五幀差分法提取實(shí)測紅外煙幕圖像的特征參數(shù)

郭愛強(qiáng)，高欣寶，李天鵬，戴俊杰，李笑楠

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003）

1 引言

隨著電子對抗的升級，對電子對抗裝備提出了更高的要求，不僅戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要過硬，而且要能夠滿足戰(zhàn)時環(huán)境需要。紅外煙幕彈具有優(yōu)良的光電對抗效果、較強(qiáng)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用機(jī)動性和較高的效費(fèi)比，是應(yīng)用最廣泛的無源干擾手段，受到各國的青睞［1］。通過向來襲精確制導(dǎo)武器發(fā)射紅外煙幕彈，阻止精確制導(dǎo)武器正常的作戰(zhàn)效能，以保護(hù)地面目標(biāo)、部隊(duì)行動掩護(hù)和支援、作戰(zhàn)平臺的自衛(wèi)等重要目標(biāo)或設(shè)施。紅外煙幕彈爆炸形成的煙幕，其野外遮蔽性能更能真實(shí)反映紅外煙幕彈的實(shí)戰(zhàn)效能［2］。紅外煙幕彈所形成煙幕的作用空間和時間是評估發(fā)煙彈藥的作戰(zhàn)效能的指標(biāo)之一，其作用空間有煙幕寬、煙幕長、煙幕高、煙幕遮蔽面積［3-4］。目前，我國煙幕彈設(shè)計(jì)定型階段主要是通過紅外熱像儀等儀器采集煙幕彈的形成、擴(kuò)散過程［5-6］的視頻，應(yīng)用傳統(tǒng)的圖像處理方法，通過人工提取紅外煙幕的特征參數(shù)，這樣提取紅外煙幕不僅耗時，而且不準(zhǔn)確。如何在定型階段、作戰(zhàn)訓(xùn)練時快速準(zhǔn)確的提取紅外煙幕的這些參數(shù)是現(xiàn)階段面臨的一個難題。

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，圖像預(yù)處理及分割［7-8］、特征提取和判斷匹配［9］，并衍生出多種應(yīng)用，例如谷歌的智能醫(yī)療診斷［10］、百度的無人駕駛汽車［11］、高清監(jiān)控高速普及，采集圖像信息日益豐富，圖像視頻識別領(lǐng)域得到不斷拓展與應(yīng)用［12］，其中也給紅外煙幕圖像分割與提取帶來了便利。運(yùn)動目標(biāo)檢測常用的方法有幀間差分［13］法，背景差分法［14］、光流法等［15］。劉敏杰［16］使用了VIBe 兩幀差分方法提取了燃燒的火焰，熊昊等［17-18］應(yīng)用了SVM 兩幀差分方法提取了燃燒的火焰，但對火焰燃燒尺寸沒有提取。為了提取和分割紅外熱像儀視頻序列中的紅外煙幕特征參數(shù)，其過程要克服靶場動態(tài)背景、日照等環(huán)境造成的干擾。兩幀差分方法提取紅外煙幕會導(dǎo)致靶場的場景過于復(fù)雜、煙幕擴(kuò)散緩慢時，相鄰圖像幀中紅外煙幕重疊區(qū)域大，導(dǎo)致像素值變化不明顯，紅外煙幕特征參數(shù)無法準(zhǔn)確提取。

為了克服以上缺點(diǎn)，本研究通過設(shè)計(jì)野外測量紅外煙幕的試驗(yàn)場地布置方案，應(yīng)用紅外熱像儀采集紅煙幕彈爆炸形成紅外煙幕過程的視頻，應(yīng)用五幀差分法對紅外熱像儀成像視頻序列中的紅外煙幕進(jìn)行分割，得到紅外煙幕區(qū)域，定量提取紅外煙幕效應(yīng)和運(yùn)動特征量參數(shù)，為紅外煙幕彈的相關(guān)研究提供參考。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)儀器

制冷型慧眼8000 紅外熱像儀；非制冷型SFJ?1 型紅外熱像儀；氣象儀，齊齊哈爾建華機(jī)械廠；Vertex Laser Geo 激光超聲波測高測距儀，品牌HAGLOF，瑞典。

2.2 場地布置

為了減少誤差，紅外熱像儀光軸應(yīng)盡量垂直于風(fēng)向，紅外煙幕彈與地面垂直。綜合考慮紅外煙幕彈爆炸形成的煙幕寬度、煙幕高度、紅外熱像儀等儀器視場角、測試距離等因素，估算紅外煙幕彈到地面的高度，紅外煙幕彈到紅外熱像儀之間的距離。應(yīng)用激光測距機(jī)測量紅外煙幕彈起爆點(diǎn)到紅外熱像儀之間的距離L1，m；兩個參考架之間的距離L2，m；按相關(guān)試驗(yàn)方法布設(shè)場地［19-21］，其布設(shè)場地如圖1 所示。

