基于反射光譜和圖像的雪地偽裝材料紫外檢測技術研究

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技術研究

田英慧1,2，金偉其1，趙志勇2，董紹軍2，靳佰良2

（1. 北京理工大學光電學院光電成像技術與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081；2. 63956部隊，北京 100093）

雪地背景偽裝研究對于偽裝設計與偽裝識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技術。針對冬季雪地背景和典型目標樣品（白紙、白棉布和白色偽裝材料），開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比度相似性的偽裝檢測技術研究。通過光譜反射因數(shù)的歐氏距離和光譜角余弦計算偽裝樣品與雪地背景的相似性，通過平均灰度值對比和直方圖的歸一化相關系數(shù)巴氏距離來判斷偽裝目標和雪地背景的相似程度，證明了反射光譜和紫外圖像檢測的可行性和有效性。研究結(jié)果對雪地型偽裝裝備的研制和設計定型試驗有一定的指導意義。

雪地；偽裝材料；光譜反射；紫外；偽裝檢測

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]。信息化條件下對武器裝備偽裝的全域適應性提出了更高要求。對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，冬季時間長，氣溫低，積雪時間長，雪地背景在一年時間中占有相當?shù)谋戎兀虼?，雪地背景偽裝研究對于偽裝設計與偽裝識別均具有重要的意義。

從偽裝角度看，雪地是一種單調(diào)、強反射、高亮度的背景，在光學特征上以白色為主，有很高的白度及紫外反射率（如圖1）。因此，實施雪地目標偽裝的難度相對較大，對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達到雪地背景偽裝的目的。在到達地球表面的太陽光，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地球大氣層，常稱為“軟紫外波段”。目前用于偵察的紫外探測設備主要工作在0.3～0.4mm波段，也是雪地偽裝檢測的重點波段。

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與評價是采用主觀和客觀兩種方式進行：客觀上，實驗室檢測雪地型偽裝裝備制作材料的白度和紫外波段光譜反射率（兩個指標）；主觀上，野外使用紫外相機拍攝目標區(qū)域（目標與背景）照片，判讀人員再進行判讀，判斷目標與背景的融合程度。從檢測方法來說，目前采用的白度、反射率的測量（客觀數(shù)據(jù)）和紫外照相（主觀判讀）兩種方式是并行關系，目標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應關系，需要深入研究和大量的試驗來驗證；從評價技術層面來說，對于要測量的白度和紫外波段光譜反射率這兩個指標，均只規(guī)定了下限，兩個指標是否越高越好以及其閾值確定得是否合理尚未進行驗證。

本文將針對冬季雪地背景和典型目標樣品（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比相似度等方面，研究雪地偽裝材料的紫外檢測技術，為雪地型偽裝裝備研制和偽裝性能檢測評價技術提供技術基礎。

1 基于光譜曲線間相似性的偽裝檢測技術研究

1.1 基于光譜曲線間相似性的偽裝檢測技術

地物的光譜曲線具有形狀和幅度兩個特征，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參數(shù)來進行檢測和評價樣品與雪地背景的偽裝效果。

1）光譜角

光譜角分析技術可提供不同目標物質(zhì)在成像光譜數(shù)據(jù)空間的譜特征差異，適用范圍廣，可作為檢測方法之一。光譜角是指以原點和高維空間點構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

計算測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）距離表達式為：

歐氏（Euclidean）距離（＝2）：

在實際應用中，測量并計算兩種光譜曲線之間的廣義距離，距離越大，差異越大。

1.2 光譜檢測實驗及其分析

為掌握雪地背景和不同反射率偽裝材料的光譜反射特性，檢驗光譜曲線間相似性算法，設計進行了紫外、可見光波段的光譜反射因數(shù)測量實驗。

波長范圍200～850nm 積分時間1ms～65s 光柵600刻線/mm，設為200～850nm（閃耀波長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 儀器設備

主要考慮儀器設備的波譜范圍、環(huán)境適應性及便攜性等因素。由于屬于野外冬季環(huán)境的測試，儀器環(huán)境適應性應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參數(shù)。光譜測試系統(tǒng)包括光譜儀、便攜式計算機、SpectralSuite光譜采集處理軟件和USB數(shù)據(jù)線。

1.2.2 測試樣品

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），實驗室反射率350nm處測量值分別為90.34%、77.26%、66.00%和57.81%。

1.2.3 測量方法及條件

目標在空間的反射率是目標在上半球空間的雙向反射系數(shù)積分，用比對法測量目標反射率，即雙向反射系數(shù)。通過測量被測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，以及利用計量標定的漫反射體雙向反射系數(shù)d,id，由下式計算：

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分別為探測器接收方向的方位角和天頂角；dwr為接收探測器相對樣品所張立體角；dfr(qi, ji, qr, jr; dwr; l)為被測物體載方向(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)。

野外目標反射率的測量是一個需要綜合考慮太陽高度角、太陽方位角等各種影響的復雜過程。本文只進行了一定天頂角、方位角下單一光譜反射因數(shù)的測量。由式(4)可得：

