自適應偽裝移動偵察系統

彭楷文，李 淵

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自適應偽裝移動偵察系統

彭楷文1，李 淵2

（1. 南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003；2. 南京市外國語學校仙林分校，江蘇 南京 210023）

本文設計了一種自適應偽裝移動偵察系統，系統分為偽裝體、視覺采集模塊，處理模塊、偽裝模塊、人機交互模塊和GPS模塊等六個部分。偽裝體是指在軍事領域的戰場指揮車、戰機、戰略導彈發射車等具有重大價值和軍事作用的目標；視覺采集模塊是通過使用多個攝像頭對偽裝體的周圍環境進行圖像信息捕捉，并且攝像頭設置于舵機云臺上，根據偽裝體的移動速度來自適應調整拍攝角度；處理模塊是對所采集到的圖像信息進行數據融合處理，根據解析過的GPS模塊傳輸來的速度數據調整攝像頭拍攝角度，最后將處理后的圖像信息顯示在偽裝模塊上進行偽裝功能的實現；偽裝模塊則借用柔性顯示屏來輸出處理模塊得出的圖像結果；人機交互模塊主要作用是進行人機交互；GPS模塊主要作用是采集偽裝體的移動速度，可以結合偽裝體的移動速度和處理器的圖像處理速度來自適應地調整視覺采集模塊的攝像頭照射角度，減小了圖像顯示的延時性，做到不同移動速度下的實時高度匹配周圍的環境。本系統通過視覺采集模塊的多個攝像頭對周邊環境的圖像信息進行采集，然后對采集到的多個圖像進行圖像的拼接融合處理，最后通過覆蓋在車輛等偽裝體表面的柔性顯示屏顯示出來，從而達到與周邊環境顏色近似一致的效果，實現視覺偽裝。自適應偽裝移動偵察系統能迅速改變本體表面的顏色以響應環境的變化，達到與環境背景的顏色特征高度融合、匹配，做到與環境近似的自適應視覺偽裝，可用于軍事偽裝，反高空偵查等領域。

自適應偽裝；移動偵察；機器人

0 引言

大自然提供了無數的生物偽裝方法，眾多頭足類動物（例如魷魚和墨魚）對其外觀（顏色，對比度，圖案和形狀）有驚人的控制，它們使用動態的身體模式保護或者狩獵；還有很多動物（例如，變色龍和許多昆蟲）可以主動改變它們的著色以進行偽裝或顯示。不同物種具體偽裝方式各不相同，但是所使用的策略無外乎有：背景匹配，破壞性著色和偽裝三大類：（1）在背景匹配中，動物使用與其棲息地類似的顏色和圖案，例如正反遮蔽陰影（例如，具有白色下腹部和棕色背部的兔子）。（2）破壞性著色，主要使用不符合其形狀的對比圖案打破動物的輪廓。（3）偽裝是一種生物體采用環境中物體或動物的形狀和顏色的策略（例如，粘蟲）。

本文根據生物偽裝思想，設計了一款自適應偽裝移動偵察系統。系統分為偽裝體、視覺采集模塊，處理模塊、偽裝模塊、人機交互模塊和GPS模塊六個部分，它通過偽裝體(顯示屏)迅速改變本體表面的顏色以響應環境的變化，達到與環境背景的顏色特征高度融合、匹配，做到與環境近似的自適應視覺偽裝，同時可將移動平臺采集到的圖像信息和位置信息傳輸至后方指戰員，可用于軍事偽裝，反高空偵查等領域。

1 系統構架

本系統主要有移動平臺模塊、偽裝模塊和偵察模塊三部分組成。偽裝模塊包括背景攝像、圖像處理器和偽裝體（顯示屏），將攝像頭設置于移動平臺底部采集環境的圖像信息，將采集到的圖像信息經過圖像處理后顯示于偽裝體(顯示屏)上，使移動平臺與背景一致，從而達到移動平臺視覺上的偽裝。偵察模塊包括微型攝像頭、手機終端監控APP和GPS模塊[1]，利用微型攝像頭采集作戰環境圖像信息，并將圖像信息通過WIFI傳輸至手機終端APP進行顯示。GPS模塊包括GPS定位器[2]和手機終端定位APP，通過GPS定位移動平臺的位置并傳輸至手機終端定位的APP的地圖上進行顯示[3]。指戰員通過本系統可以得到反恐作戰環境的內部圖像信息，同時覆蓋于移動平臺上面的偽裝體(顯示屏)顯示與周圍環境一致的圖像信息，因此具有偽裝的功能，不易被恐怖分子發現。系統框架如圖1所示。（所示圖像的上方為偽裝模塊，左側為移動平臺，下方為GPS偵查模塊。）

