基于某型導(dǎo)彈電視測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、實(shí)時地測量導(dǎo)彈偏離瞄準(zhǔn)軸線的角偏差，以數(shù)字信號形式傳輸給控制箱，供其編制控制指令[1]。電視測角儀工作時，由于戰(zhàn)場環(huán)境千變?nèi)f化，主動干擾、被動干擾、煙塵雨霧的遮擋、復(fù)雜背景的出現(xiàn)等既會使彈標(biāo)輻射能量嚴(yán)重衰減，甚至短時間內(nèi)被完全遮擋，也會使火光、燈光等進(jìn)入視場與彈標(biāo)信號相混淆，它們造成的干擾，可能使電視測角儀不能可靠地測出彈標(biāo)的角偏差[2]。對于使用電視測角儀的反坦克導(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)場環(huán)境下，如何能夠排除干擾信號，準(zhǔn)確提取彈標(biāo)信號已經(jīng)成為電視測角儀研究的關(guān)鍵。

2 運(yùn)動目標(biāo)識別算法研究

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N×M的矩陣A，αij代表矩陣A第i行第j列的灰度值。考慮到檢測正確率、算法難度及實(shí)時性要求等因素，可以采用實(shí)現(xiàn)相對簡單的單高斯背景建模方法。以矩陣中任意一點(diǎn)灰度值αij為研究對象，可在背景無運(yùn)動物體時連續(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——檢測后的二值掩膜圖像，值為1的點(diǎn)表示所檢測點(diǎn)是前景點(diǎn)，值為0的表示所檢測點(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)信號提取出來，剩下的只能是包含彈標(biāo)信號和干擾信號的一些候選目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，可以通過研究彈標(biāo)的運(yùn)動特性將其與干擾信號分開。

在CCD靶面上，彈標(biāo)信號運(yùn)動空間比較小，與其他干擾信號相比并沒有明顯的差別。但有一點(diǎn)是明顯的，隨著導(dǎo)彈與電視測角儀的高速分開，彈標(biāo)信號在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)這個特點(diǎn)，可以尋求檢測候選信號能量的衰減特性來識別彈標(biāo)信號。

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

設(shè)彈標(biāo)信號在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)信號在靶面面積為S（t）。隨著飛行距離越來越遠(yuǎn)，彈標(biāo)信號的面積漸漸變小，當(dāng)導(dǎo)彈飛行距離為l時，可以將彈標(biāo)信號看作一個點(diǎn)，這樣就可以將彈標(biāo)信號變化描述為底面積從大到小的錐形變化（如圖1所示），其中的底面積對應(yīng)彈標(biāo)信號面積。

圖1 彈標(biāo)信號在CCD靶面面積的變化

根據(jù)圖形有公式：

對 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)動特性將彈標(biāo)信號隔離出來，得到一個白色連通區(qū)域，如圖2所示，其中圖（a）是隔離彈標(biāo)信號，圖（b）圖是放大后的彈標(biāo)信號。

圖2 彈標(biāo)信號

為了實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈的實(shí)時控制，需要將彈標(biāo)的質(zhì)心位置計(jì)算出來。對于目標(biāo)連通區(qū)域，其中的每個行白色條段的面積就是其長度di，可以用其兩端邊界元的列序號表示[7]，設(shè)白色條段第i行最右邊的列序號為 ri，最左邊的列序號為 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至最下面的條段所在行號。

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，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)算簡單高效，滿足了導(dǎo)彈的實(shí)時控制要求。

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)動與彈標(biāo)信號在CCD上面積及能量變化關(guān)系，對彈標(biāo)運(yùn)動特性建模。提出了使用檢測彈標(biāo)信號能量衰減幅度來判定信號真?zhèn)蔚姆椒ǎ⒃诶碚撋系玫搅苏撟C，為進(jìn)一步研究復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下彈標(biāo)信號的識別提供了一個新的思路。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)信號的坐標(biāo)位置，滿足了戰(zhàn)場環(huán)境下導(dǎo)彈控制的實(shí)時性要求。

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