趙書斌，王 強

（中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

隨著各種天基和空基偵察手段的發(fā)展，以及包括巡航導(dǎo)彈和信息化遠(yuǎn)程打擊艦炮在內(nèi)的各種遠(yuǎn)程精確打擊武器系統(tǒng)的研制和使用，快速反應(yīng)和精確打擊已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要特征?？梢暬蝿?wù)規(guī)劃、基于多源圖像融合的遠(yuǎn)程目標(biāo)精確定位、實時打擊進(jìn)程監(jiān)視和打擊效果的實時評估是實施快速精確打擊的基礎(chǔ)，空中偵察圖像的綜合處理與利用在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起著不可替代的作用。伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍正是依靠戰(zhàn)術(shù)利用系統(tǒng)和聯(lián)合服務(wù)圖像處理系統(tǒng)，才加快了應(yīng)對各種威脅的速度，提高了各種精確打擊武器的作戰(zhàn)效能。

空中偵察和監(jiān)視的應(yīng)用有很長的歷史，在軍事上可用于觀察敵方活動，在民用領(lǐng)域可用于監(jiān)視森林、農(nóng)田等的變化情況。1849年，Colonel Aime Laussedat就利用航拍圖像制作地形圖。在早期應(yīng)用中，常常使用風(fēng)箏和氣球等作為載體將相機帶到空中。1913年，飛機被用作航拍的運載工具。航拍圖像的廣泛使用開始于第一次世界大戰(zhàn)，主要用于偵察和情報搜集。衛(wèi)星是最理想的天基偵察平臺，主要用于戰(zhàn)略偵察。美國是發(fā)展偵察衛(wèi)星最早的國家，擁有最先進(jìn)的衛(wèi)星偵察手段。1960年8月就發(fā)射了第一顆實驗性偵察衛(wèi)星，1962年開始執(zhí)行“鎖眼”（KH）偵察衛(wèi)星計劃，其編號從KH－1到KH－12。近十幾年來，歐洲、以色列、印度、日本和韓國等也在大力發(fā)展成像衛(wèi)星偵察系統(tǒng)，但其傳感器性能與美國相比還有一定差距。例如，美國軍用衛(wèi)星地面分辨率為0.1m，而其它國家的最高水平只有0.5m，與美國商用衛(wèi)星圖像的分辨率差不多【1】。

有人駕駛和無人駕駛的飛機是主要空基偵察平臺。飛機有極大的活動空間，可遠(yuǎn)可近，可高可低，是最通用、也是最重要的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)偵察監(jiān)視平臺。20世紀(jì)50年代后期到60年代初期，美國U2高空偵察機曾頻繁侵入中國和前蘇聯(lián)上空進(jìn)行偵察活動。由于U2的飛行高度達(dá)21000m，當(dāng)時的殲擊機和高炮火力無能為力，U2高空偵察機可以說是如入無人之境。但隨著地空導(dǎo)彈的發(fā)展，U2高空偵察機相繼被擊落，其橫行無阻的時代結(jié)束了。為確保人員安全的同時利用空中平臺進(jìn)行有效的偵察，無人機逐步發(fā)展起來。

無人機是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操控的無人駕駛飛行器。無人機用途廣泛，無人員傷亡風(fēng)險，生存能力強，機動性好，使用靈活，效費比高，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起著極其重要的作用。特別是在阿富汗反恐戰(zhàn)爭中，無人機不僅用于空中偵察，還直接作為攻擊平臺，已成為集偵察、打擊、效果評估于一體的多功能、多用途的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)。目前，美軍裝備的無人機包括空軍的“捕食者”、“全球鷹”、海軍/海軍陸戰(zhàn)隊的“先鋒”、陸軍的“獵人”、“影子”，等等?！叭蝥棥贝钶d的偵察監(jiān)視系統(tǒng)配置了可見光電視、紅外熱像儀和合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像系統(tǒng)，能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域進(jìn)行全天時、全天候偵察監(jiān)視，很有代表性。其飛行高度20000m，可見光和紅外成像系統(tǒng)的地面分辨率分別可達(dá)0.1m和0.23m，SAR圖像分辨率也具有與光學(xué)成像相當(dāng)?shù)姆直媛省?/p>

