孟繁樂 ，張 峰

（1.中國(guó)電科智能科技研究院，北京 100144；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司認(rèn)知與智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)具有隱蔽性好、堅(jiān)固性高、錯(cuò)綜復(fù)雜的特點(diǎn)，為某些目標(biāo)提供了良好的隱蔽條件。本文將分析城市目標(biāo)的特點(diǎn)，結(jié)合目標(biāo)的特點(diǎn)梳理對(duì)目標(biāo)的探測(cè)方法。

1 城市目標(biāo)特點(diǎn)

本文針對(duì)城市人員目標(biāo)，對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析和分類。人員目標(biāo)通常會(huì)通過物體掩護(hù)、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(cè)手段是最常見、最直觀的目標(biāo)探測(cè)方式，本文將結(jié)合該手段對(duì)人員目標(biāo)可能存在的隱藏、遮擋、喬裝方式進(jìn)行分析，如圖1所示，為基于光學(xué)探測(cè)的智能目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別算法研究提供參考依據(jù)。

圖1 城市人員目標(biāo)特點(diǎn)

1.1 特定服裝、喬裝

城市人員目標(biāo)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(shí)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(biāo)還會(huì)選擇利用周圍環(huán)境進(jìn)行身體掩護(hù)，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(huì)被遮擋，偶爾露出頭部來觀測(cè)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(jì)算得到。遮擋比例越大，人員特征越不明顯，檢測(cè)識(shí)別就越困難。

1.3 遠(yuǎn)距離、快速移動(dòng)、玻璃遮擋

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

圖3 移動(dòng)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(biāo)在暗處的被動(dòng)局勢(shì)，形成極大威脅。因此，對(duì)于這種低光照的暗弱目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別極為重要。

2 目標(biāo)探測(cè)方法

當(dāng)前，城市目標(biāo)探測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展成熟。本文以梳理光電探測(cè)方法為主，同時(shí)介紹幾種其他探測(cè)手段。

2.1 光電成像探測(cè)方法

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

2.1.1 可見光探測(cè)方法

可見光探測(cè)方法符合人的視覺習(xí)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(duì)場(chǎng)景成像，形成光學(xué)圖像，進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。比如，將相機(jī)搭載于無人平臺(tái)，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(gè)攝像頭構(gòu)成，也可用于對(duì)目標(biāo)的監(jiān)視和跟蹤。隨著近年來計(jì)算機(jī)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(jì)開發(fā)了大量的智能算法，用于對(duì)不同特性目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別。

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

針對(duì)面部遮擋喬裝的目標(biāo)識(shí)別問題，文獻(xiàn)[2]總結(jié)了有遮擋人臉識(shí)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(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)綜述。對(duì)于喬裝人員的識(shí)別，還可以考慮通過行人重識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)任務(wù)的檢測(cè)和跟蹤[3]。背景相似目標(biāo)檢測(cè)問題是目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，是利用計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，將隱藏在圖像背景環(huán)境中的目標(biāo)對(duì)象檢測(cè)出來，一些算法已經(jīng)在自然界的物種自身保護(hù)中得以成功應(yīng)用[4]，對(duì)著特定服裝目標(biāo)（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(biāo)檢測(cè)算法。

對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的光學(xué)成像，往往會(huì)造成目標(biāo)相比于常規(guī)尺寸目標(biāo)，在圖像中所占像素?cái)?shù)量較少，分辨率較低。目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)⒊叽缧∮?2×32像素的目標(biāo)或者尺寸小于原圖0.12%的目標(biāo)稱為小目標(biāo)。由于其像素少，特征表達(dá)弱，常規(guī)的目標(biāo)檢測(cè)算法用于小目標(biāo)檢測(cè)的效果不夠好。因此，小目標(biāo)檢測(cè)逐漸成為研究熱點(diǎn)[5]，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的檢測(cè)需要選擇或者設(shè)計(jì)小目標(biāo)檢測(cè)算法。

對(duì)于相機(jī)抖動(dòng)、物體位移等原因造成的目標(biāo)模糊問題，圖像運(yùn)動(dòng)模糊還原技術(shù)用于將此類圖像修復(fù)，也是當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]對(duì)該技術(shù)進(jìn)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(duì)應(yīng)的圖像增強(qiáng)與復(fù)原方法進(jìn)行修復(fù)，之后再采用目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)。

2.1.2 高分辨率探測(cè)方法

高分辨率成像技術(shù)主要是利用大口徑光學(xué)系統(tǒng)，在可見光波段配合高效能探測(cè)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)高空間分辨率的觀測(cè)。對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)，高分辨成像后具有足夠的像素?cái)?shù)量，便于通過智能檢測(cè)識(shí)別算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)提取。高分辨率成像技術(shù)可用于機(jī)載成像探測(cè)[7]，或與其他譜段成像技術(shù)結(jié)合，用于衛(wèi)星遙感探測(cè)[8]、遠(yuǎn)距離探測(cè)等。

