張洪波

(鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引言

隨著信息化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，海上作戰(zhàn)逐步成為以信息化為主導(dǎo)的戰(zhàn)爭(zhēng)，信息、情報(bào)數(shù)據(jù)已經(jīng)成為決定海上作戰(zhàn)勝負(fù)的關(guān)鍵因素。海上偵察中，艦船的識(shí)別與快速處理技術(shù)能及時(shí)獲取敵方船舶的位置、類型等情報(bào)，從而在軍事作戰(zhàn)中占據(jù)主動(dòng)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，遙感技術(shù)可以直接生成海域內(nèi)船舶的準(zhǔn)確圖像，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行分割、特征提取、過(guò)濾等處理，可以提取準(zhǔn)確的船舶目標(biāo)信息。目前，基于遙感圖像的海上船舶目標(biāo)探測(cè)、偵察與監(jiān)視等獲得了廣泛的應(yīng)用，且應(yīng)用潛力還在進(jìn)一步挖掘中[1]。

為了提高基于遙感圖像的艦船目標(biāo)識(shí)別效率，本文將研究重點(diǎn)放在艦船圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)，介紹艦船遙感圖像的基本特征，從艦船圖像的像素濾波、模糊聚類算法、像素平滑算法等方面介紹圖像特征自動(dòng)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，并結(jié)合C++編程語(yǔ)言，在Microsoft Visual Studio 2010 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。

1 艦船遙感圖像的基本特征

艦船遙感圖像是根據(jù)電磁波理論，對(duì)海域內(nèi)目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息采集與處理，最終得到目標(biāo)物體影像的一種探測(cè)方法。

遙感圖像雷達(dá)的距離分辨率與電磁波脈沖帶寬和有關(guān)，帶寬分辨率可用下式計(jì)算：

式中：C0為傳播速度，C0=cλ0；λ0為調(diào)制前的脈沖帶寬；B為實(shí)際的帶寬。

方向分辨率用下式計(jì)算：

式中：β為雷達(dá)的張角。

遙感圖像雷達(dá)的信噪比可用下式表示：

其中：σ0為目標(biāo)的分散系數(shù)；θ0為雷達(dá)波的入射角度；F0為雷達(dá)的硬件噪聲；LMIN為電磁波損失；P0為發(fā)射功率；G為天線增益。

高分辨率遙感圖像中的像素包括背景、噪聲和目標(biāo)信息，可用下式表示：

其中，(x,y)為像素點(diǎn)；f1(x,y)為艦船目標(biāo)的像素點(diǎn)；f2(x,y)為背景像素點(diǎn)；f3(x,y)為噪聲像素點(diǎn)值。

典型的海上艦船高分辨率遙感圖像如圖1 所示。

圖1 典型的海上艦船高分辨率遙感圖像Fig.1 High-resolution remote sensing images of typical ships at sea

海上高分辨率遙感圖像的噪聲來(lái)源有多種，最常見(jiàn)的噪聲干擾是海域內(nèi)的云層、水汽等障礙物信號(hào)。為了更好進(jìn)行遙感圖像的噪聲過(guò)濾，將遙感圖像的噪聲信號(hào)分為加性和乘性噪聲2 種。

1）加性噪聲

所謂加性噪聲是指噪聲與遙感圖像的本身信號(hào)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，通常以硬件噪聲為主，比如信號(hào)傳輸過(guò)程的設(shè)備噪聲、信道噪聲等。

加性噪聲的模型可表示為：

式中：s(x,y)為信道噪聲；α(x,y)為設(shè)備硬件噪聲。

2）乘性噪聲

乘性噪聲是指與圖像本身相關(guān)的信號(hào)，比如圖像的強(qiáng)度、障礙物等，乘性噪聲模型可表示為：

式中：β(x,y)為圖像灰度噪聲；η(x,y)為障礙物噪聲。

本文的研究方向是海上遙感圖像的船舶目標(biāo)特征采集，基本流程如圖2 所示。

圖2 海上遙感圖像的船舶目標(biāo)特征采集基本流程Fig.2 Basic process of ship target feature acquisition for maritime remote sensing images

