城市人員目標光學特性及探測手段分析

孟繁樂 ，張 峰

（1.中國電科智能科技研究院，北京 100144；2.中國電子科技集團有限公司認知與智能技術(shù)重點實驗室，北京 100144）

0 引 言

城市環(huán)境主要由路網(wǎng)、街區(qū)、建筑物以及地下設(shè)施等要素組成。復雜的結(jié)構(gòu)具有隱蔽性好、堅固性高、錯綜復雜的特點，為某些目標提供了良好的隱蔽條件。本文將分析城市目標的特點，結(jié)合目標的特點梳理對目標的探測方法。

1 城市目標特點

本文針對城市人員目標，對其特點進行分析和分類。人員目標通常會通過物體掩護、環(huán)境背景相似等方式分散隱藏在城市環(huán)境中。光電成像探測手段是最常見、最直觀的目標探測方式，本文將結(jié)合該手段對人員目標可能存在的隱藏、遮擋、喬裝方式進行分析，如圖1所示，為基于光學探測的智能目標檢測識別算法研究提供參考依據(jù)。

圖1 城市人員目標特點

1.1 特定服裝、喬裝

城市人員目標可能以特定服裝、喬裝的方式出現(xiàn)。特定服裝是指穿著與城市環(huán)境相似的特定服裝降低其與周圍環(huán)境的區(qū)分度，比如穿迷彩服在綠化帶中隱藏；面部遮擋喬裝主要是利用口罩、帽子、眼鏡等方式遮擋面部特征，實現(xiàn)其在人群中隱藏。如圖2所示。

圖2 特定服裝、喬裝方式

1.2 物體遮擋

通常，城市人員目標還會選擇利用周圍環(huán)境進行身體掩護，隱藏在室內(nèi)、街巷、綠化帶、窗口、圍墻等物體中。其身體絕大部分會被遮擋，偶爾露出頭部來觀測環(huán)境。其中，身體遮擋比例是由身體被遮擋區(qū)域的圖像像素面積與其全身像素面積的比值計算得到。遮擋比例越大，人員特征越不明顯，檢測識別就越困難。

1.3 遠距離、快速移動、玻璃遮擋

一些從事某種特定任務(wù)的城市人員目標可能隱藏在距離較遠的制高點，可以將其看作遠距離目標。此外，還存在多種造成成像模糊的情況，包括目標快速移動以及相機抖動導致的圖像模糊，以及由于建筑物、汽車等物體的玻璃遮擋導致的目標圖像模糊，如圖3所示。

圖3 移動和遮擋

1.4 低光照極暗弱

城市地下環(huán)境及密封室內(nèi)在無供電情況下，或者夜晚弱光照情況下，極易出現(xiàn)我在明處、目標在暗處的被動局勢，形成極大威脅。因此，對于這種低光照的暗弱目標的探測識別極為重要。

2 目標探測方法

當前，城市目標探測技術(shù)不斷發(fā)展成熟。本文以梳理光電探測方法為主，同時介紹幾種其他探測手段。

2.1 光電成像探測方法

常用的光電成像探測方法主要包括可見光探測方法、高分辨率探測方法、紅外探測方法、微光探測方法、偏振探測方法以及多光譜/高光譜探測方法等。為了結(jié)合不同探測方法的優(yōu)勢，也發(fā)展出將幾種不同探測方法進行結(jié)合的方式，從而形成更好的目標探測能力，如微光與紅外圖像融合、高分辨率結(jié)合多光譜探測以及光譜偏振探測。

2.1.1 可見光探測方法

可見光探測方法符合人的視覺習慣，因此成為最常用的信息獲取手段。該方法通過可見光成像系統(tǒng)對場景成像，形成光學圖像，進行目標探測。比如，將相機搭載于無人平臺，為無人裝備提供偵察感知能力；城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)由安裝于不同位置的多個攝像頭構(gòu)成，也可用于對目標的監(jiān)視和跟蹤。隨著近年來計算機視覺技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究人員設(shè)計開發(fā)了大量的智能算法，用于對不同特性目標的自動檢測識別。

針對目標受物體遮擋的情況，通常根據(jù)目標的遮擋程度（比例），分為無遮擋（0%）、一般遮擋（1%～35%）、嚴重遮擋（35%～80%）和完全遮擋（≥80%）。按照遮擋程度對目標檢測算法進行研究[1]，可以分為基于數(shù)據(jù)增強、基于整體特征以及基于部分語義的檢測算法。

