田英慧，金偉其，趙志勇，董紹軍，靳佰良

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基于反射光譜和圖像的雪地偽裝材料紫外檢測(cè)技術(shù)研究

田英慧1,2，金偉其1，趙志勇2，董紹軍2，靳佰良2

（1. 北京理工大學(xué)光電學(xué)院光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 63956部隊(duì)，北京 100093）

雪地背景偽裝研究對(duì)于偽裝設(shè)計(jì)與偽裝識(shí)別均具有重要的意義。本文研究了高白度、高反射率的雪地型偽裝材料的性能檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)冬季雪地背景和典型目標(biāo)樣品（白紙、白棉布和白色偽裝材料），開(kāi)展基于光譜曲線間相似性、基于紫外圖像直方圖和灰度平均對(duì)比度相似性的偽裝檢測(cè)技術(shù)研究。通過(guò)光譜反射因數(shù)的歐氏距離和光譜角余弦計(jì)算偽裝樣品與雪地背景的相似性，通過(guò)平均灰度值對(duì)比和直方圖的歸一化相關(guān)系數(shù)巴氏距離來(lái)判斷偽裝目標(biāo)和雪地背景的相似程度，證明了反射光譜和紫外圖像檢測(cè)的可行性和有效性。研究結(jié)果對(duì)雪地型偽裝裝備的研制和設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)有一定的指導(dǎo)意義。

雪地；偽裝材料；光譜反射；紫外；偽裝檢測(cè)

0 引言

偽裝是為隱蔽我方，欺騙并迷惑敵方而采取的各種隱真示假措施[1]。信息化條件下對(duì)武器裝備偽裝的全域適應(yīng)性提出了更高要求。對(duì)于地處寒溫地帶的東北、華北（內(nèi)蒙古）、西北和青藏高原等地域，冬季時(shí)間長(zhǎng)，氣溫低，積雪時(shí)間長(zhǎng)，雪地背景在一年時(shí)間中占有相當(dāng)?shù)谋戎兀虼?，雪地背景偽裝研究對(duì)于偽裝設(shè)計(jì)與偽裝識(shí)別均具有重要的意義。

從偽裝角度看，雪地是一種單調(diào)、強(qiáng)反射、高亮度的背景，在光學(xué)特征上以白色為主，有很高的白度及紫外反射率（如圖1）。因此，實(shí)施雪地目標(biāo)偽裝的難度相對(duì)較大，對(duì)偽裝器材與材料有特別的要求，一般加入高白度、高紫外反射率填料來(lái)達(dá)到雪地背景偽裝的目的。在到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光，0.2～0.3mm的紫外輻射幾乎被大氣中的臭氧層吸收，常稱為“日盲區(qū)”[2-3]；而0.3～0.4mm的紫外輻射能夠部分透過(guò)地球大氣層，常稱為“軟紫外波段”。目前用于偵察的紫外探測(cè)設(shè)備主要工作在0.3～0.4mm波段，也是雪地偽裝檢測(cè)的重點(diǎn)波段。

圖1 雪地型偽裝遮障

Fig.1 Snow camouflage screen

現(xiàn)階段紫外波段偽裝檢測(cè)與評(píng)價(jià)是采用主觀和客觀兩種方式進(jìn)行：客觀上，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)雪地型偽裝裝備制作材料的白度和紫外波段光譜反射率（兩個(gè)指標(biāo)）；主觀上，野外使用紫外相機(jī)拍攝目標(biāo)區(qū)域（目標(biāo)與背景）照片，判讀人員再進(jìn)行判讀，判斷目標(biāo)與背景的融合程度。從檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，目前采用的白度、反射率的測(cè)量（客觀數(shù)據(jù)）和紫外照相（主觀判讀）兩種方式是并行關(guān)系，目標(biāo)和雪地背景的光譜反射率差值、白度差值與兩者在紫外圖像上的差異的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要深入研究和大量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證；從評(píng)價(jià)技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，對(duì)于要測(cè)量的白度和紫外波段光譜反射率這兩個(gè)指標(biāo)，均只規(guī)定了下限，兩個(gè)指標(biāo)是否越高越好以及其閾值確定得是否合理尚未進(jìn)行驗(yàn)證。

