集群目標(biāo)偽裝效果評(píng)估指標(biāo)及其權(quán)重系數(shù)的研究

馮中偉， 胡江華， 李昌鑫

（陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007）

0 引言

在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，偽裝[1]作為提高軍事目標(biāo)對(duì)抗偵察和打擊的有效手段，其重要性與日俱增。信息化條件下的戰(zhàn)場(chǎng)，地面作戰(zhàn)方式以集群作戰(zhàn)為主。當(dāng)前對(duì)目標(biāo)的偽裝效果檢測(cè)與評(píng)估研究主要針對(duì)單個(gè)目標(biāo)靜止?fàn)顟B(tài)情況下，對(duì)多機(jī)動(dòng)裝備和設(shè)施的偽裝效果評(píng)估研究，可更貼近偽裝裝備的作戰(zhàn)應(yīng)用真實(shí)狀態(tài)[2]。常用的評(píng)估方法有灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估法、層次分析法、Bayes 網(wǎng)絡(luò)等[3]。 對(duì)于圖像特征權(quán)重的探究由于涉及人的心理活動(dòng)， 一般采用專家打分的方式確定權(quán)重系數(shù)， 因此對(duì)圖像特征權(quán)重的估計(jì)很大程度上受到專家主觀意志的影響， 設(shè)計(jì)顯著圖相似度法確定每種圖像特征對(duì)人眼視覺刺激的權(quán)重系數(shù)。

1 集群目標(biāo)偽裝效果評(píng)估指標(biāo)

偽裝效果評(píng)估指標(biāo)包括偽裝效果戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和偽裝效果技術(shù)指標(biāo)兩類。 隱真?zhèn)窝b效果指標(biāo)體系見圖1。

圖1 隱真?zhèn)窝b效果指標(biāo)體系

1.1 集群目標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)

1.1.1 目標(biāo)與背景的圖像特征

（1）灰度特征。 灰度直方圖（圖2）表示灰度特征，可以反映每種灰度級(jí)像素個(gè)數(shù)以及圖像中每種灰度的出現(xiàn)次數(shù)。

圖2 灰度特征

（2）色度特征。 HSV 顏色空間（圖3）采用三個(gè)分量：色調(diào)H、飽和度S、亮度V，此顏色空間與人的視覺感知密切聯(lián)系。

圖3 色度特征

（3）紋理特征。 局部二值模式（LBP）是一種用來(lái)描述圖像局部紋理特征的非參數(shù)算子（圖4），它具有旋轉(zhuǎn)不變性和灰度不變性等顯著的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 紋理特征

（4）斑塊特征。形狀信息反映了圖像中物體的幾何物理特性，背景斑塊特征提取（圖5）是進(jìn)行斑塊特征分析的前提。

圖5 斑塊特征

1.1.2 集群類型

集群類型不同，偽裝效果差異較大。以幾種常見的集群為例，集群類型指標(biāo)I1如表1 所示。

表1 集群類型指標(biāo)

1.1.3 集群規(guī)模

偽裝效果隨集群規(guī)模的變化而變化， 可利用其編制的大小進(jìn)行簡(jiǎn)化。 記一個(gè)連的兵力為單位1，一個(gè)排為1/3，集群規(guī)模I2可簡(jiǎn)化為

式中：mi1，mi2分別是集群中第i 種目標(biāo)的排級(jí)、 連級(jí)編制數(shù)量；n 是該集群所含目標(biāo)總種類數(shù)。

1.1.4 分散程度

目標(biāo)較為分散時(shí)， 有利于其隱蔽機(jī)動(dòng)， 偵察難度加大，反之不利于隱蔽。分散程度對(duì)偽裝效果的影響可用影響因子I3來(lái)表示為

表2 分散程度量化關(guān)系

1.2 集群目標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo)

1.2.1 基于Hausdorff 距離的動(dòng)態(tài)變形度指標(biāo)

目前尚未建立目標(biāo)偽裝前后變形程度的衡量指標(biāo)，這里將基于目標(biāo)偽裝前后形狀特征參數(shù)集合之間的Hausdorff 距離[4]叫定義為變形度。 偽裝前后的Hausdorff距離定義為：

其中符號(hào)‖·‖為定義在點(diǎn)集合A 和B 上的某種距離范數(shù)。計(jì)算出的Hausdorf 距離數(shù)值越大，說(shuō)明偽裝前后目標(biāo)形狀差異越大，反之不大。

1.2.2 集群目標(biāo)動(dòng)態(tài)組合相似度指標(biāo)

在描述一幅圖像的特征時(shí)， 可以從目標(biāo)與其鄰域背景的顏色、形狀、紋理特征三個(gè)角度出發(fā)。 基于顏色矩的顏色特征、灰度共生矩陣的紋理特征和Hu 不變矩的形狀特征可分別用向量表示：