圖1 紅外煙幕測試系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of smoke?screen test system layout

2.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

本研究選取的非制冷型SFJ?1 型紅外熱像儀以25 幀?s-1的頻率進(jìn)行采集。當(dāng)?shù)仫L(fēng)速為1.2 m·s-1，紅外熱像儀的視場角為23.4°，風(fēng)向與紅外熱像儀成像面的夾角為4°，紅外熱像儀到紅外煙幕彈爆炸點(diǎn)的距離L1為503 m，兩個參考架之間的距離L2為6 m。

當(dāng)紅外熱像儀采集10～20 s 后，起爆紅外煙幕彈，當(dāng)起爆紅外煙幕彈后形成煙幕時，水平調(diào)整紅外熱像儀視場。待紅外煙幕占紅外熱像儀視場角的一半時，用激光測距機(jī)測量紅外煙幕幾何中心位置到紅外熱像儀之間的距離L5=512 m。需注意，紅外煙幕彈持續(xù)發(fā)煙過程中不能調(diào)整攝紅外熱像儀采集方向，直至紅外煙幕擴(kuò)散超出紅外熱像儀視場，停止數(shù)據(jù)采集并保存紅外煙幕彈作用過程的視頻數(shù)據(jù)。本研究共采集了112 s 內(nèi)紅外煙幕彈作用過程的視頻，其視頻第506幀、541 幀、568 幀如圖2 所示。

圖2 紅外煙幕彈實(shí)爆試驗(yàn)圖Fig.2 Explosion images of infrared smoke bomb

3 紅外煙幕特征參數(shù)的提取方法

3.1 紅外煙幕區(qū)域的分割和提取

紅外煙幕區(qū)域的分割和提取是通過閾值T分割成二值圖像。首先要計(jì)算出閾值T，由于紅外煙幕視頻中的最后一幀有煙幕的圖片其煙幕濃度比較小，故選取紅外煙幕視頻中的最后一幀有煙幕的圖片作為紅外煙幕提取閾值的基準(zhǔn)。通過提取煙幕圖像中灰度的平均值，作為紅外煙幕分割的閾值，這樣提取的煙幕特征參數(shù)更準(zhǔn)確。接著從紅外煙幕視頻序列中讀取連續(xù)的5 幀圖像，gm?2（x，y），gm?1（x，y），gm（x，y），gm+1（x，y），gm+2（x，y），m表示紅外煙幕圖像序列中連續(xù)5 幀圖像中最中間的序號，（x，y）代表紅外煙幕圖像的像素點(diǎn)。應(yīng)用中間幀煙幕圖像gm（x，y）依次與另外4 幀煙幕圖像進(jìn)行絕對值差分，并通過閾值T分割成二值圖像，其計(jì)算見公式（1）：

當(dāng)Dyun=1 時，為紅外煙幕運(yùn)動特征量的像素點(diǎn)；當(dāng)Dyun=0 時，為靶場背景像素。

3.2 紅外煙幕圖像的風(fēng)向修正

野外試驗(yàn)時，實(shí)際風(fēng)向與理想風(fēng)向的偏差是客觀存在的，即實(shí)際風(fēng)向要么偏離紅外熱像儀一側(cè)，要么偏向紅外熱像儀一側(cè)兩種，其對應(yīng)的幾何關(guān)系如圖3 所示?？紤]到試驗(yàn)場地地面風(fēng)向?qū)t外煙幕擴(kuò)散的影響，減少計(jì)算過程中測試誤差，按照視場布置的幾何關(guān)系對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)向修正，風(fēng)向修正算法參照GJB 5214.14-2003 特種彈效應(yīng)試驗(yàn)方法［21］。

圖3 中，ε為該時刻實(shí)際風(fēng)向與熱像儀CCD 成像面間的夾角的數(shù)值，（°）；δ為該時刻實(shí)際風(fēng)向與紅外煙幕預(yù)計(jì)擴(kuò)散方向的夾角的數(shù)值，（°）；α為紅外熱像儀水平視場角，（°）；HC代表煙幕在水平面的實(shí)際擴(kuò)散方向，（°）；IF為激光測距機(jī)測量紅外煙幕彈起爆點(diǎn)到紅外熱像儀之間的距離L1，m；OF為兩個參考架之間距離的一半L2，m；γ為熱像儀在初始位置偏離參考架的角度，（°）。

