歐陽亞雄,彭銳暉,沙建軍,張 琳,張愷翊
(1.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.哈爾濱工程大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;3.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051;4.91977 部隊(duì),北京 102249)
高光譜技術(shù)在軍事偵察領(lǐng)域的應(yīng)用使得傳統(tǒng)的偽裝技術(shù)受到極大的挑戰(zhàn)[1-2],面對覆蓋可見光到近紅外納米級別光譜分辨率的高光譜偵察,研究發(fā)展高光譜偽裝技術(shù)具有重要意義,而高光譜偽裝效果評價(jià)方法研究成為其中的重要內(nèi)容。
對于高光譜偽裝效果評估方法,前人已開展相關(guān)研究工作,提出了諸如光譜距離[3]、光譜角[4]等衡量光譜相似度的特征指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,劉恂等將綜合光譜角、光譜距離和光譜導(dǎo)數(shù)距離作為評估指標(biāo),對三種偽裝材料的偽裝效果進(jìn)行評估,并提出錯(cuò)分率驗(yàn)證了方法的有效性[5]。華文深等在光譜維特征的基礎(chǔ)上,綜合考慮空間維的圖像紋理信息,對迷彩偽裝進(jìn)行評價(jià)[6]。由于增加了6 個(gè)空間維度的紋理信息,評價(jià)結(jié)果更加客觀。馬世欣等將圖像異常探測概率引入高光譜偽裝評估,克服了基于多特征描述評估方法指標(biāo)單一的問題[7]??偟膩砜?,基于高光譜偽裝的評價(jià)方法多利用光譜曲線形狀、幅度相似度來評估偽裝效果,并加入空間維度的圖像紋理信息等進(jìn)行綜合評估,其對光譜信息的匹配測度主要分為兩類——基于距離和基于形狀,鮮有基于光譜波段組合的高光譜偽裝評估方法。
偽裝的要求是目標(biāo)與背景“同譜同色”,基于光譜波段組合的光譜指數(shù)可以進(jìn)一步利用光譜維的信息,從精細(xì)化波譜匹配的角度對偽裝效果進(jìn)行客觀評價(jià),得到更加全面、穩(wěn)健的評估結(jié)果。本文采集典型林地、雪地背景下偽裝前后目標(biāo)和背景的高光譜圖像作為研究樣本,針對不同的背景,基于偽裝原理,分別設(shè)計(jì)并計(jì)算目標(biāo)和背景對應(yīng)的光譜指數(shù),利用光譜指數(shù)對圖像進(jìn)行閾值分割,通過閾值分割后的圖像對偽裝效果進(jìn)行可視化的定性分析。在此基礎(chǔ)上,提出光譜一致性系數(shù)(spectral consistency coefficient,SCC)指標(biāo),用于量化目標(biāo)和背景的差異,進(jìn)而對偽裝效果進(jìn)行定量分析,得到量化評估結(jié)果,并通過林地和雪地兩種實(shí)際場景的試驗(yàn)驗(yàn)證評估本文所提方法的有效性。
對于高光譜偽裝效果評估,一個(gè)重要方法是對目標(biāo)與背景的光譜特征差異進(jìn)行量化比較。特定波長的光譜反射率經(jīng)過組合運(yùn)算得到的光譜指數(shù)是量化光譜特征的有效手段,圖1(a)是典型植被的光譜曲線,歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index,NDVI)[8]通過紅光波段和近紅外波段反射率的組合,量化了植被典型的“紅邊效應(yīng)”特征,即植被在近紅外波段有強(qiáng)烈反射,而在紅光波段有強(qiáng)烈吸收。該指數(shù)在植被覆蓋率檢測[9]、農(nóng)作物健康狀況監(jiān)測[10-12]等領(lǐng)域的良好表現(xiàn),也證明了光譜指數(shù)作為一種量化特征手段的有效性。
圖1 典型地物光譜曲線Fig.1 Spectral curves of typical features