目前，隨著多種型號雷達(dá)成像和光學(xué)偵察衛(wèi)星加快研制和裝備，各種無人偵察機逐步投入使用，我國將逐步具備遂行快速精確打擊作戰(zhàn)的必要基礎(chǔ)設(shè)施，深入研究空中偵察圖像綜合利用技術(shù)已成為我們面臨的重要任務(wù)。

1 國外相關(guān)研究現(xiàn)狀

鑒于圖像偵察在軍事上的重要性，西方各國在這方面進(jìn)行了廣泛深入的研究。這些研究主要是針對無人機進(jìn)行的，其應(yīng)用不僅僅限于基于圖像的岸上遠(yuǎn)程目標(biāo)的精確定位，還包括目標(biāo)自動識別與提示、運動目標(biāo)檢測與跟蹤等多個方面。主要的研究工作是由一些公司進(jìn)行的，包括BAE公司、Thales公司和Harris公司等。2000年以后，相關(guān)技術(shù)逐步取得突破。目前這些公司都有了技術(shù)比較成熟的產(chǎn)品，并在伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中得到了實戰(zhàn)檢驗。

1.1 BAE網(wǎng)格鎖定系統(tǒng)

網(wǎng)格鎖定系統(tǒng)（Gridlock）利用有人或無人戰(zhàn)術(shù)偵察平臺獲取的靜態(tài)和動態(tài)圖像，計算精確的目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為作戰(zhàn)指揮人員提供了快速定位目標(biāo)的能力并為武器系統(tǒng)提供合適的瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)【2】。

網(wǎng)格鎖定系統(tǒng)是為了滿足兩方面的軍事需求：

· 打擊和毀傷時敏目標(biāo)；

· 改善目標(biāo)定位精度，提供滿足新一代武器系統(tǒng)要求的高精度目標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖1 網(wǎng)格鎖定系統(tǒng)作戰(zhàn)應(yīng)用示意圖

網(wǎng)格鎖定系統(tǒng)主要圍繞兩個核心組件進(jìn)行設(shè)計。智能圖像組件（Smart Image Component）是網(wǎng)格鎖定系統(tǒng)的核心單元。該組件可自動完成戰(zhàn)術(shù)圖像與參考圖像的相關(guān)和配準(zhǔn)，生成所謂“智能圖像”，每一幅智能圖像均嵌入了校準(zhǔn)后的元數(shù)據(jù)。這樣，圖像中的每個像素點的地理位置均可達(dá)到參考圖像的位置精度。智能圖像顯示組件是一個與平臺獨立的應(yīng)用軟件，該組件使用戶能夠通過一次單擊來提取坐標(biāo)和誤差估計數(shù)據(jù)。

1.2 Thales多傳感器圖像解譯與分發(fā)系統(tǒng)

多傳感器圖像解譯與分發(fā)系統(tǒng)(MINDS)是 Thales公司為地面圖像情報利用提供的綜合解決方案。MINDS提供了一個自包含、模塊化的多源圖像處理與利用環(huán)境，能夠完成（多源、異類）圖像情報獲取、圖像解譯、作戰(zhàn)任務(wù)準(zhǔn)備和精確瞄準(zhǔn)等任務(wù)【3】。

MINDS信源包括掃描得到的地圖或數(shù)字地圖、UAV視頻數(shù)據(jù)、航拍或衛(wèi)星圖像。這些圖像數(shù)據(jù)經(jīng)MINDS處理、標(biāo)準(zhǔn)化和融合后，及時為需要的用戶提供準(zhǔn)確的圖像情報產(chǎn)品。

