劉 飛,邵曉鵬,韓平麗,相里斌,2,任 勐

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,陜西西安 710071;2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院,北京100094;3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西西安 710065)

激光干擾圖像質(zhì)量的交叉熵評(píng)估

劉 飛1,邵曉鵬1,韓平麗1,相里斌1,2,任 勐3

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,陜西西安 710071;2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院,北京100094;3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西西安 710065)

針對(duì)光電對(duì)抗中成像制導(dǎo)武器易受激光干擾的問(wèn)題,結(jié)合制導(dǎo)跟蹤原理和抗干擾機(jī)理,提出了利用圖像的交叉熵來(lái)對(duì)其干擾質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的方法.根據(jù)信息論中熵的概念,分析了干擾前后圖像之間的相似度關(guān)系;充分利用圖像熵的優(yōu)點(diǎn),綜合考慮激光干擾圖像的質(zhì)量評(píng)估流程,建立了激光干擾圖像質(zhì)量評(píng)估函數(shù),分別從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了評(píng)估函數(shù)對(duì)激光干擾圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的有效性.與其他方法相比,該方法能夠準(zhǔn)確地獲得激光干擾成功時(shí)的閾值,廣泛適用于激光干擾成像制導(dǎo)武器的圖像質(zhì)量評(píng)估.

交叉熵;圖像質(zhì)量評(píng)估;光學(xué)尋的器;相關(guān)峰

隨著光電對(duì)抗技術(shù)的迅猛發(fā)展,各種光電成像器件在光電偵察、光電跟蹤測(cè)量設(shè)備以及光電制導(dǎo)武器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,也激發(fā)了人們對(duì)其干擾、損傷效應(yīng)研究的熱情[1-3].在戰(zhàn)場(chǎng)條件下,以各種光電成像器件為核心的光電設(shè)備,受到激光的干擾和損傷后將嚴(yán)重影響光電設(shè)備的正常工作,而激光對(duì)成像器件的干擾和損傷程度、受干擾后能否正常工作以及如何對(duì)干擾效果進(jìn)行恰當(dāng)、合理的評(píng)估是人們非常關(guān)心的問(wèn)題[4-5].全面合理地對(duì)干擾效果進(jìn)行評(píng)估將有助于對(duì)光電成像器件受激光干擾后的各個(gè)階段進(jìn)行全面深入的了解,這是一項(xiàng)很有意義又亟待解決的問(wèn)題.

對(duì)于光電探測(cè)器性能受激光干擾影響這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了很多相應(yīng)的研究.熊曉偉[6]提出以能量閾值準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估激光致盲武器對(duì)光電探測(cè)器的干擾效果.王世勇[7]以面陣CCD光電探測(cè)作為干擾目標(biāo),運(yùn)用模糊綜合評(píng)估理論對(duì)激光干擾效果進(jìn)行了相關(guān)探討.趙大鵬等[8]從提取圖像特征的角度,依據(jù)成像制導(dǎo)系統(tǒng)的不同跟蹤方式(對(duì)比度跟蹤、相關(guān)度跟蹤),對(duì)成像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾效果進(jìn)行了評(píng)估.劉嚴(yán)嚴(yán)、孫運(yùn)強(qiáng)等[9-10]運(yùn)用小波變換對(duì)激光干擾圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià).Wang等[11]基于人眼視覺(jué)特性以及視覺(jué)注意機(jī)制進(jìn)行了圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究.Meyer等[12]研究了CO2激光器對(duì)HgCd Te、PbSn Te紅外探測(cè)器的干擾,并對(duì)光電探測(cè)器的干擾機(jī)理進(jìn)行了相應(yīng)分析.Nathan[13]研究了光電探測(cè)器的干擾類型,并對(duì)激光干擾的方法進(jìn)行了總結(jié).Sheikh等[14]從圖像的統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)方面對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行研究分析.Wang等[15]則主要基于人類視覺(jué),從圖像的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià).以上的研究基本都是基于圖像結(jié)構(gòu)分布和人眼視覺(jué)特征進(jìn)行了干擾圖像質(zhì)量評(píng)估,取得了比較好的效果.

基于圖像的交叉熵,筆者從信息論的角度對(duì)激光干擾圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估,充分利用了圖像信息.目前,基于熵的概念的圖像質(zhì)量評(píng)估只是從影響的某一方面來(lái)進(jìn)行,缺少?gòu)目垢蓴_角度來(lái)綜合判斷干擾效果的方法.另外,現(xiàn)有的關(guān)于圖像熵的文獻(xiàn)主要都是從圖像信息丟失的角度來(lái)進(jìn)行分析的,沒(méi)有從干擾前后的統(tǒng)計(jì)相似性來(lái)進(jìn)行評(píng)估.因此,筆者研究了表征統(tǒng)計(jì)相似性的交叉熵的概念,從圖像交叉熵出發(fā),建立了對(duì)激光干擾圖像質(zhì)量評(píng)估的方法,并且進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析.