不同的地物背景,其光譜特征往往存在差異,對應(yīng)的光譜指數(shù)也因此不盡相同。根據(jù)植被特有的“紅邊效應(yīng)”構(gòu)建的NDVI 指數(shù)對于雪地背景不再適用,因?yàn)檠┑乇尘霸谧贤狻⒖梢姽獠ǘ斡休^高的反射率,而在短波紅外波段反射率很低,典型雪地光譜曲線如圖1(b)所示。針對雪地的光譜特征,通過可見光和短波紅外波段反射率組合構(gòu)建的歸一化積雪指數(shù)(normalized difference snow index,NDSI)[13]被廣泛應(yīng)用于積雪檢測[14-15],且效果良好。
可見,光譜指數(shù)可以有效量化典型地物的特征,基于此,計(jì)算偽裝目標(biāo)和背景光譜指數(shù)差異能客觀反映偽裝目標(biāo)與背景的光譜相似程度,進(jìn)而評估偽裝目標(biāo)的光學(xué)偽裝效果。
不失一般性,選取兩種不同的典型背景——林地和雪地作為研究對象,并結(jié)合目前普遍使用的可見光-近紅外光譜成像儀的波段范圍(400 nm~1 000 nm)對上述光譜指數(shù)進(jìn)行調(diào)整?;趥窝b基本原理,結(jié)合林地、雪地兩種背景的光譜特征,本文分別構(gòu)建新的光譜指數(shù),并提出光譜一致性系數(shù),應(yīng)用此系數(shù)指標(biāo)評估偽裝目標(biāo)的光譜偽裝效果。
本文針對林地和雪地背景選擇并構(gòu)建的光譜指數(shù)定義及原理描述如表1 所示。
表1 光譜指數(shù)定義及原理描述Table 1 Definition and principle description of spectral indices
構(gòu)建的光譜一致性系數(shù)表達(dá)式如下:
式中:k1、k2、···kn為權(quán)重系數(shù),且k1+k2+···+kn=1;n為光譜指數(shù)的個(gè)數(shù),根據(jù)光譜指數(shù)在目標(biāo)偽裝前后的變化劇烈程度而定,變化越劇烈,區(qū)分度越高,權(quán)重系數(shù)越大;Ii_tar、Ii_sur分別為目標(biāo)和背景在不同波段定義的光譜指數(shù)。
實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如圖2 所示。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如下:
圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Experimental design scheme
1)針對不同的背景,分別以車輛和帳篷為目標(biāo),選擇對應(yīng)的偽裝網(wǎng),林地背景下選擇綠色偽裝色為主的林地型偽裝網(wǎng),如圖3(a)所示;雪地背景下選擇白色偽裝色為主的雪地型偽裝網(wǎng),如圖3(b)所示。分別拍攝兩種背景下目標(biāo)覆蓋偽裝網(wǎng)前后的高光譜圖像,得到林地背景下未偽裝目標(biāo)、林地型偽裝目標(biāo)和雪地背景下未偽裝目標(biāo)、雪地型偽裝目標(biāo)四組數(shù)據(jù)作為研究對象。
圖3 不同類型偽裝網(wǎng)Fig.3 Different types of camouflage nets
2)實(shí)驗(yàn)對象布置如圖4 所示。其中A 為林地背景下未偽裝目標(biāo),B 為林地背景下偽裝目標(biāo),C 為林地背景;D 為雪地背景下未偽裝目標(biāo),E 為雪地背景下偽裝目標(biāo),F(xiàn) 為雪地背景。
圖4 實(shí)驗(yàn)對象布置Fig.4 Arrangement of experimental objects
3)數(shù)據(jù)采集于2022 年2 月27 日(雪地背景)赤峰地區(qū)及2022 年3 月24 日(林地背景)青島地區(qū),當(dāng)天天氣晴朗,采集時(shí)間為上午10:00~12:00,此時(shí)間段內(nèi)太陽光充足且穩(wěn)定,具備良好的成像條件。