本文將針對(duì)冬季雪地背景和典型目標(biāo)樣品（白紙、白棉布和白色偽裝材料），從光譜曲線間相似性、紫外圖像直方圖和灰度平均值對(duì)比相似度等方面，研究雪地偽裝材料的紫外檢測(cè)技術(shù)，為雪地型偽裝裝備研制和偽裝性能檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 基于光譜曲線間相似性的偽裝檢測(cè)技術(shù)研究

1.1 基于光譜曲線間相似性的偽裝檢測(cè)技術(shù)

地物的光譜曲線具有形狀和幅度兩個(gè)特征，不同的光譜曲線形狀和幅度反映不同了其特征以及相互間的差異。本文探索研究使用反映光譜幅度特征的歐氏距離、反映光譜形狀特征的光譜角余弦兩個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)樣品與雪地背景的偽裝效果。

1）光譜角

光譜角分析技術(shù)可提供不同目標(biāo)物質(zhì)在成像光譜數(shù)據(jù)空間的譜特征差異，適用范圍廣，可作為檢測(cè)方法之一。光譜角是指以原點(diǎn)和高維空間點(diǎn)構(gòu)成高維向量之間的夾角，通常采用兩光譜矢量的廣義夾角的余弦表示[4]：

式中：為波長(zhǎng)采樣數(shù)；值在0和1之間，值越接近1，和的匹配相似程度越高。

2）光譜曲線間距離

計(jì)算測(cè)試光譜和參考光譜兩種光譜數(shù)值之間的距離。常用的廣義距離有：

明氏（Minkowski）距離表達(dá)式為：

歐氏（Euclidean）距離（＝2）：

在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量并計(jì)算兩種光譜曲線之間的廣義距離，距離越大，差異越大。

1.2 光譜檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及其分析

為掌握雪地背景和不同反射率偽裝材料的光譜反射特性，檢驗(yàn)光譜曲線間相似性算法，設(shè)計(jì)進(jìn)行了紫外、可見(jiàn)光波段的光譜反射因數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

波長(zhǎng)范圍200～850nm 積分時(shí)間1ms～65s 光柵600刻線/mm，設(shè)為200～850nm（閃耀波長(zhǎng)300nm） 定制濾光片OFLV-200-850 光譜分辨率1.5nm FWHM 雜散光＜0.05% at 600nm; ＜0.10% at 435nm; ＜10% at 250nm

1.2.1 儀器設(shè)備

主要考慮儀器設(shè)備的波譜范圍、環(huán)境適應(yīng)性及便攜性等因素。由于屬于野外冬季環(huán)境的測(cè)試，儀器環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)滿足低溫使用要求以及野外作業(yè)的便攜性。選用海洋光學(xué)公司USB2000+UV -VIS-ES光譜儀，圖2給出了其外形照片和主要性能指標(biāo)參數(shù)。光譜測(cè)試系統(tǒng)包括光譜儀、便攜式計(jì)算機(jī)、SpectralSuite光譜采集處理軟件和USB數(shù)據(jù)線。

1.2.2 測(cè)試樣品

雪地背景：選取11月份哈爾濱的陳雪（新雪后一周左右）。白紙（編號(hào)1#，下同）：A4打印紙。白棉布（2#）：普通純棉白布。偽裝材料：四種（3#、4#、5#、6#）不同紫外反射率的白色偽裝樣布（如圖3所示），實(shí)驗(yàn)室反射率350nm處測(cè)量值分別為90.34%、77.26%、66.00%和57.81%。

1.2.3 測(cè)量方法及條件

目標(biāo)在空間的反射率是目標(biāo)在上半球空間的雙向反射系數(shù)積分，用比對(duì)法測(cè)量目標(biāo)反射率，即雙向反射系數(shù)。通過(guò)測(cè)量被測(cè)物體在給定方向上的輻射通量d和漫反射體在相同方向上的輻射通量d,id，以及利用計(jì)量標(biāo)定的漫反射體雙向反射系數(shù)d,id，由下式計(jì)算：