MINDS主要功能可歸納如下：

· 自動地理信息標(biāo)注；

· 輻射與幾何圖像處理；

· 地物重構(gòu)與立體顯示；

· 利用圖像/圖形信息和已標(biāo)注地理信息的地物創(chuàng)建情報文件；

· 多源情報(IMINT,SIGINT,HUMINT)融合與編輯工具；

· 用于計算機輔助目標(biāo)辨識的高級工具；

· 情報報告編輯與多媒體情報文件夾生成。

1.3 Harris自動戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

借助 Harris自動戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(The Harris Automated Tactical Targeting System,HATTS)，操控人員能夠利用機載傳感器對目標(biāo)進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)。HATTS能夠近實時地把來自機載傳感器的圖像與經(jīng)精確地理標(biāo)注的圖像（通常為衛(wèi)星影像）配準(zhǔn)。經(jīng)空間配準(zhǔn)后，操控人員可在來自機載傳感器的圖像上確定目標(biāo)的精確地理坐標(biāo)。一旦操控人員指定了目標(biāo)并確定了圖像情報的最終用戶（一般為某武器系統(tǒng)或地面站），HATTS即可根據(jù)用戶需求自動生成目標(biāo)瞄準(zhǔn)信息，通常包含選定的部分戰(zhàn)術(shù)圖像和帶有目標(biāo)精確坐標(biāo)的參考圖像。HATTS也支持常用的圖像操作功能，操控人員可對圖像進(jìn)行各種幾何和輻射調(diào)整，構(gòu)造鑲嵌圖像以增強戰(zhàn)場態(tài)勢感知【4】。

圖2 Harris自動戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)功能流程

2 主要問題

直到最近，空中偵察和監(jiān)視還主要采用膠片和電子相機等。其目的主要是獲得所監(jiān)視區(qū)域的高分辨率靜態(tài)圖像，這些圖像經(jīng)人工判讀或機器自動處理后獲得人們感興趣的信息和情報。現(xiàn)在，人們越來越傾向于使用視頻攝像機完成偵察、監(jiān)視和情報搜集任務(wù)。視頻圖像能夠捕獲所監(jiān)視區(qū)域中發(fā)生的動態(tài)變化的事件，而這種信息在航拍的靜態(tài)圖像中是無法獲得的。視頻圖像捕獲動態(tài)事件的能力能夠提供及時的情報信息，同時有可能使我們對所發(fā)生的事件做出快速反應(yīng)。視頻圖像可用于實時檢測并定位運動目標(biāo)，同時根據(jù)目標(biāo)的運動屬性可控制攝像機跟蹤這些目標(biāo)（如運動中的車輛等）。視頻圖像也可用于控制攝像機對一個固定區(qū)域進(jìn)行長時間的監(jiān)視。然而，視頻圖像的利用也提出了一些新的技術(shù)問題。為獲得識別和分辨地面目標(biāo)所需的分辨率，需要使用長焦距的鏡頭。然而，長焦距鏡頭的視場是非常小的，這對于理解和分析場景內(nèi)容是非常不利的。攝像機必須不斷地在各個方向掃描，以覆蓋希望監(jiān)視的區(qū)域。這樣做的后果是，人們感興趣的目標(biāo)時而在視場內(nèi)時而在視場外，視頻判讀人員必須高度集中注意力。由于視場太小，視頻圖像不能提供背景地理信息，判讀人員無法獲得目標(biāo)在不同時刻的相對位置。

