楊 佳，華文深，劉 恂，馬左紅

（1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.中國人民解放軍73101部隊，江蘇 徐州 221000）

引 言

迷彩偽裝是指將涂料、顏色或其他材料直接噴涂或粘貼在目標(biāo)表面，用以減小、改變目標(biāo)與背景之間波譜反射、輻射特性差異而實施的偽裝［1］。傳統(tǒng)的迷彩偽裝針對地面?zhèn)刹爝M(jìn)行設(shè)計，在可見光及紅外波段，使用不同顏色的迷彩斑點，改變目標(biāo)反射特性，在成像時達(dá)到歪曲目標(biāo)輪廓、降低顯著特征的目的。

隨著偵察手段的不斷增強(qiáng)，迷彩偽裝必須具備對抗太空和航空偵察的能力，其中一個重要方面就是對抗高光譜成像偵察［2］。高光譜成像技術(shù)能夠在連續(xù)光譜波段上對目標(biāo)同時成像，將光譜信息和空間信息呈現(xiàn)在同一圖像中［3－4］?，F(xiàn)在使用的迷彩偽裝，其對抗譜段寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高光譜偵察使用的光譜反射率通道要求。為了在迷彩偽裝設(shè)計中加入高光譜影響因素，同時實現(xiàn)基于高光譜成像的偽裝目標(biāo)探測，有必要對迷彩偽裝的高光譜特性進(jìn)行分析。

1 光譜特性

不同種類的迷彩偽裝，其光譜具有唯一性。在高光譜圖像中，影響迷彩偽裝光譜特性的因素，除了其自身因素外還有陰影和角度兩個方面。文獻(xiàn)中已經(jīng)對迷彩服偽裝的高光譜多角度問題進(jìn)行了比較全面的研究［5］。本文從分析植物光譜特性入手，研究模擬植物的綠色迷彩偽裝與綠色植被的光譜差異，并主要針對陰影的影響進(jìn)行分析。

1.1 植被的光譜特性

植物葉片典型光譜反射曲線如圖1所示。由于葉綠素強(qiáng)烈吸收藍(lán)色和紅色波段的能量，少量吸收綠色波段的能量，所以健康植被在450～670nm波段反射率很低，綠色波段有一個反射峰的存在。在700～1 300nm波段間只有不到5%的能量被植物吸收，40%～65%的能量產(chǎn)生反射，其余全部透射過去。但在970nm附近還存在一個水的吸收峰。1 300nm以上的能量主要被反射和吸收，在1 400nm和1 900nm波段由于植物內(nèi)水分的存在，產(chǎn)生吸收峰。

1.2 迷彩偽裝的光譜特性

實驗所采用的高光譜數(shù)據(jù)有179個波段，波長范圍從0.45～0.80μm，光譜分辨率為2nm。取第20、50、100波段合成假彩色圖，如圖2所示。

圖1 植物葉片光譜反射曲線Fig.1 Reflectivity curve of plant leaves

圖2 波段20、50、100合成的偽彩色圖像Fig.2 Pesudo color image at channel 20，50，100

圖像中迷彩偽裝及背景的光譜曲線如圖3（a）所示。三條曲線分別代表迷彩雨衣、迷彩偽裝布和草坪背景的光譜反射強(qiáng)度。在波長450～650nm三條光譜曲線走向一致，反射強(qiáng)度低，目標(biāo)與背景的反差不大，基本是混為一體的，很難予以區(qū)分。從650nm開始，迷彩雨衣與迷彩偽裝布的反射強(qiáng)度迅速增大，而背景的反射強(qiáng)度從700nm才開始增大。在650～740nm、780～800nm迷彩偽裝的反射強(qiáng)度明顯高于綠色植物，體現(xiàn)在圖像中即在這個波段內(nèi)偽裝與背景對比度提高，特征明顯，可以在這個波段內(nèi)進(jìn)行偽裝識別。

為了突出吸收和反射特征，對光譜曲線進(jìn)行包絡(luò)線去除，將其歸一化到一致的光譜背景上，有利于光譜曲線之間進(jìn)行特征數(shù)值的比較，從而提取出光譜特征。包絡(luò)線是一個在光譜頂部突起的外殼擬合，它用直線段連接局部的光譜最大值。第一個和最后一個光譜數(shù)據(jù)值在外殼上，在輸出的包絡(luò)線去除的數(shù)據(jù)文件中的第一個和最后一個數(shù)值等于1。圖3（b）表示的是包絡(luò)線去除后的光譜曲線，迷彩雨衣與背景匹配較好，在690nm處存在吸收峰。迷彩偽裝布在680nm、720nm存在反射峰，而且690nm處的吸收峰更加明顯，可以將反射峰和吸收峰聯(lián)合作為特征，進(jìn)行偽裝識別。