式中：qi和ji分別為入射輻射方向的天頂角和方位角；jr和qr分別為探測(cè)器接收方向的方位角和天頂角；dwr為接收探測(cè)器相對(duì)樣品所張立體角；dfr(qi, ji, qr, jr; dwr; l)為被測(cè)物體載方向(qr, jr)上的輻射通量(W)；dfr,id(qi, ji, qr, jr; dwr; l)為漫反射體在相同照射情況下，在方向(qr, jr)上的輻射通量(W)；Rr,id(qi, ji; qr, jr; l)為漫反射體的雙向反射系數(shù)。

野外目標(biāo)反射率的測(cè)量是一個(gè)需要綜合考慮太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角等各種影響的復(fù)雜過(guò)程。本文只進(jìn)行了一定天頂角、方位角下單一光譜反射因數(shù)的測(cè)量。由式(4)可得：

式中：和P分別為目標(biāo)的反射因數(shù)和反射光功率；P為標(biāo)準(zhǔn)朗伯反射板反射光功率；為已知的標(biāo)準(zhǔn)朗伯反射板反射因數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)在哈爾濱（126°14′222E, 45°38′382N）進(jìn)行。根據(jù)經(jīng)緯度，計(jì)算出太陽(yáng)高度角約為22°。光譜反射曲線采集時(shí)間是11月23日09:35～10:15，當(dāng)天太陽(yáng)日出06:44:53，日中11:20:19，日落15:55:45，太陽(yáng)方位角為146°～160°。測(cè)量時(shí)，光譜儀方位和進(jìn)行參照白板校正時(shí)的光譜儀方位一致。面向陽(yáng)光，選擇日光從正前方照射，光譜儀探頭距目標(biāo)約13cm進(jìn)行垂直測(cè)量。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析

每個(gè)樣品目標(biāo)選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)（消除背景和材料的不均勻性），每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀取10個(gè)（降低隨機(jī)誤差）光譜數(shù)據(jù)，取50條光譜曲線均值。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)白板按照光譜儀采集的光譜數(shù)據(jù)波長(zhǎng)，運(yùn)用ENVI遙感圖像處理平臺(tái)中光譜分析處理工具來(lái)完成重采樣。由式(5)計(jì)算得到雪地背景和偽裝材料的紫外、可見(jiàn)光光譜反射因數(shù)曲線如圖4。由于紫外光能量較弱，光譜儀在采集紫外（330～380nm）和可見(jiàn)光（380～780nm）波段數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置了不同的積分時(shí)間。根據(jù)式(1)和式(3)計(jì)算的歐氏距離和光譜角余弦如表2所示。

可看出：1）在紫外波段330～380nm，樣品1#白紙、樣品2#白棉布與雪地的歐式距離明顯大于偽裝材料樣品3#、4#、5#和6#，說(shuō)明其與雪地背景的光譜反射特性差異較大；偽裝材料中，樣品4#與雪地背景的歐式距離最小，光譜角余弦值也較大，說(shuō)明與雪地背景的光譜反射特性較為接近，接近程度由高到低依次為樣品4#、3#、5#和6#。2）在可見(jiàn)光380～780 nm波段，樣品1#白紙和樣品2#白棉布在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)應(yīng)是一條沒(méi)有波峰的光滑曲線；在400～510nm之間樣品1#、2#出現(xiàn)小波峰，這是因?yàn)榧尤肓藷晒庠霭讋?，增?qiáng)了光譜藍(lán)端的反射率，使得反射出現(xiàn)高峰值，也導(dǎo)致樣品1#、2#在可見(jiàn)光波段與雪地背景的歐式距離變大；樣品1#、2#與偽裝材料樣品3#、4#、5#和6#的歐式距離比紫外波段差距減小，光譜反射角余弦也更接近偽裝材料。

圖4 樣品在330～780nm波段的光譜反射曲線

表2 樣品與雪地背景的光譜反射曲線在330～380nm的相似性評(píng)價(jià)