針對面部遮擋喬裝的目標識別問題，文獻[2]總結(jié)了有遮擋人臉識別的處理方法，從重構(gòu)生成模型、遮擋位置判別模型及魯棒特征提取三個方面進行詳細綜述。對于喬裝人員的識別，還可以考慮通過行人重識別技術(shù)實現(xiàn)對特定目標任務(wù)的檢測和跟蹤[3]。背景相似目標檢測問題是目標檢測領(lǐng)域的新熱點，是利用計算機視覺和機器學習等技術(shù)，將隱藏在圖像背景環(huán)境中的目標對象檢測出來，一些算法已經(jīng)在自然界的物種自身保護中得以成功應用[4]，對著特定服裝目標（如穿著迷彩服在綠化帶中躲避等情況）可以考慮采用這些目標檢測算法。

對遠距離目標的光學成像，往往會造成目標相比于常規(guī)尺寸目標，在圖像中所占像素數(shù)量較少，分辨率較低。目標檢測領(lǐng)域?qū)⒊叽缧∮?2×32像素的目標或者尺寸小于原圖0.12%的目標稱為小目標。由于其像素少，特征表達弱，常規(guī)的目標檢測算法用于小目標檢測的效果不夠好。因此，小目標檢測逐漸成為研究熱點[5]，對遠距離目標的檢測需要選擇或者設(shè)計小目標檢測算法。

對于相機抖動、物體位移等原因造成的目標模糊問題，圖像運動模糊還原技術(shù)用于將此類圖像修復，也是當前計算機視覺領(lǐng)域的熱點。文獻[6]對該技術(shù)進行了綜述。類似地，玻璃遮擋、霧霾天氣、雨天等造成的圖像退化，也需要采取對應的圖像增強與復原方法進行修復，之后再采用目標檢測識別技術(shù)實現(xiàn)目標探測。

2.1.2 高分辨率探測方法

高分辨率成像技術(shù)主要是利用大口徑光學系統(tǒng)，在可見光波段配合高效能探測相機，實現(xiàn)對目標高空間分辨率的觀測。對于遠距離目標，高分辨成像后具有足夠的像素數(shù)量，便于通過智能檢測識別算法對目標進行自動提取。高分辨率成像技術(shù)可用于機載成像探測[7]，或與其他譜段成像技術(shù)結(jié)合，用于衛(wèi)星遙感探測[8]、遠距離探測等。

2.1.3 紅外探測方法

弱光、無光環(huán)境下，目標在普通可見光探測方法中幾乎無法分辨。此時，紅外探測方法可實現(xiàn)對目標的探測。紅外探測方法利用紅外敏感探測器對目標場景進行探測，通過檢測目標的自身熱輻射獲得輻射光的強度。當目標和背景場景在紅外波段輻射存在差別時，可以對目標進行有效的識別。一方面，在黑暗環(huán)境下，紅外探測可提供增強視覺的能力，如熱像儀能夠?qū)δ繕顺上?，同時具有穿透雨、雪、霧、靄等不良天氣的能力，提供全天時的視覺能力。另一方面，對于在可見光譜段范圍不可見的目標，如躲藏在遮擋物后面具有特殊目的的人員，紅外成像可以透過一般光學遮障而探測到目標。

2.1.4 微光探測方法

對于弱光環(huán)境，除了紅外探測方法外，微光成像技術(shù)也可以實現(xiàn)目標探測。微光成像技術(shù)又稱像增強技術(shù)，物體反射光經(jīng)過該技術(shù)基于光電效應、電子倍增及光電轉(zhuǎn)換等原理，對夜間為弱光或其他非可見光照明下的景物進行圖像攝取、轉(zhuǎn)換和增強，最后顯示為人眼可見的圖像。微光圖像具有較高的空間分辨率，但是其成像效果會受到天氣條件的影響。

紅外和微光均可提供夜視探測能力，然而單獨使用時各自均存在缺點，圖像融合技術(shù)可以綜合二者的特征信息，獲得天氣適應性強、分辨率高的圖像，增強場景理解，能夠更詳細、精準地展現(xiàn)場景、探測目標[9]。

2.1.5 偏振探測方法

偏振成像技術(shù)利用目標本身的輻射強度差異和偏振特性差異進行目標和背景的區(qū)分，不同物體或同一物體的不同狀態(tài)都會產(chǎn)生不同的偏振狀。偏振成像探測能夠提供目標的表面粗糙度、紋理走向、表面取向以及導電率等信息。城市環(huán)境中，目標與場景的偏振特性差異比較大，使得偏振成像技術(shù)能夠探測在照度低、背景復雜、目標遮擋和隱藏等情況下的目標，符合安防監(jiān)控、遙感遙測、光電跟蹤及目標捕捉等領(lǐng)域的應用需求。

