海上目標(biāo)可見光波段偽裝效果評估方法

郭 峰，馮云鵬，劉瑞杰，李 欣

(1.中國人民解放軍92857 部隊(duì)，北京 100161；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

0 引 言

可見光探測是被證實(shí)直接、有效的探測目標(biāo)技術(shù)手段，包括目視、可見光成像技術(shù)等，很早用于探測和隱身對抗研究。隨著目標(biāo)偵察探測手段的日益先進(jìn)，被探測目標(biāo)的偽裝技術(shù)也在不斷發(fā)展，使用隱身技術(shù)抑制或降低目標(biāo)的特征信號(hào)，可使目標(biāo)更難被發(fā)現(xiàn)。對海上目標(biāo)，如水面艦艇、處于潛望或通氣管航態(tài)的潛艇升降裝置、通氣浮筏，在應(yīng)用先進(jìn)雷達(dá)波隱身技術(shù)后，在遠(yuǎn)距離被探測的概率將大幅降低，在此背景下，中、短距離的隱身能力對于防止可見光波段的探測則顯重要。為此，評估海上目標(biāo)的可見光波段偽裝效果非常重要。

1 可見光波段偽裝方法

通常，在可見光波段范圍內(nèi)，探測系統(tǒng)的探測效果主要取決于海上目標(biāo)與海洋背景之間的亮度、色度、運(yùn)動(dòng)3 個(gè)視覺信息參數(shù)的對比特征，對海上目標(biāo)的可見光波段偽裝主要通過減少以上3 個(gè)對比特征，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)視覺信號(hào)的控制，進(jìn)而達(dá)到隱身的效果。要評估海上目標(biāo)的可見光波段偽裝效果，首先要分析其所采取的偽裝方法。

1.1 目標(biāo)整體設(shè)計(jì)控制特征信號(hào)方法

對海上目標(biāo)，在整體設(shè)計(jì)上主要通過艦體外表面的特殊外形設(shè)計(jì)，如將艦艇表面設(shè)計(jì)成多面體，使光多向散射或者以小水平面多向散射取代大曲面反射（效果與鏡面反射相似）[1]。同時(shí)，配合使用吸光性能強(qiáng)、反射性能差的顏色，進(jìn)而使得目標(biāo)的反射率盡可能與周圍海洋環(huán)境的反射率一致或接近，如艦艇的甲板油漆采用深褐色、側(cè)壁用深蘭灰色，能夠達(dá)到一定的隱身效果[2]。另外，污跡也會(huì)暴露航跡，海上目標(biāo)還需加強(qiáng)三廢的處理和隱蔽排放[3]。

1.2 控制目標(biāo)亮度對比度方法

該方法主要通過控制和降低被測目標(biāo)表面不同部位的亮度對比度，進(jìn)而提升其隱蔽性。

試驗(yàn)證明，沿著飛機(jī)的機(jī)冀前緣和發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩邊緣安裝一些將光束密封起來的燈，通過調(diào)節(jié)這些燈的光強(qiáng)度使之與天空匹配，飛機(jī)就會(huì)與天空的背景渾然一體，海上目標(biāo)也可以采取這種方法。為了降低海上目標(biāo)與海洋背景的亮度對比度，可通過直接控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的閃光信號(hào)，如通過主動(dòng)照亮低亮度部位，并使用傳感器調(diào)節(jié)整個(gè)目標(biāo)的亮度，消除不同部位的亮度對比，可達(dá)到整個(gè)目標(biāo)與背景亮度的匹配[4]。

圖1 可見光探測機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of visible light detection mechanism