2 基于紫外圖像相似度的偽裝檢測(cè)技術(shù)研究

圖像特征一般包括顏色、形狀和紋理等，圖像之間的相似性可通過(guò)這些特征來(lái)進(jìn)行評(píng)判?；陬伾狈綀D匹配的相似度是典型的計(jì)算方法。顏色直方圖的相似性度量一般通過(guò)直方圖之間的距離度量，常見(jiàn)的有巴氏距離（Bhattacharyya Distance）、歐氏距離（Euclidean Distance）、馬氏距離（Mahalanobis Distance）等[5]。

本實(shí)驗(yàn)拍攝的紫外照片內(nèi)容是雪地背景下的白紙、白棉布和四種偽裝材料樣品，目標(biāo)和背景相對(duì)單一，故采用基于亮度特征的直方圖巴氏距離相似度評(píng)估算法對(duì)目標(biāo)和雪地背景的相似度進(jìn)行評(píng)判，且計(jì)算中采用目標(biāo)和雪地背景的灰度平均值進(jìn)行對(duì)比。

2.1 基于紫外圖像相似度的偽裝檢測(cè)技術(shù)

1）基于直方圖的巴氏距離

巴氏距離計(jì)算兩幅圖像的Bhattacharyya距離。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，巴氏距離用于測(cè)量?jī)呻x散概率分布，常在分類中測(cè)量類之間的可分離性，數(shù)值越大，兩者之間越相似。設(shè)雪地背景和目標(biāo)樣品的直方圖分別為1和2，則兩者之間的相似度[6]為：

2）圖像灰度平均值對(duì)比

白色偽裝材料樣布和雪地背景均是單一的白色，兩者在灰度上的相對(duì)差別即灰度值對(duì)比可用來(lái)對(duì)所拍攝的紫外圖像進(jìn)行效果檢測(cè)，計(jì)算公式為：

式中：G、G分別為白色偽裝材料和雪地背景的灰度值；為白色偽裝材料和雪地背景的灰度值之比。值越小，說(shuō)明在紫外圖像上兩者融合的越好，相似度越高。

2.2 紫外圖像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及其分析

2.2.1 儀器設(shè)備

選用直耦式紫外數(shù)碼相機(jī)，配備中心波長(zhǎng)分別為340nm、352nm、365nm和380nm，半波寬10±2nm的4種紫外濾光片（如圖5所示），濾光片的性能參數(shù)如表2所示。

圖5 直耦式紫外相機(jī)和四種紫外濾光片

表2 紫外相機(jī)主要性能參數(shù)

2.2.2 測(cè)量方法及條件

垂直拍攝，相機(jī)距離雪地背景及樣品的垂直距離約為1.5m。紫外相機(jī)鏡頭為25mm焦距，曝光參數(shù)：A檔（光圈優(yōu)先），光圈：5.6。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)圖像及其數(shù)據(jù)分析

圖6和圖7分別給出1#～6#樣品在雪地背景下的可見(jiàn)光和紫外（380nm濾光片）圖像。

圖6 樣品與雪地背景的可見(jiàn)光圖片

圖7 樣品與雪地背景的紫外圖片（380nm中心波長(zhǎng)濾光片）

表3 樣品與雪地背景之間的相似度

表4 樣品與雪地背景光譜曲線間的歐式距離和光譜角余弦

為了分析光譜曲線的相似性與紫外圖像相似度檢測(cè)的關(guān)系，將光譜波段分為320～360nm、332～372nm、345～385nm和360～400nm四個(gè)波段，表3給出使用340nm、352nm、365nm、380nm四個(gè)中心波長(zhǎng)濾光片的紫外圖片的相似度，表4給出光譜曲線的相似性。

人工判讀圖7，很明顯，樣品1#和2#不具有偽裝性，樣品3#、4#、5#、6#和雪地背景很接近，具有一定的偽裝性能。

從表3來(lái)看，樣品1#、2#的歐式距離明顯很大，說(shuō)明其反射因數(shù)在數(shù)值上與雪地背景差距較大；樣品3#、4#、5#、6#的歐式距離較小，光譜角余弦值較大，說(shuō)明其與雪地背景的光譜反射因數(shù)在數(shù)值上很接近，在光譜曲線形狀上也較接近，偽裝材料樣品與原狀雪地背景的相似性優(yōu)劣排序?yàn)闃悠?#、3#、5#、6#。