圖3 風(fēng)向修正示意圖Fig.3 Sketch of wind direction correction

從圖3 a 可知，實(shí)際風(fēng)向?qū)е聼熌粩U(kuò)散與預(yù)計(jì)擴(kuò)散方向存在偏差，紅外熱像儀水平視場角中心線左側(cè)紅外煙幕到紅外熱像儀之間的距離比實(shí)際煙幕到紅外熱像儀之間的距離近，紅外熱像儀水平視場角中心線右側(cè)煙幕到紅外熱像儀之間的距離比實(shí)際紅外煙幕到紅外熱像儀之間的距離遠(yuǎn)，經(jīng)過幾何關(guān)系推導(dǎo)實(shí)際風(fēng)向與紅外熱像儀成像面之間夾角ε按公式（4）計(jì)算。

圖3b 幾何關(guān)系可知，紅外熱像儀水平視場角中心線左側(cè)紅外煙幕與紅外熱像儀之間的距離比實(shí)際紅外煙幕到紅外熱像儀之間的距離遠(yuǎn)，紅外熱像儀水平視場角中心線右側(cè)煙幕與紅外熱像儀之間的距離比實(shí)際紅外煙幕到紅外熱像儀之間的距離近，經(jīng)過幾何關(guān)系推導(dǎo)實(shí)際風(fēng)向與紅外熱像儀成像面之間夾角ε按公式（5）計(jì)算。

綜上公式（4）和公式（5）分析，ε為正值時，表示實(shí)際風(fēng)向偏離紅外熱像儀；ε為負(fù)值時，實(shí)際風(fēng)向偏向紅外熱像儀。

3.3 煙幕特征參數(shù)的提取

分析發(fā)現(xiàn)，紅外煙幕圖像的每一個像素點(diǎn)與實(shí)際紅外煙幕圖像的每一個像素點(diǎn)高度和寬度均不相同，故需要對紅外煙幕圖像每一個像素點(diǎn)的高度和寬度進(jìn)行提取，其紅外煙幕像素點(diǎn)參數(shù)提取的幾何關(guān)系如圖4 所示。

圖4 煙幕像素點(diǎn)參數(shù)提取示意圖Fig.4 The diagram of extracting smoke screen pixel parameters

圖中，GC為實(shí)際風(fēng)向，（°）；OB為紅外熱像儀到紅外煙幕的實(shí)際距離L5，m；AD平行于紅外熱像儀與實(shí)際風(fēng)向相交于B；Pi為紅外煙幕圖像水平中心線左側(cè)任意一個像素點(diǎn)，Qi為Pi點(diǎn)對應(yīng)的紅外煙幕像素點(diǎn)位置；Pi+1為P 點(diǎn)右側(cè)的相鄰像素點(diǎn)，Qi+1為Pi+1點(diǎn)對應(yīng)的紅外煙幕像素點(diǎn)位置。

通過幾何關(guān)系，在圖4a 中，當(dāng)紅外煙幕圖像的像素點(diǎn)位于熱像儀圖像水平中心線左側(cè)時；在圖4b 中，當(dāng)紅外煙幕圖像的像素點(diǎn)位于熱像儀圖像水平中心線右側(cè)時，BPi、OQi、BPi、OQi的值，見公式（6）。進(jìn)而求出任意一個熱像儀圖像像素點(diǎn)所代表的煙幕高度和寬度，見公式（7）。

式中，ni為紅外煙幕圖像中Pi像素點(diǎn)到熱像儀圖像水平中心線的像素點(diǎn)數(shù)量；ni+1為紅外煙幕圖像中Pi+1像素點(diǎn)到熱像儀圖像水平中心線的像素點(diǎn)數(shù)量；Nw為公式（2）求解出紅外煙幕區(qū)域Dm在水平方向的像素點(diǎn)數(shù)；Nh為公式（2）求解出紅外煙幕區(qū)域Dm在垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)量；Wpi是任意一個熱像儀圖像像素點(diǎn)所代表的煙幕寬度，m；Hpi是任意一個熱像儀圖像像素點(diǎn)所代表的煙幕高度，m；Li為紅外熱像儀到煙幕上任意位置Q 點(diǎn)在煙幕投影面的距離，m；β是熱像儀垂直視場角的數(shù)值，（°）。

通過公式（6）和公式（7）整理可得，任意一個熱像儀圖像像素點(diǎn)所代表的煙幕寬度Wpi和高度Hpi可用公式（8）來計(jì)算。

同理，在圖4a 中，當(dāng)紅外煙幕圖像的像素點(diǎn)的位于熱像儀圖像水平中心線右側(cè)時；在圖4b 中，當(dāng)紅外煙幕圖像的像素點(diǎn)的位于熱像儀圖像水平中心線左側(cè)時，任意一個熱像儀圖像像素點(diǎn)所代表的煙幕寬度Wpi和高度Hpi可用公式（9）來計(jì)算。

