激光干擾圖像質量的交叉熵評估

劉 飛,邵曉鵬,韓平麗,相里斌,2,任 勐

(1.西安電子科技大學物理與光電工程學院,陜西西安 710071;2.中國科學院光電研究院,北京100094;3.西安現代控制技術研究所,陜西西安 710065)

激光干擾圖像質量的交叉熵評估

劉 飛1,邵曉鵬1,韓平麗1,相里斌1,2,任 勐3

(1.西安電子科技大學物理與光電工程學院,陜西西安 710071;2.中國科學院光電研究院,北京100094;3.西安現代控制技術研究所,陜西西安 710065)

針對光電對抗中成像制導武器易受激光干擾的問題,結合制導跟蹤原理和抗干擾機理,提出了利用圖像的交叉熵來對其干擾質量進行評估的方法.根據信息論中熵的概念,分析了干擾前后圖像之間的相似度關系;充分利用圖像熵的優點,綜合考慮激光干擾圖像的質量評估流程,建立了激光干擾圖像質量評估函數,分別從理論和實驗上分析了評估函數對激光干擾圖像質量評價的有效性.與其他方法相比,該方法能夠準確地獲得激光干擾成功時的閾值,廣泛適用于激光干擾成像制導武器的圖像質量評估.

交叉熵;圖像質量評估;光學尋的器;相關峰

隨著光電對抗技術的迅猛發展,各種光電成像器件在光電偵察、光電跟蹤測量設備以及光電制導武器等領域得到了廣泛的應用,也激發了人們對其干擾、損傷效應研究的熱情[1-3].在戰場條件下,以各種光電成像器件為核心的光電設備,受到激光的干擾和損傷后將嚴重影響光電設備的正常工作,而激光對成像器件的干擾和損傷程度、受干擾后能否正常工作以及如何對干擾效果進行恰當、合理的評估是人們非常關心的問題[4-5].全面合理地對干擾效果進行評估將有助于對光電成像器件受激光干擾后的各個階段進行全面深入的了解,這是一項很有意義又亟待解決的問題.

對于光電探測器性能受激光干擾影響這一問題,國內外也進行了很多相應的研究.熊曉偉[6]提出以能量閾值準則來評估激光致盲武器對光電探測器的干擾效果.王世勇[7]以面陣CCD光電探測作為干擾目標,運用模糊綜合評估理論對激光干擾效果進行了相關探討.趙大鵬等[8]從提取圖像特征的角度,依據成像制導系統的不同跟蹤方式(對比度跟蹤、相關度跟蹤),對成像制導系統的干擾效果進行了評估.劉嚴嚴、孫運強等[9-10]運用小波變換對激光干擾圖像質量進行評價.Wang等[11]基于人眼視覺特性以及視覺注意機制進行了圖像質量評價方面的研究.Meyer等[12]研究了CO2激光器對HgCd Te、PbSn Te紅外探測器的干擾,并對光電探測器的干擾機理進行了相應分析.Nathan[13]研究了光電探測器的干擾類型,并對激光干擾的方法進行了總結.Sheikh等[14]從圖像的統計學評價方面對圖像質量進行研究分析.Wang等[15]則主要基于人類視覺,從圖像的結構上進行了圖像質量的評價.以上的研究基本都是基于圖像結構分布和人眼視覺特征進行了干擾圖像質量評估,取得了比較好的效果.

基于圖像的交叉熵,筆者從信息論的角度對激光干擾圖像進行質量評估,充分利用了圖像信息.目前,基于熵的概念的圖像質量評估只是從影響的某一方面來進行,缺少從抗干擾角度來綜合判斷干擾效果的方法.另外,現有的關于圖像熵的文獻主要都是從圖像信息丟失的角度來進行分析的,沒有從干擾前后的統計相似性來進行評估.因此,筆者研究了表征統計相似性的交叉熵的概念,從圖像交叉熵出發,建立了對激光干擾圖像質量評估的方法,并且進行了相應的理論研究和實驗分析.

1 基礎理論

1.1 圖像的熵

1850年,德國Rudolf Clausius等[16]首次提出了熵的概念,用來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度[16].能量分布越均勻,熵就越大.一個體系的能量完全分布時,這個系統的熵就達到最大值.圖像的熵是圖像特征的一種統計形式,它反映了圖像中平均信息量的多少[17].圖像的一維熵表示圖像中灰度分布的聚集特征所包含的信息量,定義為

其中,p(xi)是xi灰度在圖像中出現的概率,N為圖像的總灰度數.

由式(1)可知,圖像的熵函數具有以下性質:

(1)當所有的X都有p(xi)=1/N時,熵函數取得最大值,即對于等概率事件,熵函數值最大; (2)當所有的X都有p(xi)=0或1時,熵函數取得最小值,即對于確定性事件,熵函數值最小.