1 基礎(chǔ)理論

1.1 圖像的熵

1850年,德國(guó)Rudolf Clausius等[16]首次提出了熵的概念,用來(lái)表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度[16].能量分布越均勻,熵就越大.一個(gè)體系的能量完全分布時(shí),這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值.圖像的熵是圖像特征的一種統(tǒng)計(jì)形式,它反映了圖像中平均信息量的多少[17].圖像的一維熵表示圖像中灰度分布的聚集特征所包含的信息量,定義為

其中,p(xi)是xi灰度在圖像中出現(xiàn)的概率,N為圖像的總灰度數(shù).

由式(1)可知,圖像的熵函數(shù)具有以下性質(zhì):

(1)當(dāng)所有的X都有p(xi)=1/N時(shí),熵函數(shù)取得最大值,即對(duì)于等概率事件,熵函數(shù)值最大; (2)當(dāng)所有的X都有p(xi)=0或1時(shí),熵函數(shù)取得最小值,即對(duì)于確定性事件,熵函數(shù)值最小.

1.2 圖像的交叉熵

根據(jù)圖像的熵的定義以及性質(zhì)可知,圖像的分布熵僅表示一幅圖像所包含的信息量的情況,而不能很好地表示圖像受激光干擾的程度,以此引出圖像的交叉熵[18].圖像的交叉熵(相對(duì)熵)一般用來(lái)度量?jī)煞N不同概率分布之間的信息差異,對(duì)于兩幅圖像X和Y,交叉熵定義為

當(dāng)p(xi)=0或p(yi)=0時(shí),定義l n( p(xi)p(yi))=0.交叉熵是評(píng)價(jià)兩個(gè)概率分布差異的關(guān)鍵指標(biāo),它直接反映了兩個(gè)概率分布的統(tǒng)計(jì)相似性.故而根據(jù)圖像交叉熵的理論分析,很容易得出干擾前后圖像的交叉熵值.

表1 主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

1.3 激光干擾圖像的干擾質(zhì)量評(píng)估

1.3.1 激光干擾圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

激光干擾圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)是圖像信息工程領(lǐng)域一項(xiàng)很有意義的研究課題.目前常用的評(píng)價(jià)方法主要有兩種類型,即主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)與客觀質(zhì)量評(píng)價(jià).主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)是通過(guò)評(píng)分歸一化的方法來(lái)判斷圖像質(zhì)量的,它主要包含兩種度量尺度,即相對(duì)尺度和絕對(duì)尺度,如表1所示[19].因其測(cè)試條件比較困難,且受個(gè)人情緒等一些無(wú)法預(yù)測(cè)與控制的因素影響,在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制[20].傳統(tǒng)的客觀評(píng)價(jià)方法(均方誤差、峰值信噪比等)通常是基于與標(biāo)準(zhǔn)圖像的灰度差異越大退化越嚴(yán)重的思想,算法簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),但是評(píng)價(jià)量常與主觀值有較大差別.

1.3.2 基于圖像交叉熵的干擾質(zhì)量評(píng)估

熵是從信息論的角度反映圖像信息豐富程度的一種度量方式.根據(jù)香農(nóng)信息論原理,用信息熵作為參考圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià),主要考慮到如下優(yōu)點(diǎn):

(1)當(dāng)圖像中像素的灰度值在各灰度級(jí)間均勻分布時(shí),熵具有最大值.此時(shí)圖像的信息量最豐富,灰度分布最均勻,層次最多,圖像質(zhì)量最好.

(2)當(dāng)圖像中的所有像素只有某一灰度級(jí),而沒(méi)有其他灰度級(jí)時(shí),熵具有最小值(為零),此時(shí)圖像已無(wú)任何信息,即圖像質(zhì)量最差.

(3)當(dāng)圖像中灰度級(jí)數(shù)逐漸減少時(shí),熵也隨之減小,圖像質(zhì)量逐漸變差.

通過(guò)上述分析可知,圖像的信息熵表示了圖像質(zhì)量的退化程度.對(duì)于激光干擾后的圖像,即當(dāng)某一灰度級(jí)掩蓋另一個(gè)或幾個(gè)灰度級(jí)時(shí),信息熵評(píng)價(jià)是可行的.鑒于以上理論研究,筆者將圖像的信息熵引入到光電對(duì)抗中,并對(duì)探測(cè)器所獲取的激光干擾圖像進(jìn)行評(píng)價(jià).圖像的交叉熵是用來(lái)度量圖像受干擾前后的灰度值概率分布之間的信息差異的,也就是反映了干擾前后所得圖像的統(tǒng)計(jì)相似性,由于交叉熵具有原來(lái)圖像熵所不具有的優(yōu)勢(shì),特別是交叉熵能夠有效地判斷干擾前后圖像之間的關(guān)系,而不僅僅是表示干擾前后圖像信息量的丟失來(lái)度量干擾效果,因此基于圖像交叉熵的干擾效果評(píng)估具有更好的效果.

