淺析基于圖像信息的打擊效果評(píng)估技術(shù)

王仁驍，羅建華，周宇航，夏翕鞏

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

打擊效果評(píng)估指在對(duì)某一目標(biāo)實(shí)施火力打擊后，通過(guò)一定的偵查手段獲取戰(zhàn)場(chǎng)圖像等信息，然后利用信息處理相關(guān)技術(shù)快速、準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)毀傷效果進(jìn)行評(píng)估，并據(jù)此決定后續(xù)的作戰(zhàn)計(jì)劃。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，打擊效果評(píng)估的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，是決策后續(xù)戰(zhàn)役行動(dòng)非常關(guān)鍵的參考依據(jù)，是武器裝備試驗(yàn)中，評(píng)價(jià)裝備性能的重要參數(shù)。

1 目標(biāo)毀傷評(píng)估方法

1.1 評(píng)估階段

目標(biāo)毀傷評(píng)估可分為三個(gè)階段。初始為物理性評(píng)估，即根據(jù)圖像上提取出的目標(biāo)信息計(jì)算目標(biāo)的毀傷度；其次為功能毀傷評(píng)估，即在初始評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)功能級(jí)毀傷進(jìn)行定性定量評(píng)估；最后為系統(tǒng)評(píng)估，根據(jù)目標(biāo)物理、功能毀傷情況進(jìn)行推斷得到目標(biāo)的系統(tǒng)級(jí)毀傷，也是打擊效果評(píng)估的最高層次。

1.2 評(píng)估方法

1.2.1 圖像變化檢測(cè)法

在確保打擊前后目標(biāo)圖像能夠同時(shí)存在的情況下，將前后圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，從圖像中提取出目標(biāo)被打擊前后的影像，根據(jù)影像的變化，進(jìn)行毀傷評(píng)估。此方法適用于打擊前后圖像背景變化不大，如建筑物、機(jī)場(chǎng)等。

1.2.2 目標(biāo)特征識(shí)別法

在沒(méi)有辦法對(duì)目標(biāo)打擊前圖像進(jìn)行獲取的時(shí)候，只能對(duì)打擊后圖像進(jìn)行處理，識(shí)別出目標(biāo)和毀傷區(qū)域（如彈坑），進(jìn)而評(píng)估毀傷效果。根據(jù)圖像上提取的目標(biāo)幾何特征或紋理特征，通過(guò)模式識(shí)別的方式確定目標(biāo)和毀傷區(qū)域。與基于變化檢測(cè)的評(píng)估方法相比，該方法虛警率低、運(yùn)算量少，適用于人工軍事目標(biāo)。

1.2.3 基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的打擊效果評(píng)估

基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的打擊效果評(píng)估，是結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，在專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行打擊評(píng)估。專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的主要功能是存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)。主要包括來(lái)自書(shū)本上的知識(shí)和專(zhuān)家在長(zhǎng)期工作實(shí)踐中所獲得的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

2 基于圖像信息的打擊效果評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖像配準(zhǔn)技術(shù)

圖像配準(zhǔn)是使用某種算法，基于某種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，將一副或多幅圖片最優(yōu)映射到目標(biāo)圖片上的方法。它是圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)基本問(wèn)題。打擊效果評(píng)估的準(zhǔn)確度除了依賴(lài)圖像質(zhì)量外，圖像配準(zhǔn)也至關(guān)重要。在圖像配準(zhǔn)中，待配準(zhǔn)圖像與參考圖像的變換關(guān)系可通過(guò)數(shù)學(xué)模型表示為：

式（1）中：I1（x，y）為參考圖像；I2f（x，y）為待配準(zhǔn)圖像。一般只考慮在二維空間變換，因此，f和g分別表示二維幾何變換和灰度變換。

圖像配準(zhǔn)主要有三種方法，分別是基于灰度信息的方法、基于變換域的方法和基于特征的方法。在打擊效果評(píng)估過(guò)程中，被打擊目標(biāo)往往造成毀傷過(guò)度，使得景象內(nèi)容發(fā)生嚴(yán)重變化。這時(shí)需采用人工配準(zhǔn)圖像，即在打擊前后的圖像上選取3 對(duì)特征點(diǎn)，求解仿射變換模型。人工配準(zhǔn)能夠大大縮短計(jì)算機(jī)搜索匹配過(guò)程，提升圖像處理效率。典型的基于圖像信息打擊效果評(píng)估結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 典型的基于圖像信息打擊效果評(píng)估結(jié)構(gòu)

2.2 目標(biāo)打擊部位特征提取技術(shù)

目標(biāo)被打擊后，整體的特征和關(guān)鍵部位的特征都會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)被打擊部位的特征提取，可以描述出目標(biāo)被摧毀的位置和摧毀程度。通常情況下，利用紋理、像素灰度特征、幾何特征等來(lái)描述目標(biāo)的特征變化情況，另外，彈坑數(shù)量、分布、彈坑大小也可以用于后續(xù)毀傷評(píng)估。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，目標(biāo)在整幅圖像的占比率較小，如果對(duì)整幅圖像進(jìn)行變化檢測(cè)，將進(jìn)行大量不必要的計(jì)算，降低檢測(cè)效率，并造成毀傷信息誤提取。而且戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)多樣，每個(gè)目標(biāo)又是一個(gè)綜合體，包含了多個(gè)關(guān)鍵部位，各個(gè)部位的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)各異，致使評(píng)估準(zhǔn)則大不相同。因此，有必要在圖像變化檢測(cè)之前，進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域檢測(cè)并提取各關(guān)鍵部位。