1.3 目標(biāo)外表面處理方法

改變目標(biāo)表面的反射和輻射特性，通常采用迷彩涂層，對靜止目標(biāo)則主要采用偽裝網(wǎng)。

1）迷彩隱身

迷彩隱身利用涂料、顏料等改變目標(biāo)和背景的顏色，降低目標(biāo)顯著性，以及通過吸收電磁波達(dá)到隱身目的。迷彩涂料分為保護(hù)迷彩、仿造迷彩和變形迷彩，保護(hù)迷彩適合于單色背景上的固定和小型目標(biāo)；仿造迷彩適用于多色背景上相對固定的目標(biāo)；變形迷彩用于多色背景上的活動(dòng)目標(biāo)。迷彩涂料圖案斑塊的顏色、形狀大小是影響隱身效果的關(guān)鍵。對水面艦艇，各國普遍采用灰色單色。由于對艦艇的光學(xué)探測是多維度的，包括高空、水面和水下，針對不同探測方式、探測角度，艦艇不同部位的彩色配置也不同，如淺艦體色一般選用淺灰色、中灰色、深灰色，深艦體色則選暗?；遥€以下船體選用艦底紅色，甲板選用黃色或灰色。

2）智能偽裝涂層

藍(lán)綠激光探測器能夠探測到近水面航態(tài)下潛艇上部顏色光譜與周圍海洋背景光譜的差異。智能偽裝涂層可針對該探測方式，起到主動(dòng)隱身的效果，是可見光波段隱身研究重點(diǎn)方向。目前，正在研制的有光、熱、電等致變色隱身涂料，納米材料在可見光波段隱身領(lǐng)域也取得一定進(jìn)展，其在較寬頻率范圍內(nèi)均顯示出均勻的吸波特性。美國加州大學(xué)研發(fā)的一種可變折射率超材料，可基于光線路徑的改變實(shí)現(xiàn)可見光隱身效果。英國研發(fā)的新型熱敏化學(xué)隱身材料可實(shí)現(xiàn)溫度變化變色。俄羅斯研發(fā)的電致變色吸波薄膜，在實(shí)現(xiàn)飛機(jī)可見光智能隱身的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身。這類涂層材料對海上目標(biāo)的智能偽裝設(shè)計(jì)也有借鑒意義。

圖2 藍(lán)綠激光雷達(dá)探潛系統(tǒng)工作示意及成像示例Fig.2 The example of blue-green lidar submarine detection system

2 可見光波段探測模型

評估海上目標(biāo)的可見光波段偽裝效果，還需要分析對手的可見光波段探測方式，分析其探測模型。目前，可見光探測器一般與紅外探測設(shè)備一起構(gòu)成前視紅外/電視搜索系統(tǒng)，其工作方式與搜索雷達(dá)基本類同。

2.1 主要探測參數(shù)

用于可見光波段探測的波長為400～750 nm，探測設(shè)備的衍射角分辨率δ和引起的衍射極限斑直徑d分別為：

其中，λ 為波長，f′為探測設(shè)備焦距，6.4±1.5為光學(xué)口徑。目前，用作可見光探測的設(shè)備主要為電視成像系統(tǒng)，其參數(shù)主要是分辨率和顏色選擇及視場。

1）分辨率

目前，用于海上目標(biāo)探測的電視成像系統(tǒng)傳感器器件主要為彩色高分辨率成像CCD（電耦合元件），通常分辨率在600×800 以上。

2）視場

電視成像系統(tǒng)的視場角一般為：大視場4.3°（俯仰）×5.8°（方位），誤差±5%；小視場1.4°（俯仰）×1.9°（方位），誤差±5%。通常，用于海上目標(biāo)探測的電視成像系統(tǒng)的視場角可調(diào)，范圍一般應(yīng)為0.92°×0.69°～24°×18°，可選擇變焦工作方式。

2.2 作用距離

電視系統(tǒng)的作用距離在目標(biāo)成像對比度足夠的條件下，由系統(tǒng)空間分辨率所決定，而空間分辨率是由光學(xué)鏡頭焦距和CCD 像元尺寸組合后決定，即空間分辨率等于像元尺寸除以焦距。當(dāng)CCD 像元數(shù)一定時(shí)，空間分辨率則由電視視場大小來決定。當(dāng)長焦距鏡頭配上大尺寸CCD（如770 mm 配上1 in CCD）或短焦距鏡頭配上小尺寸CCD（如385 mm 配上1/2 inCCD），可實(shí)現(xiàn)相同的視場大小和相同的空間分辨率，兩者作用距離、對目標(biāo)的成像效果也一樣，只是后者的體積和重量比前者小。