2.1.6 多光譜/高光譜探測方法

多光譜成像技術(shù)一般在成像系統(tǒng)中加入分光元件，提供3～12個非連續(xù)波段形成細化的探測圖像，并通過對比多幅不同波段的探測圖像來識別目標。高光譜的波段數(shù)為100～200個。光譜成像探測同時獲得目標的光譜、空間和強度信息，能夠利用光譜匹配或光譜異常檢測等方式完成對目標的探測。通常，多光譜成像設(shè)備的空間分辨率低于高分辨率成像儀，但其能夠提供探測目標的光譜維度信息，配合高分辨率成像儀使用，可以獲得更強的偵測能力。

2.1.7 光譜偏振探測方法

隨著現(xiàn)代偽裝技術(shù)向多波段兼容方向發(fā)展，單純依靠光譜特性檢測目標的難度變大。由于任何物體在反射、散射和透射太陽輻射時，都會產(chǎn)生與其自身理化特性緊密相關(guān)的光譜偏振特征，因而可以利用光譜偏振成像探測目標。光譜偏振成像作為強度和光譜的有效補充，不僅能夠?qū)δ繕说目臻g位置、形態(tài)和成分進行分析，而且能夠?qū)Ρ砻胬砘Y(jié)構(gòu)進行精細分析，為目標特征反演提供技術(shù)基礎(chǔ)。在偵察應用中，由于偏振特性受目標自身材質(zhì)、形狀等因素影響，很難制作與背景偏振特征完全相似的目標，因而，即使目標在可見光成像中與背景極其相似，利用光譜偏振成像通常也能成功探測。光譜偏振成像是一種新興的目標探測手段。

2.2 其他探測方法

2.2.1 穿墻雷達

穿墻雷達利用低頻電磁波的穿透特性，可以在不破壞現(xiàn)場的情況下探測到隱藏在墻體、砂石、林木等障礙物之后的目標[10]。其具備不受天氣、光線外界條件影響的特點。將穿墻雷達及多種偵察手段配合使用，能夠為現(xiàn)場偵察提供有效方法[11]。

2.2.2 非視域成像

非視域成像技術(shù)針對隱藏物體進行成像，其原理是利用激光照射到中介面上進行漫反射，光經(jīng)過漫反射后二次傳輸?shù)诫[藏物體上，間接獲取隱藏物體的信息，最終對隱藏物體進行成像[12]。該技術(shù)可以用于城市街道拐角處或室內(nèi)的隱藏人員和物體，對視線以外區(qū)域的目標進行定位。

2.2.3 仿生復眼相機

仿生復眼相機是受生物昆蟲復眼的啟發(fā)而設(shè)計的，可實現(xiàn)視角和景深極大化。相比于傳統(tǒng)的單眼成像技術(shù)，復眼成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超高分辨率的成像，在超低照度、超寬視場角等大場景（如城市的機場、港口等要地）有著良好的應用前景。

3 結(jié) 語

本文對城市環(huán)境下具有特殊目的的人員目標按照特定服裝、喬裝、物體遮擋、遠距離、快速移動、玻璃遮擋及低光照極暗弱進行了分類，并對現(xiàn)有目標探測方法進行了梳理，給出探測方法所適用的目標類型，為城市具有特殊目的的人員目標探測和連續(xù)跟蹤提供了參考。

在城市目標探測技術(shù)上，由于城市環(huán)境復雜干擾，具有如各種天氣變化、煙霧雨水干擾、黑夜白晝更迭等情況，以及目標自身存在不易發(fā)現(xiàn)等問題，如何實現(xiàn)城市環(huán)境下全天時、全時域復雜遮擋隱藏及非視域目標探測識別，仍是需要解決的難題和研究重點。

在目標探測設(shè)備發(fā)展方面，根據(jù)不同的目標探測場景，選擇不同的探測技術(shù)，而探測設(shè)備的性能往往與其形態(tài)成反比。無論通過哪種方式進行探測，考慮到人員體能和機動平臺的載荷，小型化、低功耗是目標探測設(shè)備的一個發(fā)展方向。同時，往往越先進的硬件傳感裝置越能高效探測到想要的信息，后續(xù)需要的算法復雜度也越低，因此需要發(fā)展高性能的傳感器以支撐目標探測能力的提升。