2 艦船圖像顏色特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 像素濾波算法

艦船遙感圖像中包含大量的噪聲信號(hào)，這些噪聲信號(hào)會(huì)影響船舶目標(biāo)特征的提取和識(shí)別，影響遙感圖像的灰度值。

為了提高遙感圖像目標(biāo)特征自動(dòng)采集系統(tǒng)的檢測(cè)精度，本文采用一種LEE 濾波算法，濾波器的模型如下：

LEE 濾波器R(t)的平方可積，在頻域內(nèi)有：

針對(duì)不同像素尺寸的圖像，LEE 濾波器模型可以通過(guò)平移與伸縮變換提高適應(yīng)性：

式中：s為伸縮變換因子；α為平移變換因子。

為了提高LEE 濾波器的濾波帶寬[2]，本文利用小波變換進(jìn)行模型處理，如下：

小波逆變換為：

圖3 為L(zhǎng)EE 濾波器處理前后遙感圖像局部區(qū)域的對(duì)比示意圖。

2.2 基于模糊聚類算法的艦船圖像分類、分割技術(shù)

為了提高艦船遙感圖像目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的效率，本文采用模糊聚類算法進(jìn)行遙感圖像的預(yù)處理，包括圖像分類和多尺度圖像分割技術(shù)。

模糊聚類算法利用圖像之間的像素灰度相似性進(jìn)行分類，由于遙感圖像的背景、紋理等特征各不相同，利用模糊聚類能夠有效改善目標(biāo)提取的效率[3]。

基于模糊聚類的艦船圖像分類、分割流程如下：

1）假設(shè)遙感圖像的樣本數(shù)據(jù)集合為：

xi為n維像素?cái)?shù)據(jù)，定義聚類分析的目標(biāo)函數(shù)為：

式中，l為聚類分析的迭代次數(shù)[4]；[δm]為聚類矩陣。

2）計(jì)算圖像的模糊聚類中心：

3）計(jì)算模糊聚類的協(xié)方差矩陣：

4）定義隸屬度函數(shù)U(l)。

選用梯形隸屬度函數(shù)，曲線如圖4 所示。

圖4 梯形隸屬度函數(shù)曲線圖Fig.4 Trapezoidal membership function curve

5）根據(jù)協(xié)方差矩陣和隸屬度函數(shù)進(jìn)行圖像的分類、分割，定義迭代次數(shù)為l=1,2,···,m，分類完成的終止條件∥U(l)?U(l?1)∥<λ。

2.3 船舶遙感圖像的像素平滑處理技術(shù)研究

像素的平滑處理也是提高目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)效率的重要環(huán)節(jié)，本文采用的像素平滑處理是幀間差分法[5]。

當(dāng)遙感衛(wèi)星連續(xù)采集2 幀海上船舶的遙感圖像時(shí)，2 幀之間的差分間隔在一定程度上會(huì)影響圖像的質(zhì)量，幀間差分如下：

式中：Sn(i,j)為當(dāng)前采集的船舶遙感差分圖像；Fn(i,j)為衛(wèi)星采集的第n幀遙感圖像；Fn?1(i,j)為衛(wèi)星采集的第n?1 幀遙感圖像[6]。

確定遙感圖像幀的某像素點(diǎn)(x,y)，其像素灰度為f(x,y)，建立像素平滑處理模型函數(shù)為：

3 艦船遙感圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的搭建

本文在艦船遙感圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的搭建，利用的程序語(yǔ)言為C++編程語(yǔ)言，采用的平臺(tái)為Microsoft Visual Studio 2010。將遙感圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的功能模塊劃分為圖像載入模塊、預(yù)處理模塊、模糊聚類分割模塊、平滑處理模塊和特征提取模塊。

圖5 為艦船遙感圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的工作流程圖。

圖5 遙感圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的工作流程圖Fig.5 Flow diagram of ship remote sensing image feature target automatic acquisition system

遙感圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)的艦船圖像目標(biāo)采集示意圖如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)采集系統(tǒng)的艦船圖像目標(biāo)識(shí)別效果圖Fig.6 Rendering of ship image target recognition by automatic acquisition system

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高海上艦船遙感圖像的目標(biāo)識(shí)別效率，本文基于Microsoft Visual Studio 2010 搭建了艦船遙感圖像特征目標(biāo)自動(dòng)采集系統(tǒng)，分別介紹了該系統(tǒng)的圖像濾波、模糊聚類分析、平滑處理等關(guān)鍵技術(shù)。