3.3.1 紅外煙幕效應(yīng)特征量

某一時刻煙幕對紅外遮蔽寬度按公式（10）計(jì)算：

式中，Wt是該時刻煙幕對紅外遮蔽寬度的數(shù)值，m；a、b是該時刻遮蔽煙幕左、右邊界在熱像儀圖像中的像素列號。

某一時刻煙幕對紅外遮蔽高度按公式（11）計(jì)算：

式中，Ht是該時刻煙幕對紅外遮蔽高度的數(shù)值，m；d、c是該時刻遮蔽煙幕底部、頂部在熱像儀圖像中的像素行號。

某一時刻煙幕對紅外遮蔽面積按公式（12）計(jì)算：

式中，St是該時刻煙幕對紅外遮蔽面積的數(shù)值，m2；a、b是該時刻遮蔽煙幕左、右邊界在熱像儀圖像中的像素列號；Ni是遮蔽煙幕在熱像儀圖像上第i列所占像素個數(shù)；Wpi是該時刻熱像儀圖像中第i列像素所代表的實(shí)際煙幕寬度的數(shù)值，m；Hpi是該時刻遮蔽煙幕在熱像儀圖像中第i列一個像素所代表的實(shí)際煙幕高度的數(shù)值，m。

3.3.2 紅外煙幕效應(yīng)特征量

同理，通過公式（3）求解出紅外煙幕運(yùn)動特征區(qū)域Qyun，按照視場布置的幾何關(guān)系對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)向修正。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用公式（8）和公式（9）得到紅外煙幕運(yùn)動特征區(qū)域像素點(diǎn)所代表的煙幕寬度和高度。最后判斷Qyun中距離爆炸中心距離最遠(yuǎn)的水平像素點(diǎn)和垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)，提取紅外煙幕運(yùn)動特征區(qū)域中該列有m個像素點(diǎn)，該行n個像素點(diǎn)的像素點(diǎn)，進(jìn)而可計(jì)算出垂直方向、水平方向的擴(kuò)散速度，其計(jì)算如公式（13）所述。

式中，Vx為紅外煙幕在水平方向的擴(kuò)散速度，m·s?1；Vy為紅外煙幕在水平方向的擴(kuò)散速度，m·s?1；Zs表示1s內(nèi)煙幕視頻中的幀數(shù)。

3.4 煙幕特征參數(shù)提取驗(yàn)證

為了實(shí)時地提取紅外煙幕效應(yīng)特征量（煙幕遮蔽面積、煙幕寬度、煙幕高度、遮蔽時間），紅外煙幕運(yùn)動特征量（煙幕在垂直方向、水平方向的擴(kuò)散速度）。本研究應(yīng)用了采集的112 s 內(nèi)紅外煙幕彈作用過程視頻，通過公式（1）～公式（3）得到紅外煙幕區(qū)域，再按照視場布置的幾何關(guān)系對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)向修正，以紅外煙幕圖像像素為基本單元，得到紅外熱像儀圖像序列中每一張圖片中每一個像素點(diǎn)所代表的實(shí)際紅外煙幕高度數(shù)值與寬度數(shù)值，進(jìn)而定量提取紅外煙幕特征量。應(yīng)用了MATLAB 開發(fā)了實(shí)測圖像的紅外煙幕特征參數(shù)實(shí)時提取軟件，其運(yùn)行界面如圖5 所示。通過軟件對紅外煙幕效應(yīng)特征量、運(yùn)動特征量進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和提取，其紅外煙幕效應(yīng)特征量隨時間的變化曲線如圖6 所示，紅外煙幕運(yùn)動特征量隨時間的變化曲線如圖7 所示。

圖5 347 幀的煙幕特征提取界面圖Fig.5 Feature extraction interface diagram for the 347 frame of smoke screen

圖6 紅外煙幕效應(yīng)特征量隨時間的變化曲線Fig.6 Curves of teffect characteristic parametersof the infra?red smoke screen varing with time