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

本實驗在哈爾濱（126°14′222E, 45°38′382N）進行。根據(jù)經(jīng)緯度，計算出太陽高度角約為22°。光譜反射曲線采集時間是11月23日09:35～10:15，當天太陽日出06:44:53，日中11:20:19，日落15:55:45，太陽方位角為146°～160°。測量時，光譜儀方位和進行參照白板校正時的光譜儀方位一致。面向陽光，選擇日光從正前方照射，光譜儀探頭距目標約13cm進行垂直測量。

1.2.4 實驗數(shù)據(jù)處理和分析

每個樣品目標選取5個測點（消除背景和材料的不均勻性），每個測點讀取10個（降低隨機誤差）光譜數(shù)據(jù)，取50條光譜曲線均值。經(jīng)標準白板按照光譜儀采集的光譜數(shù)據(jù)波長，運用ENVI遙感圖像處理平臺中光譜分析處理工具來完成重采樣。由式(5)計算得到雪地背景和偽裝材料的紫外、可見光光譜反射因數(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）和可見光（380～780nm）波段數(shù)據(jù)時，設置了不同的積分時間。根據(jù)式(1)和式(3)計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）在可見光380～780 nm波段，樣品1#白紙和樣品2#白棉布在可見光波段范圍內(nèi)應是一條沒有波峰的光滑曲線；在400～510nm之間樣品1#、2#出現(xiàn)小波峰，這是因為加入了熒光增白劑，增強了光譜藍端的反射率，使得反射出現(xiàn)高峰值，也導致樣品1#、2#在可見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的相似性評價

2 基于紫外圖像相似度的偽裝檢測技術研究

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這些特征來進行評判。基于顏色直方圖匹配的相似度是典型的計算方法。顏色直方圖的相似性度量一般通過直方圖之間的距離度量，常見的有巴氏距離（Bhattacharyya Distance）、歐氏距離（Euclidean Distance）、馬氏距離（Mahalanobis Distance）等[5]。

本實驗拍攝的紫外照片內(nèi)容是雪地背景下的白紙、白棉布和四種偽裝材料樣品，目標和背景相對單一，故采用基于亮度特征的直方圖巴氏距離相似度評估算法對目標和雪地背景的相似度進行評判，且計算中采用目標和雪地背景的灰度平均值進行對比。

2.1 基于紫外圖像相似度的偽裝檢測技術

1）基于直方圖的巴氏距離

巴氏距離計算兩幅圖像的Bhattacharyya距離。在統(tǒng)計學中，巴氏距離用于測量兩離散概率分布，常在分類中測量類之間的可分離性，數(shù)值越大，兩者之間越相似。設雪地背景和目標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差別即灰度值對比可用來對所拍攝的紫外圖像進行效果檢測，計算公式為：

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 紫外圖像檢測實驗及其分析

2.2.1 儀器設備

選用直耦式紫外數(shù)碼相機，配備中心波長分別為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 直耦式紫外相機和四種紫外濾光片

表2 紫外相機主要性能參數(shù)

2.2.2 測量方法及條件

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

2.2.3 實驗圖像及其數(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光和紫外（380nm濾光片）圖像。

圖6 樣品與雪地背景的可見光圖片

圖7 樣品與雪地背景的紫外圖片（380nm中心波長濾光片）

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的關系，將光譜波段分為320～360nm、332～372nm、345～385nm和360～400nm四個波段，表3給出使用340nm、352nm、365nm、380nm四個中心波長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來看，樣品1#、2#的歐式距離明顯很大，說明其反射因數(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)劣排序為樣品4#、3#、5#、6#。

從表4來看，樣品1#、2#的巴氏距離明顯小于其他4個樣品，灰度平均值很大，說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，灰度平均值對比度較小，說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)劣排序為樣品4#、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比度相似度的偽裝檢測技術的可行性和有效性，4個濾光片紫外圖像的相似度和對應四段波長光譜曲線間的相似性檢測與評價結(jié)果一致，說明材料與雪地背景的接近程度，即材料的偽裝性能可通過光譜曲線間的相似性和紫外圖像的相似度進行檢測和評價。光譜曲線間可通過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行評判；紫外圖像的相似度問題可以通過灰度直方圖、目標和雪地背景的灰度平均值對比值進行比較和評判。

由于本實驗是在野外進行，有諸多不可控的因素，今后的研究中應進一步選擇太陽在不同方位角、對偽裝材料和不同的時間段的雪地背景進行光譜反射率測量；拍攝紫外照片可考慮不同太陽方位角、以及俯視拍攝等多種工況，以期為紫外波段偽裝檢測和評價提供更多可靠的數(shù)據(jù)和技術支撐。

致謝

感謝中國通用技術研究院崔志剛老師在紫外相機研制過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相關技術研究。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、光電圖像處理、光電檢測與儀器等研究。E-mail：jinwq@bit.edu.cn。

軍內(nèi)科研項目（012016016600B13203）。