)雜戰(zhàn)場情況、快速高效處置各類戰(zhàn)場問題以及深度認(rèn)知戰(zhàn)略形勢等提供可能。美軍開展的“深綠”“指南針”“指揮官虛擬參謀”等一系列項(xiàng)目，都是通過計算機(jī)視覺技術(shù)對海量數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場態(tài)勢提出研判和建議，為指揮員制定戰(zhàn)術(shù)決策提供支持。

（2）提高了戰(zhàn)場人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能力。人機(jī)混合是將人的生物性能和機(jī)器的物理性能進(jìn)行有效的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，形成人機(jī)協(xié)同能力。未來戰(zhàn)爭，人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)將成為無人作戰(zhàn)平臺運(yùn)用的新態(tài)勢，并常態(tài)化存在?！安捎糜腥?無人”協(xié)同編隊(duì)，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、各取所長。計算機(jī)視覺可為人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)提供“感知引擎”和“強(qiáng)勁大腦”，通過人機(jī)系統(tǒng)獲取戰(zhàn)場和目標(biāo)的重要信息，經(jīng)過算法處理，即形成相應(yīng)決策，并依據(jù)指揮員的個人經(jīng)驗(yàn)和思維習(xí)慣等特征做出最終判斷。計算機(jī)視覺的發(fā)展，在人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)方面，對于從戰(zhàn)態(tài)勢感知、指揮決策、目標(biāo)引導(dǎo)、火力打擊到毀傷評估的全過程將產(chǎn)生極大的影響，對提升人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能具有顯著作用。在計算機(jī)視覺和人工智能技術(shù)推動下，人機(jī)協(xié)同將改寫未來戰(zhàn)爭規(guī)則。

（3）催生作戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)智能化，大幅提升戰(zhàn)場指控效率。在未來作戰(zhàn)中，無人武器裝備可以通過計算機(jī)視覺技術(shù)對目標(biāo)的視頻信息進(jìn)行分析和解構(gòu)，形成圖像信息，再利用計算機(jī)視覺的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別技術(shù)，讀取解構(gòu)后的圖片中的信息，自動識別出潛在威脅，為自主目標(biāo)打擊提供參考。美軍的“算法戰(zhàn)跨職能小組”和“指揮官虛擬參謀”項(xiàng)目都可協(xié)助美軍快速分析戰(zhàn)場上收集的ISR數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)指揮人員的高效戰(zhàn)術(shù)決策。DARPA在2020年4月宣布的與美國陸軍和空軍聯(lián)合開展的“空域快速戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行全面感知”計劃，也是采用計算機(jī)視覺等人工智能新技術(shù)，在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下為友軍空域作戰(zhàn)提供實(shí)時通用作戰(zhàn)圖像，為其“有人-無人”系統(tǒng)在同一空域內(nèi)安全行動和執(zhí)行攻擊提供決策支持，大幅提升戰(zhàn)場質(zhì)控效率。

4 結(jié)語

隨著人工智能技術(shù)在美軍智能化裝備應(yīng)用的不斷深入，基于計算機(jī)視覺技術(shù)的智能裝備和技術(shù)也在不斷深入和發(fā)展，其軍事應(yīng)用正在逐步強(qiáng)化。計算機(jī)視覺技術(shù)在處理海量數(shù)據(jù)、感知態(tài)勢、輔助人類高效完成任務(wù)甚至全面替代人類工作方面潛力巨大，尤其是在無人系統(tǒng)中的應(yīng)用，將為未來戰(zhàn)場C4RSI等領(lǐng)域帶來深刻的變革。