本研究使用的高光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高光譜成像儀、旋轉(zhuǎn)臺、固定三腳架、采集電腦組成,高光譜成像儀型號為Resonon Pika L,如圖5 所示。該光譜儀成像波段范圍為400 nm~1 000 nm,光譜分辨率達(dá)到2.1 nm,詳細(xì)參數(shù)如表2 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的光照條件,將曝光時(shí)間設(shè)置為26 ms,拍攝目標(biāo)距離30 m~50 m,為完整記錄目標(biāo)與背景,設(shè)置拍攝幀數(shù)為1 200 幀,并設(shè)置幀率為40 f/s,為保證成像正確的長寬比,根據(jù)幀率調(diào)整轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度為1 °/s。
表2 Resonon Pika L 參數(shù)Table 2 Parameters of Resonon Pika L
圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖Fig.5 Physical drawing of experimental equipment
高光譜成像儀獲取的原始高光譜數(shù)據(jù)需要經(jīng)過輻射校正和反射率校正,方可得到反射率數(shù)據(jù)。原始DN 值與輻亮度之間存在線性關(guān)系:
式中:R為輻亮度數(shù)據(jù);DN為原始DN 值;k為斜率;b為截距。Pika L 成像光譜儀設(shè)備出廠前會經(jīng)過輻射度定標(biāo),得到式(2)中的斜率k和截距b并形成鏡頭的定標(biāo)文件,根據(jù)參數(shù)k、b即可將原始DN 值進(jìn)行處理得到輻亮度數(shù)據(jù)。
得到輻亮度數(shù)據(jù)后,根據(jù)式(3)對輻亮度影像進(jìn)行反射率校正:
式中:ρ為校正后的反射率數(shù)據(jù);Ra為處理得到的輻亮度數(shù)據(jù);Rd為蓋住鏡頭后得到的標(biāo)定數(shù)據(jù);Rw為標(biāo)準(zhǔn)白板輻亮度數(shù)據(jù);ρs為標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)用到的標(biāo)準(zhǔn)白板反射率為40%)。數(shù)據(jù)校正結(jié)果如圖6 所示。
圖6 高光譜數(shù)據(jù)校正結(jié)果Fig.6 Correction results of hyperspectral data
偽裝效果評估分為可視化定性評估和指標(biāo)量化評估,前者通過確定合適的閾值對圖像進(jìn)行分割,得到可視化的偽裝效果圖像,從圖像上可以清晰明了地判斷目標(biāo)偽裝效果的好壞。其中,閾值由典型背景的光譜指數(shù)取值區(qū)間確定,具體流程如圖7 所示,其中θx(x=1、2、3、4)為閾值常數(shù)。后者根據(jù)不同的背景,分別計(jì)算SCCveg、SCCsnow作為量化指標(biāo),如式(4)和式(5)所示,SCC越小,偽裝效果越好。
圖7 光譜指數(shù)可視化偽裝評估流程Fig.7 Visual camouflage evaluation process of spectral indexes
式中:SCCveg為植被背景下的光譜一致性系數(shù);SCCsnow為雪地背景下的光譜一致性系數(shù);Ii_tar表示目標(biāo)光譜指數(shù)值;Ii_sur表示背景光譜指數(shù)值(I=NDVI、GVI、NVI、NDSINIR、MSI);ki為權(quán)重系數(shù),且;Ii_cam和Ii_uncam分別為目標(biāo)偽裝前后的光譜指數(shù)。
同時(shí),計(jì)算傳統(tǒng)光譜評價(jià)指標(biāo)即光譜距離、光譜角,計(jì)算方法如式(6)和式(7)所示。將傳統(tǒng)指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果與本文方法的評價(jià)結(jié)果對比,結(jié)合實(shí)際偽裝情況分析本文方法的合理性和有效性。
式中:D為光譜歐氏距離;α為光譜角;A=(A1,A2,···,AN)為目標(biāo)光譜向量;B=(B1,B2,···,BN)為背景光譜向量;N為光譜數(shù)據(jù)波段數(shù)。D越小,cosα越大,則表示偽裝效果越好。
