基于某型導(dǎo)彈電視測(cè)角儀的圖像處理算法研究

高偉偉，王竹林，張自賓，賈 波

（軍械工程學(xué)院四系，河北 石家莊 050003）

1 引 言

電視測(cè)角儀是某型反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要用途是根據(jù)彈上輻射源的位置，自動(dòng)、實(shí)時(shí)地測(cè)量導(dǎo)彈偏離瞄準(zhǔn)軸線的角偏差，以數(shù)字信號(hào)形式傳輸給控制箱，供其編制控制指令[1]。電視測(cè)角儀工作時(shí)，由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境千變?nèi)f化，主動(dòng)干擾、被動(dòng)干擾、煙塵雨霧的遮擋、復(fù)雜背景的出現(xiàn)等既會(huì)使彈標(biāo)輻射能量嚴(yán)重衰減，甚至短時(shí)間內(nèi)被完全遮擋，也會(huì)使火光、燈光等進(jìn)入視場(chǎng)與彈標(biāo)信號(hào)相混淆，它們?cè)斐傻母蓴_，可能使電視測(cè)角儀不能可靠地測(cè)出彈標(biāo)的角偏差[2]。對(duì)于使用電視測(cè)角儀的反坦克導(dǎo)彈武器而言，干擾源主要分為自然背景的干擾和人為設(shè)置的干擾[3]。綜上分析，在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，如何能夠排除干擾信號(hào)，準(zhǔn)確提取彈標(biāo)信號(hào)已經(jīng)成為電視測(cè)角儀研究的關(guān)鍵。

2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法研究

2.1 背景模型算法研究

一幀圖像數(shù)字化后，可以將其看作一個(gè)N×M的矩陣A，αij代表矩陣A第i行第j列的灰度值?？紤]到檢測(cè)正確率、算法難度及實(shí)時(shí)性要求等因素，可以采用實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單的單高斯背景建模方法。以矩陣中任意一點(diǎn)灰度值αij為研究對(duì)象，可在背景無運(yùn)動(dòng)物體時(shí)連續(xù)采樣n幀圖像，用來實(shí)現(xiàn)背景模型的初始化[4]。其相應(yīng)高斯模型的均值和方差為：

式中：Mn——檢測(cè)后的二值掩膜圖像，值為1的點(diǎn)表示所檢測(cè)點(diǎn)是前景點(diǎn)，值為0的表示所檢測(cè)點(diǎn)為背景點(diǎn)[6]；

α∈[0，1]，表示參數(shù)的更新速度，如果在 Δt時(shí)間之內(nèi)，使背景參數(shù)更新的補(bǔ)充視頻信息比例為α，則原背景參數(shù)信息占1-α。

2.2 彈標(biāo)識(shí)別算法研究

由于人為干擾以及背景模型本身的局限性，背景減除法并不能把彈標(biāo)信號(hào)提取出來，剩下的只能是包含彈標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)的一些候選目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，可以通過研究彈標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性將其與干擾信號(hào)分開。

在CCD靶面上，彈標(biāo)信號(hào)運(yùn)動(dòng)空間比較小，與其他干擾信號(hào)相比并沒有明顯的差別。但有一點(diǎn)是明顯的，隨著導(dǎo)彈與電視測(cè)角儀的高速分開，彈標(biāo)信號(hào)在CCD靶面上的能量是快速衰減的，而火堆映射在靶面上的能量是幾乎不變的，敵方釋放的干擾彈在CCD靶面上映射的能量衰減也不明顯。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以尋求檢測(cè)候選信號(hào)能量的衰減特性來識(shí)別彈標(biāo)信號(hào)。

接收到的彈標(biāo)信號(hào)能量的衰減包括兩個(gè)方面，一個(gè)是面積越來越小，一個(gè)是彈標(biāo)信號(hào)區(qū)域中單位像素的能量越來越小。綜合這兩個(gè)特點(diǎn)，如果能在這兩個(gè)方面通過實(shí)驗(yàn)和理論對(duì)彈標(biāo)信號(hào)的變化建模，以此作為判別標(biāo)準(zhǔn)，很容易便可排除干擾信號(hào)。