通過空中視頻偵察，我們可以知道傳感器視場覆蓋范圍內(nèi)有哪些目標(biāo)，目標(biāo)情況怎么樣。但由于機載姿態(tài)測量傳感器等的精度有限，利用無人機測量信息對偵察圖像進(jìn)行定位的誤差較大，可達(dá)數(shù)百米。對于精確打擊作戰(zhàn)來說，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要想將空中視頻偵察用于精確打擊作戰(zhàn)，就必須為偵察圖像標(biāo)注精確的地理坐標(biāo)，以便為精確打擊武器提供精確的目標(biāo)瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星偵察覆蓋范圍廣，不受空域限制，在平時和戰(zhàn)時都是重要的戰(zhàn)略偵察平臺?，F(xiàn)在，隨著成像技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星圖像具有很高的分辨率和地理定位精度，其像素地面分辨率最高可達(dá)0.1m，經(jīng)幾何校正和控制點校準(zhǔn)后地理坐標(biāo)標(biāo)注誤差優(yōu)于2m。但受成像衛(wèi)星數(shù)量、地面站接收和后期處理時間限制，目前成像衛(wèi)星主要還是用作戰(zhàn)略偵察，不能用于戰(zhàn)術(shù)目的。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 視頻圖像鑲嵌

隨著攝像鏡頭的搖動，幾幀連續(xù)的視頻圖像被拼接成一幅較大的圖像，即鑲嵌圖像。鑲嵌圖像能夠有效擴大鏡頭的視場，從而為實時觀察和后續(xù)處理帶來了方便，可解決空中偵察采用長焦鏡頭導(dǎo)致的小視場問題。構(gòu)造圖像域中的鑲嵌圖像有兩個基本步驟：配準(zhǔn)和融合。構(gòu)造一個 2D鑲嵌圖像需要計算一組配準(zhǔn)參數(shù)，與這些參數(shù)對應(yīng)的幾何變換將圖像變換到一個公共的參照系中。對于一個視頻圖像序列，配準(zhǔn)參數(shù)的計算可以按照不同的方式進(jìn)行：

1）一幀接一幀地配準(zhǔn)相鄰的圖像，獲得的變換參數(shù)可用于確定任一圖像與鑲嵌圖像間的配準(zhǔn)參數(shù)；

2）以當(dāng)前拼接好的鑲嵌圖像作為參考圖像，將每一幀圖像與其配準(zhǔn)；

3）以最新的視頻圖像作為參考圖像，將當(dāng)前拼接好的鑲嵌圖像與其配準(zhǔn)。

不管采用哪一種方式，獲得的一組變換均可將一個視頻圖像序列拼接在一起，即將每一幀視頻圖像變換到鑲嵌圖像坐標(biāo)系，最后形成一幅鑲嵌圖像。為避免在鑲嵌圖像中出現(xiàn)縫隙，需要在不同幀圖像的交界處進(jìn)行融合處理。

3.2 精確地理定位

在相當(dāng)程度上，視頻偵察圖像的價值在于：我們不僅能夠從圖像中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，而且能夠給出目標(biāo)的精確地理位置。一個理想的解決方法是能夠知道圖像中每一個象素點的地理坐標(biāo)，即經(jīng)度、緯度和海拔高度。這樣的地理信息對于視頻圖像的利用具有重要意義，圖像判讀和分析人員能夠?qū)⒃谝曨l圖像中看到的地面結(jié)構(gòu)特征和運動目標(biāo)與其所在的真實地理位置關(guān)聯(lián)起來。視頻圖像可以作為空間數(shù)據(jù)庫中的一層數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要疊加到空間數(shù)據(jù)庫中的已有圖像或地圖上，這樣利用周圍環(huán)境的背景信息和其它附屬信息，人們可以更好地分析、理解和利用視頻圖像。同時，也可以在數(shù)據(jù)庫中的各種信息和視頻圖像間建立對應(yīng)關(guān)系；另一方面，視頻圖像還能夠用于更新地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