為了解決傳統視覺偽裝無法做到自適應、圖像偽裝拼接效果差以及偽裝體移動狀態下存在圖像顯示延時誤差的問題，系統通過借助多個攝像頭實時采集偽裝體周圍環境圖像信息[4,5]，并進行多圖像數據融合拼接處理后顯示于同一塊柔性顯示屏上，提高偽裝精確度與自適應性，各個模塊的布局圖如圖2所示。

2 功能分析與設計

本系統的核心功能主要有偽裝體，視覺采集模塊，處理模塊、采集模塊、人機交互和GPS等模塊的組裝。偽裝體是指在軍事領域的戰場指揮車、戰機、戰略導彈發射車等具有重大經濟價值和軍事作用的目標。如圖3所示，系統首先通過人機交互模塊的鍵盤選擇工作模式：在偽裝體處于運動狀態時，我們采用運動模式，首先GPS模塊采集偽裝體的移動速度，根據偽裝體的移動速度來自適應地調整視覺采集模塊的舵機云臺的角度，從而改變攝像頭照射角度，然后將根據攝像頭的數量n將偽裝模塊的柔性顯示屏分為n個部分，每一部分將顯示最靠近它的攝像頭采集到的圖像信息，最后將不同部分的圖像拼接在一起，每個部分的邊緣連接部分區域將利用分界線兩側的像素進行均值濾波，使得各個部分連接處偽裝的更加自然，這樣與偽裝體周圍的環境更加精確的匹配；在偽裝體處于靜止狀態時，我們采用靜止模式，處理模塊的存儲器里將存儲草原、森林、公路、沙漠等不同戰場環境下的偽裝圖像，這樣在偽裝體處于靜止狀態時，可以直接將事先存儲好的圖像信息發送到偽裝模塊的柔性顯示屏，這樣在達到偽裝效果的同時，還減少處理器進行圖像處理的能耗。

圖1 系統框架圖

圖2 偽裝偵察移動系統模塊布局圖

1-電機 2-主動輪 3-主動輪支架 4-小車底盤 5-從動輪 6-從動輪支架 7-偽裝體（顯示屏）8-控制板 9-攝像頭組件 10-電池組件11-GPS定位器

圖3 系統工作流程

在舵機云臺上經過舵機云臺支架安裝攝像頭，通過舵機云臺可使得攝像頭改變拍攝的角度，根據偽裝體的速度，其拍攝角度的變化范圍為120°。以豎直向下為0°，向前為正角度，向后為負角度，可得到圖5的偽裝體行駛速度與攝像頭角度的對應圖，如偽裝體的前進速度為120 km/h，那么攝像頭的拍攝角度為向前下方60°，利用此方法，結合了偽裝體的行駛速度和處理器圖像處理的速度，極大地改善了柔性顯示屏的延時顯示而帶來的與周圍環境不實時匹配的問題。

處理模塊的圖像融合算法將根據攝像頭的數量n將偽裝模塊的柔性顯示屏分為n個部分，每一部分將顯示最靠近它的攝像頭采集到的圖像信息，最后將不同部分的圖像拼接在一起，然后將每個部分的邊緣連接部分進行均值濾波處理，使得各個部分連接處顯示偽裝的更加自然，這樣與偽裝體周圍的環境更加精確的匹配。

系統將采集到的n個圖像拼接為一個圖像，對于其每個部分的邊緣連接區域，為使其連接更自然，將其設置為感興趣區域(ROI，region of interest)，也就是我們重點關注的區域，以便進行進一步的處理。將劃定的感興趣區域做均值濾波處理，其基本思想是輸出圖像的每一個像素是核窗口內輸入圖像對應元素的平均值，即用一片圖像區的各個像素的均值來代替原圖像的各個像素值，這樣做的目的是使其連接的更加自然，偽裝性更好。下面借助基于opencv的代碼作進一步的說明，均值濾波處理函數代碼如下