林地和雪地背景下的目標(biāo)與背景光譜曲線如圖8 所示。從圖8(a)可以看出,偽裝前車輛在可見光-近紅外波段范圍內(nèi)反射率均很高,保持在50%左右,與植被背景的先低后高有明顯差異。偽裝后的車輛整體反射率有明顯降低,在400 nm~700 nm 范圍內(nèi)光譜與植被背景非常相似,但在近紅外范圍內(nèi)(760 nm~1 000 nm)與背景有一定差別。
圖8 不同背景下的目標(biāo)與背景光譜曲線Fig.8 Spectral curves of target and background under different backgrounds
從圖8(b)可以看出,雪地和帳篷的反射率曲線存在明顯差異,雪地反射率整體較高,且隨著波長增加有下降趨勢,而帳篷反射率先低后高,在650 nm 左右處陡增;在可見光范圍(400 nm~760 nm)內(nèi),雪地反射率保持在70%以上,在近紅外范圍下降到60%以下,而帳篷反射率在可見光范圍內(nèi)較低,為20%左右,在近紅外范圍較高,為60%左右,兩者變化趨勢相反。偽裝后的帳篷反射率有整體性的提高,幅值與雪地基本接近,達(dá)到了70%左右,但偽裝后的帳篷近紅外波段反射率高于可見光波段,與雪地背景存在微小差異。
對于林地背景下偽裝效果的目視解譯分析,計(jì)算圖像的NDVI 光譜指數(shù),并取閾值θ1=0.2,θ2=0.8(典型植被區(qū)間)對圖像進(jìn)行分割,結(jié)果如圖9和圖10 所示。
圖9 偽裝前車輛及閾值分割下的圖像Fig.9 Vehicle before camouflage and image segmentation under threshold
圖10 偽裝后車輛及閾值分割下的圖像Fig.10 Vehicle after camouflage and image segmentation under threshold
從圖9 可以看出,當(dāng)邊界閾值取典型植被范圍時(shí)(0.2~0.8),未偽裝的車輛在圖中被明顯地分割出來,說明偽裝前車輛偽裝效果欠佳。由圖10 可知,偽裝后車輛的綠色斑塊與背景很好地融合在一起,而褐色斑塊被明顯地區(qū)分出來,說明NDVI對綠色植被的敏感性很高,也證明了本文方法的精準(zhǔn)性和有效性。
對于林地背景下偽裝效果的量化分析,分別計(jì)算偽裝前車輛A、偽裝后車輛B 與林地背景C 的各光譜指數(shù)均值,如表3 所示。計(jì)算偽裝前后目標(biāo)各光譜指數(shù)的差值絕對值并依次確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù),如表4 所示。由確定的權(quán)重計(jì)算目標(biāo)偽裝前后光譜一致性系數(shù),如表5 所示。計(jì)算目標(biāo)A、B 與背景C 的光譜距離D和光譜角余弦cosα,如表6 所示。
表3 林地背景下目標(biāo)與背景各光譜指數(shù)均值Table 3 Mean value of spectral indexes of target and background under forest land background
表4 目標(biāo)偽裝前后光譜指數(shù)差值及權(quán)重系數(shù)kTable 4 Spectral index difference and weight coefficien k before and after target camouflage
表5 目標(biāo)偽裝前后光譜一致性系數(shù)SCCvegTable 5 Spectral consistency coefficient SCCveg before and after target camouflage
表6 林地背景下目標(biāo)與背景光譜距離及光譜角Table 6 Spectral distance and spectral angle between target and background under forest land background
表7 雪地背景下目標(biāo)與背景各光譜指數(shù)均值Table 7 Mean value of each spectral index of target and background under snow background