2.1.3 紅外探測(cè)方法

弱光、無光環(huán)境下，目標(biāo)在普通可見光探測(cè)方法中幾乎無法分辨。此時(shí)，紅外探測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。紅外探測(cè)方法利用紅外敏感探測(cè)器對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行探測(cè)，通過檢測(cè)目標(biāo)的自身熱輻射獲得輻射光的強(qiáng)度。當(dāng)目標(biāo)和背景場(chǎng)景在紅外波段輻射存在差別時(shí)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的識(shí)別。一方面，在黑暗環(huán)境下，紅外探測(cè)可提供增強(qiáng)視覺的能力，如熱像儀能夠?qū)δ繕?biāo)成像，同時(shí)具有穿透雨、雪、霧、靄等不良天氣的能力，提供全天時(shí)的視覺能力。另一方面，對(duì)于在可見光譜段范圍不可見的目標(biāo)，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(xué)遮障而探測(cè)到目標(biāo)。

2.1.4 微光探測(cè)方法

對(duì)于弱光環(huán)境，除了紅外探測(cè)方法外，微光成像技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)。微光成像技術(shù)又稱像增強(qiáng)技術(shù)，物體反射光經(jīng)過該技術(shù)基于光電效應(yīng)、電子倍增及光電轉(zhuǎn)換等原理，對(duì)夜間為弱光或其他非可見光照明下的景物進(jìn)行圖像攝取、轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)，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(huì)受到天氣條件的影響。

紅外和微光均可提供夜視探測(cè)能力，然而單獨(dú)使用時(shí)各自均存在缺點(diǎn)，圖像融合技術(shù)可以綜合二者的特征信息，獲得天氣適應(yīng)性強(qiáng)、分辨率高的圖像，增強(qiáng)場(chǎng)景理解，能夠更詳細(xì)、精準(zhǔn)地展現(xiàn)場(chǎng)景、探測(cè)目標(biāo)[9]。

2.1.5 偏振探測(cè)方法

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

2.1.6 多光譜/高光譜探測(cè)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(gè)非連續(xù)波段形成細(xì)化的探測(cè)圖像，并通過對(duì)比多幅不同波段的探測(cè)圖像來識(shí)別目標(biāo)。高光譜的波段數(shù)為100～200個(gè)。光譜成像探測(cè)同時(shí)獲得目標(biāo)的光譜、空間和強(qiáng)度信息，能夠利用光譜匹配或光譜異常檢測(cè)等方式完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。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(cè)目標(biāo)的光譜維度信息，配合高分辨率成像儀使用，可以獲得更強(qiáng)的偵測(cè)能力。

2.1.7 光譜偏振探測(cè)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(cè)目標(biāo)的難度變大。由于任何物體在反射、散射和透射太陽輻射時(shí)，都會(huì)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(cè)目標(biāo)。光譜偏振成像作為強(qiáng)度和光譜的有效補(bǔ)充，不僅能夠?qū)δ繕?biāo)的空間位置、形態(tài)和成分進(jìn)行分析，而且能夠?qū)Ρ砻胬砘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)分析，為目標(biāo)特征反演提供技術(shù)基礎(chǔ)。在偵察應(yīng)用中，由于偏振特性受目標(biāo)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(biāo)，因而，即使目標(biāo)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(cè)。光譜偏振成像是一種新興的目標(biāo)探測(cè)手段。

2.2 其他探測(cè)方法

2.2.1 穿墻雷達(dá)

穿墻雷達(dá)利用低頻電磁波的穿透特性，可以在不破壞現(xiàn)場(chǎng)的情況下探測(cè)到隱藏在墻體、砂石、林木等障礙物之后的目標(biāo)[10]。其具備不受天氣、光線外界條件影響的特點(diǎn)。將穿墻雷達(dá)及多種偵察手段配合使用，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)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(duì)隱藏物體進(jìn)行成像，其原理是利用激光照射到中介面上進(jìn)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(duì)隱藏物體進(jìn)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(duì)視線以外區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行定位。

2.2.3 仿生復(fù)眼相機(jī)

仿生復(fù)眼相機(jī)是受生物昆蟲復(fù)眼的啟發(fā)而設(shè)計(jì)的，可實(shí)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(fù)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(chǎng)角等大場(chǎng)景（如城市的機(jī)場(chǎng)、港口等要地）有著良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語

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

在城市目標(biāo)探測(cè)技術(shù)上，由于城市環(huán)境復(fù)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(biāo)自身存在不易發(fā)現(xiàn)等問題，如何實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境下全天時(shí)、全時(shí)域復(fù)雜遮擋隱藏及非視域目標(biāo)探測(cè)識(shí)別，仍是需要解決的難題和研究重點(diǎn)。

在目標(biāo)探測(cè)設(shè)備發(fā)展方面，根據(jù)不同的目標(biāo)探測(cè)場(chǎng)景，選擇不同的探測(cè)技術(shù)，而探測(cè)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(jìn)行探測(cè)，考慮到人員體能和機(jī)動(dòng)平臺(tái)的載荷，小型化、低功耗是目標(biāo)探測(cè)設(shè)備的一個(gè)發(fā)展方向。同時(shí)，往往越先進(jìn)的硬件傳感裝置越能高效探測(cè)到想要的信息，后續(xù)需要的算法復(fù)雜度也越低，因此需要發(fā)展高性能的傳感器以支撐目標(biāo)探測(cè)能力的提升。