如圖1所示,圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)流程為先提取圖像(原始圖像和待評(píng)價(jià)圖像)的特征信息,再構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù),以此獲得評(píng)價(jià)印象(即利用已構(gòu)造的評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)圖像評(píng)價(jià)的結(jié)果),最后匯總結(jié)果,得到評(píng)價(jià)結(jié)果值.

圖1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)流程

綜上所述,對(duì)于激光干擾圖像建立基于圖像交叉熵的質(zhì)量評(píng)估函數(shù)Hce為

其中,A、B分別為干擾前后的圖像.在m×n的圖像中,任意灰度出現(xiàn)的概率p定義為

其中,f(x,y)表示圖像中(x,y)像素的灰度值.從圖像交叉熵的定義可以看出,當(dāng)干擾前后的圖像A、B相同(即pAi=pBi)時(shí),上文所建立的干擾圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)Hce=0;而對(duì)于序列圖像中干擾的圖像而言,在目標(biāo)可以被識(shí)別(即圖像灰度分布基本相同)時(shí),交叉熵評(píng)估函數(shù)Hce的值隨著灰度分布差異的增大而逐漸增大,這樣就可以通過(guò)文中所建立的干擾質(zhì)量評(píng)估函數(shù)對(duì)激光干擾前后所獲取的圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

光學(xué)相關(guān)尋的器是一種新型的目標(biāo)識(shí)別與跟蹤系統(tǒng),它具有并行高速、鑒別率高等優(yōu)點(diǎn),且單次處理信息容量大,相對(duì)于單純計(jì)算方法在處理速度上具有很大的優(yōu)勢(shì)[21-22].其基本原理是依據(jù)相關(guān)峰的強(qiáng)弱變化和位置變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤,因此,采用激光輻照的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)尋的器的干擾.筆者利用在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集到的激光干擾圖像,通過(guò)圖像交叉熵的計(jì)算和建立起的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)激光的干擾效果.

如圖2所示,I0為無(wú)激光干擾時(shí)的原圖像,I1～I(xiàn)8為受不同程度的激光干擾效果圖像.依據(jù)圖2所示圖像,計(jì)算了各個(gè)干擾圖像所對(duì)應(yīng)的相關(guān)峰值以及交叉熵值.

圖2 激光干擾圖像

相關(guān)峰是導(dǎo)引頭用來(lái)識(shí)別和制導(dǎo)的跟蹤算法的基本理論.若導(dǎo)引頭所獲得的圖像相關(guān)峰值為零,則說(shuō)明導(dǎo)引頭已經(jīng)無(wú)法識(shí)別視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo);而基于小波變換的視覺(jué)加權(quán)相關(guān)度(WWC)則是對(duì)原圖像和降質(zhì)圖像分別進(jìn)行小波分解,通過(guò)人眼視覺(jué)對(duì)比度敏感帶通模型來(lái)確定加權(quán)系數(shù),分別對(duì)其進(jìn)行加權(quán)處理得到WWC的評(píng)價(jià)函數(shù)[19].由表2所示的數(shù)據(jù)對(duì)比可得,在成功干擾的臨界位置,圖像交叉熵會(huì)出現(xiàn)明顯峰值.如圖2所示,在激光干擾強(qiáng)度較低的圖I1、I2和I3中,干擾圖像的相關(guān)峰、WWC以及圖像的交叉熵變化較小;隨著激光干擾強(qiáng)度的增加,相關(guān)峰和WWC逐漸減小,而圖像的交叉熵則逐漸增大;當(dāng)干擾強(qiáng)度增大到一定程度時(shí),如I6所示,相關(guān)峰消失,WWC的數(shù)值持續(xù)減小,而圖像的交叉熵則在此時(shí)急劇下降,隨著干擾強(qiáng)度的繼續(xù)增大,圖像的交叉熵值持續(xù)減小.用文獻(xiàn)[19]中的WWC方法來(lái)判斷激光干擾效果時(shí),由于其值隨著激光干擾強(qiáng)度的增強(qiáng)而持續(xù)減小,并沒(méi)有明顯的峰值變化特征,而文獻(xiàn)[19]中規(guī)定WWC等于4即為干擾是否成功的判別閾值這一結(jié)論則不夠嚴(yán)謹(jǐn).通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析可得,在激光干擾成功的臨界點(diǎn)處圖像的交叉熵出現(xiàn)明顯的變化(峰值最大值),即為激光干擾成功與否的閾值.