表8 目標(biāo)偽裝前后光譜指數(shù)差值及權(quán)重系數(shù)kTable 8 Spectral index difference and weight coefficient k before and after target camouflage
表9 目標(biāo)偽裝前后光譜一致性系數(shù)SCCsnowTable 9 Spectral consistency coefficient SCCsnow before and after target camouflage
從表3 可以看出,偽裝前車輛NDVI 均值很小且接近于0,明顯偏離植被特征區(qū)間,這是因?yàn)槠湓诩t光和近紅外波段反射率差別不大,而植被背景因存在“紅邊效應(yīng)”,NDVI 均值達(dá)到0.559 7,偽裝后車輛的NDVI 均值明顯增大,達(dá)到0.391 6,在植被特征區(qū)間范圍內(nèi),說明偽裝后目標(biāo)與植被背景的相似度有所提高。偽裝前車輛GVI 指數(shù)達(dá)到0.828 8,嚴(yán)重偏離典型植被區(qū)間(0~0.3),偽裝后車輛GVI 指數(shù)下降到0.080 4,落入典型植被區(qū)間,同樣說明了偽裝效果良好。NVI 指數(shù)在目標(biāo)偽裝前后變化不大,但偽裝后的NVI 指數(shù)與背景相似度反而不如偽裝前,說明該偽裝網(wǎng)在800 nm~1 000 nm范圍內(nèi)偽裝效果欠佳,在設(shè)計(jì)偽裝網(wǎng)時(shí)應(yīng)當(dāng)引起重視。
由表4 得到的權(quán)重將以上各光譜指數(shù)綜合得到SCCveg。由表5 中的SCCveg可知,偽裝前SCCveg為0.521 6,偽裝后SCCveg下降到0.152 8,說明盡管表3 中個(gè)別光譜指數(shù)顯示目標(biāo)偽裝后的效果不如偽裝前,但SCCveg作為一個(gè)綜合指標(biāo),通過權(quán)重加和,揭示了目標(biāo)在偽裝后整體偽裝效果有明顯提升,偽裝效果良好,即偽裝效果A<B。結(jié)合表6 數(shù)據(jù)可知,偽裝后的車輛與背景光譜距離從7.326 8下降到2.019 0,光譜角余弦相似度從0.806 0 提高到0.970 3,兩指標(biāo)均說明偽裝效果A<B,這也與實(shí)際情況相符,說明光譜一致性系數(shù)作為偽裝評估指標(biāo)的正確性。另一方面,本方法可準(zhǔn)確判斷單個(gè)譜段的光譜一致性情況,而不是籠統(tǒng)地給予結(jié)論,也說明本文提出的方法更加全面,對光譜波段的分析更加精細(xì)。
對于雪地背景下偽裝效果的目視解譯分析,通過計(jì)算NDSINIR對偽裝前后圖像進(jìn)行閾值分割,不同的閾值θ分割結(jié)果如圖11 和圖12 所示。
圖11 偽裝前帳篷及不同NDSINIR 閾值分割下的圖像Fig.11 Tent before camouflage and image segmentation under different NDSINIR thresholds
圖12 偽裝后帳篷及不同NDSINIR 閾值分割下的圖像Fig.12 Tent after camouflage and image segmentation under different NDSINIR thresholds
從不同的閾值分割結(jié)果可以看到,偽裝前的帳篷因?yàn)镹DSINIR與雪地相差很大,在θ取不同值時(shí)均能將帳篷目標(biāo)從背景中明顯地區(qū)分開來,說明偽裝前帳篷偽裝效果不佳。偽裝后的帳篷NDSINIR有極大的提升,與雪地背景相近,當(dāng)閾值取典型雪地區(qū)間(0~0.1)附近值時(shí),如θ3=-0.1、θ4=0.1,偽裝帳篷在圖像中基本與背景融為一體,如圖12(b)所示,說明偽裝網(wǎng)效果良好。通過表10 可知,此時(shí)目標(biāo)與背景的光譜角相似度已經(jīng)達(dá)到了99.27%,目標(biāo)和背景極為相似,傳統(tǒng)的偽裝評估方法已經(jīng)難以將目標(biāo)和背景區(qū)分,而本研究提出的方法通過調(diào)整閾值θ,即取典型雪地區(qū)間(θ3=0、θ4=0.1)時(shí),可以將偽裝后的帳篷從背景中分離,如圖12(c)所示,說明本研究提出的方法對光譜信息的利用更加精細(xì)化,對揭示偽裝也可提供積極的參考價(jià)值。