1.2 圖像的交叉熵

根據圖像的熵的定義以及性質可知,圖像的分布熵僅表示一幅圖像所包含的信息量的情況,而不能很好地表示圖像受激光干擾的程度,以此引出圖像的交叉熵[18].圖像的交叉熵(相對熵)一般用來度量兩種不同概率分布之間的信息差異,對于兩幅圖像X和Y,交叉熵定義為

當p(xi)=0或p(yi)=0時,定義l n( p(xi)p(yi))=0.交叉熵是評價兩個概率分布差異的關鍵指標,它直接反映了兩個概率分布的統計相似性.故而根據圖像交叉熵的理論分析,很容易得出干擾前后圖像的交叉熵值.

表1 主觀質量評價方法

1.3 激光干擾圖像的干擾質量評估

1.3.1 激光干擾圖像的質量評價方法

激光干擾圖像質量評價是圖像信息工程領域一項很有意義的研究課題.目前常用的評價方法主要有兩種類型,即主觀質量評價與客觀質量評價.主觀質量評價是通過評分歸一化的方法來判斷圖像質量的,它主要包含兩種度量尺度,即相對尺度和絕對尺度,如表1所示[19].因其測試條件比較困難,且受個人情緒等一些無法預測與控制的因素影響,在實際應用中受到一定的限制[20].傳統的客觀評價方法(均方誤差、峰值信噪比等)通常是基于與標準圖像的灰度差異越大退化越嚴重的思想,算法簡單,易于實現,但是評價量常與主觀值有較大差別.

1.3.2 基于圖像交叉熵的干擾質量評估

熵是從信息論的角度反映圖像信息豐富程度的一種度量方式.根據香農信息論原理,用信息熵作為參考圖像進行圖像質量評價,主要考慮到如下優點:

(1)當圖像中像素的灰度值在各灰度級間均勻分布時,熵具有最大值.此時圖像的信息量最豐富,灰度分布最均勻,層次最多,圖像質量最好.

(2)當圖像中的所有像素只有某一灰度級,而沒有其他灰度級時,熵具有最小值(為零),此時圖像已無任何信息,即圖像質量最差.

(3)當圖像中灰度級數逐漸減少時,熵也隨之減小,圖像質量逐漸變差.

通過上述分析可知,圖像的信息熵表示了圖像質量的退化程度.對于激光干擾后的圖像,即當某一灰度級掩蓋另一個或幾個灰度級時,信息熵評價是可行的.鑒于以上理論研究,筆者將圖像的信息熵引入到光電對抗中,并對探測器所獲取的激光干擾圖像進行評價.圖像的交叉熵是用來度量圖像受干擾前后的灰度值概率分布之間的信息差異的,也就是反映了干擾前后所得圖像的統計相似性,由于交叉熵具有原來圖像熵所不具有的優勢,特別是交叉熵能夠有效地判斷干擾前后圖像之間的關系,而不僅僅是表示干擾前后圖像信息量的丟失來度量干擾效果,因此基于圖像交叉熵的干擾效果評估具有更好的效果.

如圖1所示,圖像質量評價流程為先提取圖像(原始圖像和待評價圖像)的特征信息,再構建評價函數,以此獲得評價印象(即利用已構造的評價函數對圖像評價的結果),最后匯總結果,得到評價結果值.

圖1 圖像質量評價流程

綜上所述,對于激光干擾圖像建立基于圖像交叉熵的質量評估函數Hce為

其中,A、B分別為干擾前后的圖像.在m×n的圖像中,任意灰度出現的概率p定義為

其中,f(x,y)表示圖像中(x,y)像素的灰度值.從圖像交叉熵的定義可以看出,當干擾前后的圖像A、B相同(即pAi=pBi)時,上文所建立的干擾圖像質量評價函數Hce=0;而對于序列圖像中干擾的圖像而言,在目標可以被識別(即圖像灰度分布基本相同)時,交叉熵評估函數Hce的值隨著灰度分布差異的增大而逐漸增大,這樣就可以通過文中所建立的干擾質量評估函數對激光干擾前后所獲取的圖像質量進行評估.

2 實驗結果及分析

光學相關尋的器是一種新型的目標識別與跟蹤系統,它具有并行高速、鑒別率高等優點,且單次處理信息容量大,相對于單純計算方法在處理速度上具有很大的優勢[21-22].其基本原理是依據相關峰的強弱變化和位置變化來實現對目標的識別與跟蹤,因此,采用激光輻照的方式可以實現對光學尋的器的干擾.筆者利用在實驗過程中采集到的激光干擾圖像,通過圖像交叉熵的計算和建立起的圖像質量評價函數來評價激光的干擾效果.

如圖2所示,I0為無激光干擾時的原圖像,I1～I8為受不同程度的激光干擾效果圖像.依據圖2所示圖像,計算了各個干擾圖像所對應的相關峰值以及交叉熵值.