1）空間分辨率計(jì)算模型

對空間分辨率的計(jì)算主要由Johnson 法則估算探測距離。目標(biāo)對系統(tǒng)的張角應(yīng)大于或等于觀察等級所要求的空間分辨率，即

其中：H為目標(biāo)高度；Ne為不同觀察等級要求下的目標(biāo)等效線對數(shù)；R為探測距離；θ為空間分辨率。

2）探測器感光探測

通常，在可見光0.38～0.76μm 波段，太陽光對海上目標(biāo)的輻照度可表示為：

對有效反射面積為L×W的平面目標(biāo)，若太陽–平面連線與目標(biāo)表面法線矢量的夾角為θ1，探測系統(tǒng)–平面連線與目標(biāo)表面法線的夾角為θ2，則根據(jù)目標(biāo)的反射特性及余弦定律，入射光波經(jīng)目標(biāo)反射后，在距離目標(biāo)R處的輻照度為：

其中，S為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳面積，S=π（D/2）2。當(dāng)像元尺寸為α，目標(biāo)識(shí)別要求為4 像元×4 像元時(shí)，探測器焦平面單位面積接收的輻照度為：

當(dāng)Φ1不小于CCD 所能響應(yīng)的最低照度Φmin時(shí)，目標(biāo)才能被探測。一般的CCD探測器的最低輻照度為10?2～10?3，則探測器最低照度影響下的對目標(biāo)的極限探測距離為：

3 海上可見光偽裝效果評估方法

在掌握對手可見光探測能力情況的前提下，可基于自身所采取的可見光波段偽裝方法，開展偽裝效果評估。相比陸地偽裝，海面沒有多樣化的地勢及遮掩物，海水顏色和波浪紋理是海上目標(biāo)進(jìn)行偽裝設(shè)計(jì)的重要考慮因素。目前，針對可見光偽裝的評估方法主要有基于圖像特征相似度評估方法和基于圖像質(zhì)量分析評估算法[5]。此2 種方法通過將RGB 顏色空間的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像來進(jìn)行算法處理，但這一處理會(huì)導(dǎo)致圖像顏色信息的缺失。而顏色是迷彩偽裝中不可或者缺的重要特征，使得2 種方法在評估的準(zhǔn)確性和真實(shí)性上存在一定誤差。另外，現(xiàn)實(shí)中迷彩偽裝設(shè)計(jì)不能忽略視覺感知信息的影響，以應(yīng)對觀察者的視覺感知能力。為此，對海上目標(biāo)偽裝效果的評估需綜合考慮圖像色差和圖像紋理特征的影響，其偽裝效果評估的流程框圖如圖3 所示，偽裝效果評估中圖像轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)圖像如圖4 所示。

圖3 海上目標(biāo)可見光波段偽裝效果評估框圖Fig.3 The evaluation of the camouflage effect of marine targets in the visible light band

圖4 船型迷彩偽裝目標(biāo)示意圖Fig.4 Schematic diagram of ship camouflage camouflage target

3.1 圖像顏色相似度評估

CIELAB 空間只適用于評價(jià)孤立的均勻色塊，僅采用CIELAB 顏色空間無法準(zhǔn)確地評價(jià)復(fù)雜圖像在色彩上的差異。為了模擬人眼觀察效果，需采用人眼對比度敏感函數(shù)（Contrast Sensitivity Functions，CSF）描述視覺的空間特性，有研究提出基于S-CIELAB 模型[5]的海面艦艇的圖像顏色相似度算法。將輸入的目標(biāo)和背景圖像剪裁為同樣像素尺寸，將輸入圖像由RGB 空間轉(zhuǎn)換到三維坐標(biāo)空間，再對輸入進(jìn)行色彩分離，根據(jù)人眼視覺特性將圖像分離為亮度圖像（黑–白圖像）和對比色圖像（紅–綠圖像、黃–藍(lán)圖像）。對圖像進(jìn)行S-CIELAB 空間濾波，再進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，進(jìn)而根據(jù)CIE 1976 中的算法，可獲取目標(biāo)和背景的L?a?b?值。