從表4來(lái)看，樣品1#、2#的巴氏距離明顯小于其他4個(gè)樣品，灰度平均值很大，說(shuō)明其在紫外圖像中與雪地背景的相似度極低；樣品3#、4#、5#、6#的灰度直方圖巴氏距離較大，灰度平均值對(duì)比度較小，說(shuō)明其與雪地背景在紫外圖像中很接近，融合的較好，偽裝材料樣品與原狀雪地背景的相似度優(yōu)劣排序?yàn)闃悠?#、3#、5#、6#。

3 結(jié)論

論文探索了基于光譜曲線間相似性、基于紫外圖像直方圖和灰度平均對(duì)比度相似度的偽裝檢測(cè)技術(shù)的可行性和有效性，4個(gè)濾光片紫外圖像的相似度和對(duì)應(yīng)四段波長(zhǎng)光譜曲線間的相似性檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果一致，說(shuō)明材料與雪地背景的接近程度，即材料的偽裝性能可通過(guò)光譜曲線間的相似性和紫外圖像的相似度進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。光譜曲線間可通過(guò)反映光譜的幅度特征歐氏距離、光譜的形狀特征光譜角余弦值進(jìn)行評(píng)判；紫外圖像的相似度問(wèn)題可以通過(guò)灰度直方圖、目標(biāo)和雪地背景的灰度平均值對(duì)比值進(jìn)行比較和評(píng)判。

由于本實(shí)驗(yàn)是在野外進(jìn)行，有諸多不可控的因素，今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步選擇太陽(yáng)在不同方位角、對(duì)偽裝材料和不同的時(shí)間段的雪地背景進(jìn)行光譜反射率測(cè)量；拍攝紫外照片可考慮不同太陽(yáng)方位角、以及俯視拍攝等多種工況，以期為紫外波段偽裝檢測(cè)和評(píng)價(jià)提供更多可靠的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

致謝

感謝中國(guó)通用技術(shù)研究院崔志剛老師在紫外相機(jī)研制過(guò)程中給予的支持和幫助。

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Grary Bradski, Adrian Kaeblebler.[M]. Translated by Yu Shiqi, Liu Ruizhen. Beijing: Tsing University Press, 2009: 226.

Research on Ultraviolet Testing Technology of Snow Camouflage MaterialBased on Reflection Spectrum and Image

TIAN Yinghui1,2，JIN Weiqi1，ZHAO Zhiyong2，DONG Shaojun2，JIN Bailiang2

(1.,,100081,;2. 63956,100093,)

The study on the background of snow is very important for camouflage design and camouflage identification. This paper studies the performance testing technology of snow camouflage material with high whiteness and high reflectivity. According to the winter snow background and typical samples (white paper, white cotton and white camouflage materials), to carry out research on camouflage testing technology of spectral similarity between spectral curve, image histogram similarity and the gray average contrast. The method is calculating the similarity of the samples and the snow background through Euclidean distance and Spectral angle cosine of the spectrum reflectance factor; judging the similarity between the camouflage object and the snow background by the average gray contrast and histogram normalized correlation coefficient Bhattacharyya distance. The feasibility and effectiveness of the reflection spectrum and the UV image detection are proved. The results of the study has some guiding significance for the development and Design Finalizing Test of the snow camouflage equipment.

snow background，spectral reflectance，UV，the testing of camouflage

E951.4

A

1001-8891(2017)05-0469-06

2017-02-21；

2017-04-20。

田英慧（1982-），女，工程師，碩士研究生，主要從事偽裝裝備試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)研究。E-mail：hgtyh@126.com。

金偉其（1961-），男，博士，教授，主要從事夜視與紅外技術(shù)、光電圖像處理、光電檢測(cè)與儀器等研究。E-mail：jinwq@bit.edu.cn。

軍內(nèi)科研項(xiàng)目（012016016600B13203）。