有兩種方式對視頻圖像進(jìn)行地理坐標(biāo)標(biāo)注。一種是利用各種機載遙測設(shè)備和相機姿態(tài)測量設(shè)備提供相機位置、高度、視角及鏡頭焦距等參數(shù)，通過幾何計算對視頻圖像每個像素點標(biāo)注地理坐標(biāo)。如果希望考慮地形起伏的影響，可利用地形高程數(shù)據(jù)獲得更準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)。另一種是將當(dāng)前的視頻圖像與以前獲得的、經(jīng)過幾何校準(zhǔn)的、經(jīng)過高精度地理編碼的參考圖像進(jìn)行空間位置配準(zhǔn)【5】，視頻圖像即可繼承參考圖像的高精度地理坐標(biāo)，從而實現(xiàn)對視頻圖像的地理坐標(biāo)標(biāo)注。

地面上任意點的地理坐標(biāo)可以根據(jù)該點在視頻圖像中的位置和成像過程的幾何關(guān)系計算得到，如圖3所示。飛機的位置可由 GPS和其它機載導(dǎo)航設(shè)備獲得，攝像頭的指向可由萬向頭上的姿態(tài)測量傳感器獲得，飛機的高度可由高度計和地形數(shù)據(jù)獲得。來自這些傳感器的所有數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為附屬支持?jǐn)?shù)據(jù)。由圖3可知，根據(jù)附屬支持?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)字地形圖可以計算圖像上任意點的地理坐標(biāo)。

盡管基于附屬支持?jǐn)?shù)據(jù)的地理定位能夠提供視頻圖像中任意點的地理坐標(biāo)，但坐標(biāo)的精度卻不能滿足需要。通常，飛機位置和攝像頭指向的量測精度非常有限，數(shù)字地形圖也可能無法獲得，或者雖可獲得，但精度很低。實踐中，根據(jù)這種方法得到的地理坐標(biāo)的誤差可達(dá)數(shù)百米。

圖3 基于附屬支持?jǐn)?shù)據(jù)的地理定位

通過配準(zhǔn)當(dāng)前視頻圖像和以前獲得的經(jīng)過幾何校準(zhǔn)的參考圖像，可以大大提高視頻圖像的地理定位精度。通常使用的參考圖像由成像衛(wèi)星獲得，經(jīng)過幾何校正后像素的位置精度為米級。如果能夠?qū)⒁曨l圖像與參考圖像配準(zhǔn)，則視頻圖像就可以獲得參考圖像的高精度坐標(biāo)信息。

為配準(zhǔn)視頻圖像和參考圖像，先根據(jù)附屬支持?jǐn)?shù)據(jù)提供的大致位置取參考圖像的一部分，根據(jù)攝像頭的視角對其做某些處理；然后對視頻圖像和參考圖像進(jìn)行亞像素配準(zhǔn)，進(jìn)而實現(xiàn)視頻圖像的精確定位。視頻圖像與參考圖像的配準(zhǔn)過程分為如下幾個步驟：

1）視頻序列中相鄰幀的配準(zhǔn)

單幀圖像包含的場景結(jié)構(gòu)信息可能非常有限，不足以可靠地將其與參考圖像配準(zhǔn)，而將連續(xù)的幾幀圖像拼接起來獲得一幅更大的圖像，利用更多的場景結(jié)構(gòu)信息顯然更有利于實現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的配準(zhǔn)結(jié)果。另外，典型視頻圖像每秒30幀，視頻序列相鄰幀間存在相當(dāng)大的重疊區(qū)，所以也沒有必要將每一幀視頻圖像與參考圖像配準(zhǔn)。實踐中，我們可以先將相鄰幀視頻圖像配準(zhǔn)并拼接起來，直到拼成的圖像達(dá)到一定的大??；然后將這幅比較大的圖像與參考圖像配準(zhǔn)。