表2 不同評(píng)價(jià)函數(shù)的激光干擾圖像評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)1.3節(jié)建立的干擾圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)Hce,可以獲得激光干擾成功時(shí)所需的臨界值.如圖2所示的受干擾圖像中,當(dāng)目標(biāo)的明顯特征存在時(shí),圖像交叉熵逐漸增大;至圖I5所示時(shí),交叉熵達(dá)到最大值,此時(shí)干擾激光達(dá)到目標(biāo)能夠被分辨的情況下的最大值;此后隨激光干擾強(qiáng)度的增大,圖像的交叉熵逐漸減小,圖I6～I(xiàn)8已經(jīng)失去目標(biāo)的基本信息,即對(duì)于光學(xué)尋的器的干擾已經(jīng)成功.綜上所述,對(duì)于此類圖像的干擾效果評(píng)價(jià),圖像的交叉熵在最大值處是圖像瀕臨干擾成功的臨界值.判斷序列圖像的激光干擾效果時(shí),圖像的交叉熵不僅能夠準(zhǔn)確判斷對(duì)光學(xué)尋的器的干擾效果,而且可以獲取激光干擾成功時(shí)的臨界值.

依據(jù)表2所給出相關(guān)峰的強(qiáng)弱變化情況,可以將激光對(duì)光學(xué)尋的器的干擾效果分為兩個(gè)等級(jí):一級(jí)為干擾無(wú)效,表示尋的器受到激光干擾后,雖然跟蹤精度受到了一定的影響,但是依然能夠識(shí)別并跟蹤目標(biāo);二級(jí)干擾為有效干擾,表示尋的器已經(jīng)無(wú)法識(shí)別并跟蹤目標(biāo)了.如圖3所示,對(duì)于圖2所示的圖像,AB為一級(jí)干擾,BC為二級(jí)干擾,B點(diǎn)為目標(biāo)可以被光學(xué)尋的器識(shí)別的極限情況.以上分析說(shuō)明,基于圖像交叉熵的干擾質(zhì)量評(píng)估能夠很有效地評(píng)估光學(xué)尋的器是否被干擾成功.

3 總 結(jié)

針對(duì)光學(xué)尋的器易受外界光源影響,對(duì)其制導(dǎo)精度產(chǎn)生影響且現(xiàn)有的評(píng)估方法不能完全利用所獲取圖像的所有信息來(lái)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究,結(jié)合信息論中圖像熵的優(yōu)點(diǎn),提出利用圖像交叉熵來(lái)進(jìn)行激光干擾圖像質(zhì)量評(píng)估的方法.首先詳細(xì)闡述了該方法的原理以及數(shù)學(xué)模型,然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)干擾強(qiáng)度不同的激光圖像進(jìn)行分析計(jì)算,再結(jié)合評(píng)價(jià)激光干擾圖像質(zhì)量的一般常用方法進(jìn)行研究,最后得出不同激光干擾強(qiáng)度下的圖像交叉熵值.該結(jié)果表明,圖像交叉熵能夠很好地進(jìn)行激光干擾圖像的質(zhì)量評(píng)估,具有很強(qiáng)的實(shí)用性.

利用圖像交叉熵進(jìn)行激光干擾圖像的質(zhì)量評(píng)估是一種新方法,不但為激光干擾圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了新思路,而且也對(duì)其他領(lǐng)域的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了參考.基于圖像交叉熵的干擾效果評(píng)估方法能夠提高圖像中信息的利用率,呈現(xiàn)圖像之間的關(guān)系,是今后圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要研究方向.

圖3 圖像交叉熵變化示意圖

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(編輯:郭 華)

Quality assessment of the laser disturbing image utilizing cross entropy

LIU Fei1,SH AO Xiaopeng1,HAN Pingli1, XIANGLI Bin1,2,REN Meng3
(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China;2.Academy of Opto-electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;3.Xi’an Institute of Modern Control Technology,Xi’an 710065,China)

A method for assessing the quality of disturbed image uses the cross entropy of the image for the problem that the imaging-guided weapons are liable to suffer laser interference by combining with the principles of guided tracking and anti-jamming mechanism.It is on the basis of the concept of cross-entropy in information theory that the method is presented.Analyses of similarity between images before and after disturbing are made to decide the evaluation function which combines the advantages of cross-entropy and the process of image quality assessment.The validity of the function derived is analyzed theoretically and experimentally.Experimental results are presented,and the method for the quality assessment of the laser disturbed image based on cross entropy can accurately obtain the threshold when laser interference is successful,so it is widely applicable to laser disturbing image quality assessment.

cross entropy;image quality assessment;optical seeker;correlation peak

TN977

A

1001-2400(2014)05-0129-06

2013-06-23< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)間:2014-01-12

陜西省留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目(68DP1204)

劉 飛(1986-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:sherwin1986@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.022.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.022