表10 雪地背景下目標(biāo)與背景光譜距離及光譜角Table 10 Spectral distance and spectral angle between target and background under snow background
對于雪地背景下偽裝效果的量化分析,分別計(jì)算偽裝前帳篷D、偽裝后帳篷E 與雪地背景F 的各光譜指數(shù)均值,如表7 所示。計(jì)算偽裝前后目標(biāo)各光譜指數(shù)的差值絕對值并依此確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù),如表8 所示。由確定的權(quán)重計(jì)算目標(biāo)偽裝前后光譜一致性系數(shù),如表9 所示。并計(jì)算目標(biāo)D、E 與背景F 的光譜距離d和光譜角余弦cosφ如表10 所示。
從表7 數(shù)據(jù)可以看到,雪地背景的NDSINIR均值大于0 且幅值很小,MSI 均值較大,達(dá)到0.616 4,這是因?yàn)榉e雪在可見光到近紅外范圍內(nèi)反射率較高且呈緩慢下降趨勢;而偽裝前帳篷在可見光范圍內(nèi)反射率遠(yuǎn)低于近紅外波段反射率,且整體反射率低于雪地背景,故其NDSINIR均值為負(fù)且幅值很大,達(dá)到-0.768 1,而MSI 均值較低,為0.422 8,說明偽裝前目標(biāo)與背景相似度較低;偽裝后的帳篷NDSINIR均值增大到-0.037 5,極接近積雪特征范圍,MSI 也增大到0.671 6,與積雪背景更加接近。
由表8 中得到的權(quán)重系數(shù)將上述光譜指數(shù)加權(quán)綜合,得到如表9 所示的SCCsnow,可以看到,偽裝后SCCsnow從0.687 5 下降到0.112 1,說明偽裝后目標(biāo)與背景的差異明顯減小,光譜一致性有極大地提高,即偽裝效果D<E,結(jié)合表10 數(shù)據(jù),偽裝后目標(biāo)和背景光譜距離減小,光譜角余弦值增大,傳統(tǒng)指標(biāo)也得出偽裝效果D<E 的結(jié)論,這與實(shí)際情況相符。結(jié)合上述的可視化分析可知,本文提出的方法在整體上客觀反映了偽裝前后的偽裝效果變化,同時(shí)通過對特定光譜指數(shù)的分析,可以精準(zhǔn)定位各特定譜段偽裝目標(biāo)與背景的差異,從而達(dá)到精細(xì)化量化評估的目的,為偽裝器材設(shè)計(jì)和偽裝措施實(shí)施提供針對性的參考意見。
本文基于遙感光譜指數(shù)能夠簡便明了反映地物特征的特點(diǎn),分析不同背景的光譜特征,構(gòu)建了相應(yīng)的偽裝光譜指數(shù),并提出了基于光譜指數(shù)閾值分割的目視解譯偽裝評估方法以及基于光譜一致性系數(shù)的量化分析方法。通過對兩種典型作戰(zhàn)背景——林地、雪地下偽裝前后的目標(biāo)進(jìn)行偽裝評估實(shí)驗(yàn)并將結(jié)果與傳統(tǒng)評估方法對比分析,可以得到以下結(jié)論:1)本文提出的方法兼具可視化和量化分析的優(yōu)勢,既能通過圖像清晰直觀地反映目標(biāo)偽裝前后的偽裝效果變化,又能通過光譜一致性系數(shù)對目標(biāo)偽裝前后的偽裝效果進(jìn)行客觀量化評估,使得評估形式更加多樣化;2)本文提出的方法能正確客觀地反映目標(biāo)偽裝前后的實(shí)際偽裝效果,得出的偽裝效果評價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)指標(biāo)評價(jià)結(jié)果相吻合,且相較于傳統(tǒng)指標(biāo)評價(jià)方法,本文提出的方法對波譜信息的利用更加精細(xì),相較傳統(tǒng)的單個(gè)光譜指標(biāo),評估結(jié)論更為精細(xì)全面、穩(wěn)健可靠。綜上所述,本文的工作對偽裝材料設(shè)計(jì),偽裝措施實(shí)施,以及揭示偽裝等方面具有積極的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。