圖3 高光譜圖像中提取的光譜曲線Fig.3 Spectral curves extracted from hyperspectral image

圖4表示了太陽直射與陰影條件下迷彩偽裝布的光譜曲線。陰影對背景和迷彩偽裝造成的影響，主要表現(xiàn)在日光不能直接照射到陰影面，使得陰影面整體反射強(qiáng)度降低，光譜曲線與太陽直射條件下的光譜曲線整體形狀產(chǎn)生差異［6］。這種差異可以用光譜角（spectral angle）來表示。將光譜視為波譜空間的一個矢量，矢量之間的夾角即為光譜角，夾角越小，說明兩條光譜越相似。本次實驗中，兩條曲線的光譜角SA＝0.28rad，在圖像分類時可以明顯區(qū)分。

包絡(luò)線去除后，光譜曲線沒有表現(xiàn)出明顯吸收和反射特征的差異，只是在400～700nm光譜曲線更加平緩，這是由于大氣瑞利散射的影響，陰影區(qū)域的散射光線主要來自波長更短的藍(lán)紫色光，使得光譜強(qiáng)度在不同譜段的降低程度不同。

圖4 太陽直射與陰影條件下的迷彩偽裝光譜曲線Fig.4 Spectral curves under the conditions of direct sunlight and shadow

2 紋理特性

紋理反映的是灰度的空間變換規(guī)律，包含圖像的灰度統(tǒng)計信息、空間分布信息和結(jié)構(gòu)信息［7］。紋理特征可以用來探測和辨別不同的物體和區(qū)域，推斷物體的表面方向，研究物體的形狀，辨別不同物體所屬類別［8］。紋理特征的提取方法主要分為基于統(tǒng)計的提取方法、基于結(jié)構(gòu)的提取方法、基于模型的提取方法和基于頻率的提取方法?；诮y(tǒng)計的提取方法是從圖像中計算一些在某區(qū)域內(nèi)保持相對平穩(wěn)的統(tǒng)計值作為特征，用來表示區(qū)域內(nèi)的一致性及區(qū)域間的差異性。方法簡單，易于實現(xiàn)，適應(yīng)性和魯棒性較強(qiáng)。

灰度共生矩陣法是基于統(tǒng)計的紋理提取方法之一。通過二階圖像灰度統(tǒng)計，可以獲得圖像的紋理信息包括：均值、方差、同質(zhì)性、對比度、差異性、熵值、二階矩和相關(guān)性。對高光譜圖像進(jìn)行紋理提取時，首先對圖像進(jìn)行降維處理，利用主成分分析有效提取高光譜圖像的信息，得到的第一主成分包含原始圖像87.11%的信息。然后利用灰度共生矩陣法對第一主成分進(jìn)行紋理計算。表1表示了第一主成分圖像的紋理信息。

通過紋理信息的提取，可以得知，綠色植物背景具有紋理復(fù)雜、不均勻，相關(guān)性小，紋理粗細(xì)程度不一等特點。相對于物色植物，迷彩偽裝紋理相對簡單而且均勻程度好，同一種迷彩之間相關(guān)性好。

表1 第一主成分圖像的紋理信息Tab.1 Texture information of the first main component

3 結(jié) 論

對迷彩偽裝的高光譜特性進(jìn)行分析研究具有重要價值，是偽裝識別、偽裝效果定性定量評價的基礎(chǔ)。本文通過對迷彩偽裝的高光譜圖像進(jìn)行處理，得到以下主要結(jié)論：

（1）進(jìn)行迷彩偽裝的識別的最佳光譜波段為650～740nm、780～800nm。在這些波段迷彩偽裝的反射強(qiáng)度大，圖像對比度高，特征明顯。特征峰主要存在于波長680nm、690nm和720nm處。

（2）陰影使得背景和迷彩偽裝反射強(qiáng)度降低，光譜曲線與太陽直射條件下的光譜曲線整體形狀產(chǎn)生差異，相似程度降低，影響分類結(jié)果。

（3）迷彩偽裝紋理具有均勻性好、相關(guān)性強(qiáng)、復(fù)雜程度低等特點。

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