從圖5 第347 幀的煙幕特征提取界面圖可知，當(dāng)煙幕序列從346 幀到347 幀間隔內(nèi)紅外煙幕彈開始爆炸，由于紅外熱像儀開始采集視頻10～20 s 后，才起爆紅外煙幕彈。其爆炸瞬間煙幕寬度、煙幕高度、煙幕遮蔽面積迅速增加至4.7 m，5.2 m，24.2 m2，水平沿風(fēng)速方向的煙幕前沿?cái)U(kuò)散速度達(dá)到了126 m·s-1，垂直方向煙幕前沿?cái)U(kuò)散的速度達(dá)到了146.3 m·s-1。從圖6 紅外煙幕效應(yīng)特征量隨時間的變化曲線和圖7a 紅外煙幕運(yùn)動特征量隨時間的變化曲線可知，前346 幀時間內(nèi)煙幕高度、寬度煙幕在垂直方向、水平方向的擴(kuò)散速度一直為零。當(dāng)實(shí)測圖像的紅外煙幕特征參數(shù)實(shí)時提取軟件中讀取煙幕序列為346 幀到347 幀之間時，紅外煙幕彈借助炸藥的爆炸作用開始起爆，爆炸產(chǎn)生爆轟波同時伴隨著著能量的產(chǎn)生［22］，煙幕彈迅速形成煙幕，在垂直方向、水平方向的擴(kuò)散速度瞬間飆升［23］，煙幕高度和寬度瞬間增加，此階段爆轟波起主導(dǎo)作用，隨著煙幕距離爆炸點(diǎn)距離增加，爆轟波和能量對煙幕擴(kuò)散的影響越來越小，煙幕擴(kuò)散速度也隨之減慢，并形成紅外煙幕云團(tuán)，之后，在湍流擴(kuò)散的作用下，紅外煙幕繼續(xù)擴(kuò)大［5-6］。但當(dāng)爆轟波消失時，由于煙幕擴(kuò)散還受風(fēng)速的影響，紅外煙幕繼續(xù)擴(kuò)大風(fēng)速開始占據(jù)主導(dǎo)因素，煙幕寬度受風(fēng)速的影響還繼續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到一定寬度以后煙幕濃度減小，煙幕粒子飄散，煙幕寬度開始減?。挥旨t外熱像儀的視場角的小，煙幕擴(kuò)散到視場角外時，煙幕的寬度也隨之減少。煙幕高度在爆轟波消失以后，煙幕粒子受重力的影響和大氣對煙幕粒子浮力的作用，煙幕擴(kuò)散垂直的速度趨于定值，煙幕的高度也開始減小，當(dāng)煙幕擴(kuò)散到紅外熱像儀的視場角外時，煙幕高度迅速減小到0［24］。從圖7b 紅外煙幕運(yùn)動特征量在21 s 到29 s內(nèi)風(fēng)速對煙幕水平擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)煙幕水平擴(kuò)散的速度與風(fēng)速基本成正相關(guān)，煙幕垂直擴(kuò)散速度一直在減小的原因是隨著煙幕粒徑大的受重力影響比較嚴(yán)重，沉降速度快，當(dāng)煙幕擴(kuò)散后期，煙幕大粒子擴(kuò)散到地面，而小粒徑煙幕在垂直方向的擴(kuò)散速度與之減小。

圖7 紅外煙幕運(yùn)動特征量隨時間的變化曲線Fig.7 Curves of motion characteristic parameters of the infra?red smoke screen varying with time

4 結(jié)論

為了快速提取紅外煙幕的特征參數(shù)，提出了五幀差分法提取實(shí)測紅外煙幕圖像特征參數(shù)研究，得到結(jié)論如下：

（1）采用五幀差分法對紅外熱像儀成像視頻序列中的紅外煙幕進(jìn)行分割和提取，可得到紅外煙幕效應(yīng)特征量和運(yùn)動特征量區(qū)域。

（2）在設(shè)計(jì)了野外測量紅外煙幕的試驗(yàn)場地布置方案的基礎(chǔ)上，按照場地布置的幾何關(guān)系對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了風(fēng)向修正。以紅外煙幕圖像像素為基本單元，可計(jì)算得到紅外熱像儀圖像紅外煙幕效應(yīng)特征量和運(yùn)動特征量區(qū)域中每一個像素點(diǎn)所代表的實(shí)際煙幕高度數(shù)值與寬度數(shù)值，進(jìn)而提取煙幕的效應(yīng)特征量和運(yùn)動特征量參數(shù)。

（3）通過實(shí)測紅外煙幕視頻分析驗(yàn)證，該方法可以快速提取紅外煙幕特征參數(shù)，其紅外煙幕彈爆炸瞬間煙幕寬度、煙幕高度、煙幕遮蔽面積迅速增加至4.7 m，5.2 m，24.2 m2，水平沿風(fēng)速方向的煙幕前沿?cái)U(kuò)散速度達(dá)到了126 m·s-1，垂直方向煙幕前沿?cái)U(kuò)散的速度達(dá)到了146.3 m·s-1。