圖2 激光干擾圖像

相關峰是導引頭用來識別和制導的跟蹤算法的基本理論.若導引頭所獲得的圖像相關峰值為零,則說明導引頭已經無法識別視場內的目標;而基于小波變換的視覺加權相關度(WWC)則是對原圖像和降質圖像分別進行小波分解,通過人眼視覺對比度敏感帶通模型來確定加權系數,分別對其進行加權處理得到WWC的評價函數[19].由表2所示的數據對比可得,在成功干擾的臨界位置,圖像交叉熵會出現明顯峰值.如圖2所示,在激光干擾強度較低的圖I1、I2和I3中,干擾圖像的相關峰、WWC以及圖像的交叉熵變化較小;隨著激光干擾強度的增加,相關峰和WWC逐漸減小,而圖像的交叉熵則逐漸增大;當干擾強度增大到一定程度時,如I6所示,相關峰消失,WWC的數值持續減小,而圖像的交叉熵則在此時急劇下降,隨著干擾強度的繼續增大,圖像的交叉熵值持續減小.用文獻[19]中的WWC方法來判斷激光干擾效果時,由于其值隨著激光干擾強度的增強而持續減小,并沒有明顯的峰值變化特征,而文獻[19]中規定WWC等于4即為干擾是否成功的判別閾值這一結論則不夠嚴謹.通過實驗和計算分析可得,在激光干擾成功的臨界點處圖像的交叉熵出現明顯的變化(峰值最大值),即為激光干擾成功與否的閾值.

表2 不同評價函數的激光干擾圖像評價結果

根據1.3節建立的干擾圖像質量評價函數Hce,可以獲得激光干擾成功時所需的臨界值.如圖2所示的受干擾圖像中,當目標的明顯特征存在時,圖像交叉熵逐漸增大;至圖I5所示時,交叉熵達到最大值,此時干擾激光達到目標能夠被分辨的情況下的最大值;此后隨激光干擾強度的增大,圖像的交叉熵逐漸減小,圖I6～I8已經失去目標的基本信息,即對于光學尋的器的干擾已經成功.綜上所述,對于此類圖像的干擾效果評價,圖像的交叉熵在最大值處是圖像瀕臨干擾成功的臨界值.判斷序列圖像的激光干擾效果時,圖像的交叉熵不僅能夠準確判斷對光學尋的器的干擾效果,而且可以獲取激光干擾成功時的臨界值.

依據表2所給出相關峰的強弱變化情況,可以將激光對光學尋的器的干擾效果分為兩個等級:一級為干擾無效,表示尋的器受到激光干擾后,雖然跟蹤精度受到了一定的影響,但是依然能夠識別并跟蹤目標;二級干擾為有效干擾,表示尋的器已經無法識別并跟蹤目標了.如圖3所示,對于圖2所示的圖像,AB為一級干擾,BC為二級干擾,B點為目標可以被光學尋的器識別的極限情況.以上分析說明,基于圖像交叉熵的干擾質量評估能夠很有效地評估光學尋的器是否被干擾成功.

3 總 結

針對光學尋的器易受外界光源影響,對其制導精度產生影響且現有的評估方法不能完全利用所獲取圖像的所有信息來進行客觀評價這一問題進行了研究,結合信息論中圖像熵的優點,提出利用圖像交叉熵來進行激光干擾圖像質量評估的方法.首先詳細闡述了該方法的原理以及數學模型,然后通過實驗對干擾強度不同的激光圖像進行分析計算,再結合評價激光干擾圖像質量的一般常用方法進行研究,最后得出不同激光干擾強度下的圖像交叉熵值.該結果表明,圖像交叉熵能夠很好地進行激光干擾圖像的質量評估,具有很強的實用性.

利用圖像交叉熵進行激光干擾圖像的質量評估是一種新方法,不但為激光干擾圖像的質量評價提供了新思路,而且也對其他領域的圖像質量評價提供了參考.基于圖像交叉熵的干擾效果評估方法能夠提高圖像中信息的利用率,呈現圖像之間的關系,是今后圖像質量評價的一個重要研究方向.

圖3 圖像交叉熵變化示意圖

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(編輯:郭 華)

Quality assessment of the laser disturbing image utilizing cross entropy

LIU Fei1,SH AO Xiaopeng1,HAN Pingli1, XIANGLI Bin1,2,REN Meng3
(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China;2.Academy of Opto-electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;3.Xi’an Institute of Modern Control Technology,Xi’an 710065,China)

A method for assessing the quality of disturbed image uses the cross entropy of the image for the problem that the imaging-guided weapons are liable to suffer laser interference by combining with the principles of guided tracking and anti-jamming mechanism.It is on the basis of the concept of cross-entropy in information theory that the method is presented.Analyses of similarity between images before and after disturbing are made to decide the evaluation function which combines the advantages of cross-entropy and the process of image quality assessment.The validity of the function derived is analyzed theoretically and experimentally.Experimental results are presented,and the method for the quality assessment of the laser disturbed image based on cross entropy can accurately obtain the threshold when laser interference is successful,so it is widely applicable to laser disturbing image quality assessment.

cross entropy;image quality assessment;optical seeker;correlation peak

TN977

A

1001-2400(2014)05-0129-06

2013-06-23< class="emphasis_bold">網絡出版時間:

時間:2014-01-12

陜西省留學人員科技活動擇優資助項目(68DP1204)

劉 飛(1986-),男,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:sherwin1986@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.022.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.022