設(shè)彈標(biāo)信號(hào)在CCD靶面的初始面積為S0，彈標(biāo)輻射源在理想情況下可辨識(shí)距離為l，導(dǎo)彈發(fā)射后ts內(nèi)的飛行距離為l（t），彈標(biāo)信號(hào)在靶面面積為S（t）。隨著飛行距離越來越遠(yuǎn)，彈標(biāo)信號(hào)的面積漸漸變小，當(dāng)導(dǎo)彈飛行距離為l時(shí)，可以將彈標(biāo)信號(hào)看作一個(gè)點(diǎn)，這樣就可以將彈標(biāo)信號(hào)變化描述為底面積從大到小的錐形變化（如圖1所示），其中的底面積對(duì)應(yīng)彈標(biāo)信號(hào)面積。

圖1 彈標(biāo)信號(hào)在CCD靶面面積的變化

根據(jù)圖形有公式：

對(duì) S（t）求導(dǎo)得：

設(shè)CCD靶面上彈標(biāo)區(qū)域單位像素的能量為e（t），那么隨著時(shí)間的變化，能量的變化E′（t）的計(jì)算公式為：

由于幀轉(zhuǎn)換時(shí)間Δt是固定的，令kΔt=k，則：

設(shè)第k幀圖像彈標(biāo)區(qū)域面積內(nèi)的平均灰度值為e*（k），那么第k-1幀圖像到第k幀圖像的彈標(biāo)面積變化ΔS*（k）和能量變化ΔE*（k）可表示為：

則判定該區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)區(qū)域。

3 彈標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)的計(jì)算

通過背景減除法，綜合彈標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性將彈標(biāo)信號(hào)隔離出來，得到一個(gè)白色連通區(qū)域，如圖2所示，其中圖（a）是隔離彈標(biāo)信號(hào)，圖（b）圖是放大后的彈標(biāo)信號(hào)。

圖2 彈標(biāo)信號(hào)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的實(shí)時(shí)控制，需要將彈標(biāo)的質(zhì)心位置計(jì)算出來。對(duì)于目標(biāo)連通區(qū)域，其中的每個(gè)行白色條段的面積就是其長(zhǎng)度di，可以用其兩端邊界元的列序號(hào)表示[7]，設(shè)白色條段第i行最右邊的列序號(hào)為 ri，最左邊的列序號(hào)為 li，則：

如此，目標(biāo)連通區(qū)域的面積A就可以看作區(qū)域內(nèi)所有白色條段的長(zhǎng)度之和[8-9]，即：

其中，i的取值范圍為該孤立連通域中最上面的條段所在行號(hào)至最下面的條段所在行號(hào)。

由于彈標(biāo)的形心坐標(biāo)（x，y）可分別表示為連通區(qū)域在x、y軸（將矩陣的行用x軸坐標(biāo)表示，列用y軸坐標(biāo)表示）上的一階矩陣與連通區(qū)域面積之比，所以設(shè)連通區(qū)域在x軸上的一階矩陣為μx，在y軸上的一階矩陣為μy，在彈標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算時(shí)，認(rèn)為質(zhì)心與形心重合，于是計(jì)算質(zhì)心坐標(biāo)如式（18）、式（19）所示。由于計(jì)算簡(jiǎn)單高效，滿足了導(dǎo)彈的實(shí)時(shí)控制要求。

4 結(jié)束語

在傳統(tǒng)背景減除法基礎(chǔ)上，通過研究導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)與彈標(biāo)信號(hào)在CCD上面積及能量變化關(guān)系，對(duì)彈標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性建模。提出了使用檢測(cè)彈標(biāo)信號(hào)能量衰減幅度來判定信號(hào)真?zhèn)蔚姆椒?，并在理論上得到了論證，為進(jìn)一步研究復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下彈標(biāo)信號(hào)的識(shí)別提供了一個(gè)新的思路。結(jié)合連通區(qū)域形心位置計(jì)算方法，能快速提取出彈標(biāo)信號(hào)的坐標(biāo)位置，滿足了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下導(dǎo)彈控制的實(shí)時(shí)性要求。

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