Texture =（Energy Contrast Correlation Homogeneity Entropy）T

基于這三種圖像的特征向量建立一個(gè)圖像的特征參數(shù)向量空間，即：

Object=（RGB Texture Hu）T

2 不同圖像特征相似度權(quán)重系數(shù)計(jì)算方法

2.1 眼動(dòng)圖像的ROI 提取

利用眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)獲得的有效注視焦點(diǎn)通過(guò)圖像處理方法提取ROI 圖像。 在大量實(shí)驗(yàn)圖片中選取典型的顏色鮮艷圖像和高空偽裝目標(biāo)圖像如圖6 所示， 提取的ROI 如圖7 所示。

圖6 原始圖像

圖7 二值化的眼動(dòng)ROI 圖像

2.2 基于ittl模型的圖像ROT提取

為了與眼動(dòng)儀獲取的圖像綜合特征興趣圖像ROI 比較相似度， 對(duì)四個(gè)特征顯著圖賦予不同的權(quán)重系數(shù)得到圖像綜合特征顯著圖并二值化，如圖8 所示。

圖8 圖像特征綜合顯著圖ROI

2.3 圖像區(qū)域相似度評(píng)價(jià)

為了對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬的圖像顯著區(qū)域和眼動(dòng)儀跟蹤記錄的視覺興趣圖像， 計(jì)算不同特征權(quán)重圖像ROI 和二值化的眼動(dòng)圖像ROI 的相似度來(lái)評(píng)價(jià)權(quán)重系數(shù)的影響程度[5]。定義兩個(gè)二值化圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的差異作為像素點(diǎn)相似度S1，采用眼動(dòng)ROI 和圖像ROI 的質(zhì)心坐標(biāo)的距離描述相似度S2：

式中g(shù)i和si為二值圖像中第i 個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素值，N為圖像總像素個(gè)數(shù)，（xg，yg）和（xs，ys）是 圖像ROI 和眼動(dòng)ROI 的質(zhì)心坐標(biāo)，M*N 是圖像的總像素。因此結(jié)合像素點(diǎn)相似度和質(zhì)心坐標(biāo)相似度共同定義眼動(dòng)ROI 和圖像ROI的相似度。

S 越接近1 說(shuō)明圖像ROI 與眼動(dòng)ROI 相似度越高，即該權(quán)重系數(shù)的圖像特征與人眼視覺刺激程度越接近。

2.4 正交實(shí)驗(yàn)

對(duì)顏色、紋理、亮度和形狀特征不同水平的權(quán)重系數(shù)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料選取圖像顏色特征的權(quán)重范圍，見表3。

表3 權(quán)重系數(shù)正交實(shí)驗(yàn)因素表

利用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選取內(nèi)容不同的多種圖像利用上述正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行相似度計(jì)算。 4 幅圖像根據(jù)正交試驗(yàn)表提取不同權(quán)重系數(shù)組合的圖像二值化ROI 并計(jì)算相似度，計(jì)算結(jié)果見表4。

統(tǒng)計(jì)和分析多幅空對(duì)地圖像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 對(duì)于空中偽裝目標(biāo)與背景圖像而言亮度的權(quán)重系數(shù)最大且大于0.3，紋理特征權(quán)重系數(shù)最小且不超過(guò)0.2，顏色特征權(quán)重系數(shù)范圍是0.2～0.3， 形狀特征權(quán)重系數(shù)范圍是0.3～0.4。根據(jù)表4 的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定空中偽裝目標(biāo)與背景圖像的亮度、形狀、顏色、紋理特征對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為0.35、0.30、0.23、0.12。

表4 圖像特征相似度正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文首先研究集群目標(biāo)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)偽裝效果評(píng)估指標(biāo)，基于 Hausdorff 距離定義運(yùn)動(dòng)目標(biāo)偽裝前后的變形度，并根據(jù)判讀原理、人眼視覺注意機(jī)制等，將作為描述圖像最直接而有效的顏色、紋理和形狀特征構(gòu)成一個(gè)特征參數(shù)空間，再利用谷本度量計(jì)算出目標(biāo)與其鄰域背景之間的相似度定義為組合相似度。根據(jù)偽裝圖像特征權(quán)重分析的特殊性，選擇設(shè)計(jì)顯著圖相似度法確定每種圖像特征對(duì)人眼視覺刺激的權(quán)重系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明空中偽裝目標(biāo)圖像中的圖像亮度特征和形狀特征對(duì)人眼的視覺影響更大，紋理特征影響最小，為后續(xù)偽裝效果評(píng)估提供支持。