在同一畫(huà)幅內(nèi)，包含著人工目標(biāo)和自然目標(biāo)，且大部分軍事目標(biāo)是人工目標(biāo)。人工目標(biāo)和自然目標(biāo)相比，具有更加明顯的幾何直線(xiàn)特征，紋理特征相對(duì)簡(jiǎn)單。把軍事目標(biāo)按照人工和自然劃分，則一幅圖像可以描述為：

式（2）中：F（x，y）為圖像；R（x，y）為自然背景；Oi（x，y）為人工目標(biāo)。

目前，人造目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得一定的成果，但在檢測(cè)精度、檢測(cè)適應(yīng)性等方面仍存在許多問(wèn)題。打擊效果評(píng)估系統(tǒng)主要針對(duì)的是人造目標(biāo)，在關(guān)鍵部位的提取和目標(biāo)區(qū)域的檢測(cè)上需要較高的精度，目前的人造目標(biāo)檢測(cè)很難達(dá)到這樣的精度要求。

2.3 基于專(zhuān)家系統(tǒng)的打擊效果評(píng)估技術(shù)

專(zhuān)家系統(tǒng)在人工智能領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，也是研究熱門(mén)度較高的領(lǐng)域。它可以看作是一個(gè)具有專(zhuān)門(mén)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)。將專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用于打擊效果評(píng)估中，并建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)知識(shí)、推理原則等，能夠大大提高評(píng)估效率。在知識(shí)表達(dá)上，主要依據(jù)目標(biāo)的類(lèi)型，建立關(guān)鍵部位的語(yǔ)義知識(shí)，并根據(jù)目標(biāo)關(guān)鍵部位毀傷對(duì)目標(biāo)功能影響程度，建立目標(biāo)功能毀傷評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2 所示。

圖2 毀傷評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)

3 存在的問(wèn)題

3.1 信息采集困難

為確保打擊效果評(píng)估的逼真度，最直接、最準(zhǔn)確的方法就是用實(shí)彈去采集評(píng)估信息，但消耗的成本高。同時(shí)也會(huì)受到場(chǎng)地、人員等各種各樣的限制，提升數(shù)據(jù)采集難度，影響研究進(jìn)度。因此，依托仿真模擬手段是實(shí)現(xiàn)高效率、低消耗打擊效果評(píng)估的必然趨勢(shì)。打擊效果的仿真模擬研究主要有兩種方法：①建模法。在已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，根據(jù)目標(biāo)屬性和武器殺傷力建立毀傷模型。此方法復(fù)雜程度高，耗費(fèi)人力物力較大。②圖像法。依托目標(biāo)毀傷效果與圖像灰度之間的關(guān)系，直接在圖像上分析得出毀傷后的圖像。這種方法簡(jiǎn)單易操作，但真實(shí)度不高。

3.2 圖像處理復(fù)雜

基于圖像的打擊效果評(píng)估需通過(guò)多種圖像處理技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。每種技術(shù)對(duì)應(yīng)不同的算法，每種算法都有其對(duì)應(yīng)的適用條件。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，目標(biāo)往往呈現(xiàn)綜合性，一個(gè)打擊目標(biāo)，存在多個(gè)關(guān)鍵部位，各個(gè)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)、特征都不同，在設(shè)計(jì)和選取合適的算法是打擊效果評(píng)估中的難點(diǎn)。例如，基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的打擊效果評(píng)估方法中，模板匹配的精度影響著評(píng)估結(jié)果，但是模板匹配只能平移，不能進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)和縮放，這就給圖像處理上增加了很大的工作量，同時(shí)多種圖像處理方法的疊加，也降低了圖像的準(zhǔn)確度。

3.3 模型有待完善

評(píng)估模型是在對(duì)目標(biāo)特性和武器性能都深入了解的基礎(chǔ)上建立的。不同的目標(biāo)具有不同的打擊效果評(píng)估模型，且模型與模型之間不具有通用性。隨著武器裝備性能不斷提升，打擊效果評(píng)估模型也需要隨之更新。在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估指標(biāo)的制定上，要及時(shí)更新才能準(zhǔn)確反映目標(biāo)的毀傷情況。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一

截至目前為止，中國(guó)在武器裝備作戰(zhàn)毀傷效能方面尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)路線(xiàn)，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、目標(biāo)易損性、武器裝備殺傷力等方面的數(shù)據(jù)庫(kù)不夠完善。面向高技術(shù)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)，毀傷評(píng)估將向多功能、定量化方向發(fā)展，更加需要一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)衡量武器裝備的毀傷效能。

4 結(jié)語(yǔ)

目標(biāo)打擊效果評(píng)估研究是一項(xiàng)綜合性研究，涉及多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，中國(guó)在毀傷評(píng)估方面取得了一定的科研成果，但目標(biāo)毀傷仿真、毀傷數(shù)據(jù)庫(kù)建立、毀傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)制定等方面仍存在短板。開(kāi)展基于圖像的打擊效果評(píng)估研究對(duì)提升武器裝備精確打擊能力有著積極作用，對(duì)中國(guó)武器裝備的研發(fā)具有重大意義。