2）對參考圖像做視角變換

與視頻數(shù)據(jù)同步的附屬支持?jǐn)?shù)據(jù)提供了視頻圖像在參考圖像中位置的一個初始值。在正投影情況下，可以將視頻圖像直接與參考圖像（參考圖像已經(jīng)過正投影校正）匹配；但在斜視情況下，由于視頻圖像和參考圖像成像的視角差別較大，地面特征在兩幅圖像上的表現(xiàn)可能大不相同，因而在兩幅圖像上尋找相互匹配的特征就會十分困難。因此，需要先根據(jù)視頻圖像的視角（可由附屬支持?jǐn)?shù)據(jù)得到一個粗略的數(shù)據(jù)）對參考圖像做視角變換，使參考圖像的視角與視頻圖像的視角一致，然后再進(jìn)行視頻圖像與處理后的參考圖像配準(zhǔn)。

3）預(yù)處理

即使經(jīng)過了視角變換，地面特征在視頻圖像與參考圖像上的表現(xiàn)仍然存在相當(dāng)大的差別。其來源包括傳感器特性的不同、陰晴圓缺、晝夜變化、季節(jié)更替、場景結(jié)構(gòu)的改變，等等。為減小這些因素的影響，需要選擇合適的圖像表示方法。這種表示應(yīng)能夠突出視頻圖像和參考圖像中共有的模式結(jié)構(gòu)，因為只有兩幅圖像中共有的結(jié)構(gòu)特征才能將兩幅圖像配準(zhǔn)。例如，拉普拉斯金字塔表示可以減小灰度變化（光照條件）對圖像配準(zhǔn)的影響。

4）圖像配準(zhǔn)

最后，可以采用各種由粗配準(zhǔn)到精配準(zhǔn)的方法將視頻圖像在參考圖像上定位。

3.3 基于鑲嵌圖像的視頻顯示

空中偵察和監(jiān)視系統(tǒng)面臨的一個重要問題是，如何將獲得的視頻圖像展示給操作人員。航拍視頻圖像狹小的視場使得操作人員觀察和解讀都非常不便，既費神又容易漏掉重要的目標(biāo)。采用基于圖像鑲嵌的顯示方式可以在相當(dāng)程度上克服航拍視頻的缺陷。該顯示方式首先對來自攝像頭的視頻進(jìn)行一系列處理，然后才顯示到操作人員面前。操作者可以進(jìn)行滾動、縮放等操作，在鑲嵌圖像中漫游以監(jiān)視某個感興趣的特定區(qū)域。而這時來自攝像頭的視頻圖像可能正在更新另外一個區(qū)域。在顯控臺上可以對鑲嵌圖像做正投影，并與地圖坐標(biāo)系配準(zhǔn)。這樣，就在實時視頻圖像與已知的地理信息（地圖，該地區(qū)以前的圖像，場景中的道路、建筑、河流和山峰等）間建立了對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)前的視頻圖像可以覆蓋在已有的圖像或地圖上進(jìn)行直接比較，也可以根據(jù)已知的地理信息對視頻圖像進(jìn)行自動信息標(biāo)注。

4 結(jié)束語

本文分析了遠(yuǎn)程精確打擊的作戰(zhàn)需求，綜合描述了國外相關(guān)研究現(xiàn)狀，討論了空中圖像偵察和衛(wèi)星成像偵察存在的主要問題。在此基礎(chǔ)上，重點討論了圖像鑲嵌、基于圖像配準(zhǔn)的精確地理定位和基于鑲嵌圖像的視頻顯示等偵察圖像綜合利用技術(shù)。

[1]梅遂生,王戎瑞.光電子技術(shù) [M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]BAE Gridlock[EB/OL].http://www.baesystems.com/ProductsServices.

[3]Thales–Multi-sensor image interpretation and Dissemination System[EB/OL].http://www.thalesgroup.com/Pages/Solutions.aspx.

[4]The Harris Automated Tactical Targeting System[EB/OL].http://www.harris.com.

[5]Harpreet S.Sawhney, Rakesh Kumar.True Multi-Image Alignment and Its Application to Mosaicing and Lens Distortion Correction[J].IEEE Trans.On PAMI,1999,21(3): 235-243.