各個(gè)像素點(diǎn)之間的色差（ICS）可表示為：

式中：ICS(i)表示第i個(gè)像素點(diǎn)位置的色差；ΔL?(i)，Δa?(i)，Δb?(i)為兩圖之間第i個(gè)像素點(diǎn)位置的亮度差和各對比色色差值。

由于平均色差會(huì)忽視偏離色差的遠(yuǎn)近，圖像色差可采用各像素點(diǎn)的色差標(biāo)準(zhǔn)差來表示。

其中：N為圖像的總像素?cái)?shù)；ICS M為圖像各像素點(diǎn)色差的均值。ICS I評價(jià)指標(biāo)的取值越小，目標(biāo)偽裝和背景的色差越小，表明兩圖之間圖貌相似程度越高。

3.2 邊緣紋理相似度評估

人眼視覺系統(tǒng)HVS 對圖像結(jié)構(gòu)信息較敏感，在偽裝效果評估中需考慮HSV 特性。相比于圖像的平坦區(qū)域，人眼對圖像邊緣紋理區(qū)域更敏感，且邊緣紋理區(qū)域能反饋圖像大部分細(xì)節(jié)信息，利用圖像梯度能高效表達(dá)HVS 高度敏感的圖像局部結(jié)構(gòu)信息。對海上目標(biāo)，海浪紋理是海洋環(huán)境迷彩偽裝斑紋分布的設(shè)計(jì)依據(jù)，可將梯度幅值相似性偏差算法（GMSD）用于海上目標(biāo)迷彩偽裝斑紋設(shè)計(jì)的偽裝效果評估，采用Sobel 算子可檢測海上目標(biāo)和海洋背景圖像的邊緣紋理。通過卷積運(yùn)算可得到背景圖像與偽裝目標(biāo)圖像的梯幅值Gb(i)和Gc(i)。

梯度幅值相似度GMS為：

GMS函數(shù)進(jìn)行均方根處理，得到梯度結(jié)構(gòu)相似度偏差為：

其中：N為圖像像素?cái)?shù)；i為圖像像素點(diǎn)位置。GMS D值越小，表明偽裝目標(biāo)與背景之間的紋理相似度程度越高。

3.3 綜合偽裝效果評估模型

ICSI通過目標(biāo)和背景的顏色相似性來評價(jià)偽裝效果的好壞，GMSD則通過目標(biāo)和背景的邊緣紋理特征來評價(jià)偽裝效果的優(yōu)劣，將兩者相互結(jié)合可對目標(biāo)的迷彩偽裝效果進(jìn)行更全面、精確的評價(jià)。為了更準(zhǔn)確反映圖像特點(diǎn)，應(yīng)綜合評估2 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的影響，并采用熵權(quán)法計(jì)算評價(jià)指標(biāo)ICSI和GMSD的相應(yīng)權(quán)重ωICSI，ωGMSD，進(jìn)而將2 個(gè)指標(biāo)加權(quán)求和，得到海上目標(biāo)可見光波段的偽裝效果綜合評估結(jié)果：

4 結(jié) 語

本文在分析海上目標(biāo)可見光波段偽裝方法基礎(chǔ)上，基于對可見光探測器探測物理量的分析，建立了海上目標(biāo)探測模型，確定了海上目標(biāo)可見光波段偽裝效果的評估因子和評估方法，可以海上目標(biāo)的可見光波段偽裝效果綜合評估提供方法和參考。