// 函數名：ROI_Blur_Filtering()

//描述：標定感興趣區域并進行均值濾波，是使得連接部分更加平滑。

Void ROI_Blur_Filtering()

{

//讀入圖像，設data.jpg為2個部分拼接好的一張圖像，大小為500*500像素

Mat srcImage= imread("dota.jpg");

// 定義一個Mat類型并將連接部分區域設定為ROI區域，形狀為矩形

//起點坐標為(0,230)，感興趣區域矩形寬度為40，高度為500的ROI區域

Mat imageROI= srcImage(Rect(0,230,20,500)；

//進行均值濾波操作，內核大小為5*5

Mat out;

blur (imageROI, out, Size(5,5) );

// 顯示結果

imshow(srcImage);

}

對于均值濾波blur函數，需要在圖像上對目標像素給出一個內核，該內核包括了其周圍的臨近像素，我們采用5*5的內核進行均值濾波，即已目標元素為中心的周圍25(5*5)個像素，構成一個濾波內核，再用內核中全體像素的平均值代替原來的像素值，其內核可用如下公式表示：

處理模塊的存儲器里將存儲草原、森林、公路、沙漠等不同戰場環境下的偽裝圖像，這樣在偽裝體處于靜止狀態時，可以直接將事先存儲好的圖像信息發送到偽裝模塊的柔性顯示屏，這樣在達到偽裝效果的同時，還減少處理器進行圖像處理的能耗；偽裝模塊采用一塊新型的柔性顯示屏，它具有柔韌性、可折疊的特點，因此可適應不同形狀的偽裝體，具有更好的自適應性；GPS模塊主要作用是采集偽裝體的移動速度，因為如果將攝像頭固定于一個角度，會出現圖像顯示延時而與實時周圍環境不匹配的現象，因此可以結合偽裝體的移動速度和處理器的圖像處理速度來自適應地調整視覺采集模塊的攝像頭照射角度，減小圖像顯示的延時性，從而做到不同移動速度下的實時高度匹配周圍的環境。

對于攝像頭的角度調整，例如當偽裝體處于高速向前行駛時，舵機云臺將攝像頭設置于向前下方60°照射；當偽裝體處于低速行駛時，舵機云臺將攝像頭設置于向前下方10°照射；當偽裝體處于高速后退時，舵機云臺將攝像頭設置于向后下方60°照射，這樣可以減小圖像顯示的延時誤差問題。

對于GPS模塊的速度數據解析，其GPS數據傳輸協議為NMEA-0183協議，NMEA-0183協議采用ASCII碼來傳遞GPS定位信息，稱之為幀。利用$GPVTG（地面速度信息，Track Made Good and Ground Speed）指令可以解析速度數據，$GPVTG指令語句的基本格式如下：

$GPVTG,(1),T,(2),M,(3),N,(4),K,(5)*hh(CR)(LF)

（1）以真北為參考基準的地面航向（000~359度，前面的0也將被傳輸）

（2）以磁北為參考基準的地面航向（000~359度，前面的0也將被傳輸）

（3）地面速率（000.0~999.9節，前面的0也將被傳輸）

（4）地面速率（0000.0~1851.8公里/小時，前面的0也將被傳輸）

（5）模式指示（A=自主定位， D=差分， E=估算，N=數據無效）

舉例如下：

$GPVTG,000,T,000,M,000.195,N,000.361,K,A*2A

因此可以利用$GPVTG指令的地面速率解析得到速度信息，然后通過串口傳輸至處理器，其速度數據解析部分C代碼如下所示：

//數據解析，如果串口傳入$GPVTG指令，執行此程序

if((strstr(GPS_Uart2_Data,"$GPVTG")))

{

//for循壞得到6位的速度數據

for(i=0;i<6;i++)

//速度數據在$GPVTG指令始于第26位，共6位，將速度數據存入字符串 //Speed0中

speed0[i]=(*(GPS_Uart2_Data+i+26));

//將字符串speed0中的數字轉化為十進制，方便后期判斷處理。

Speed=(((speed0[0])*1000)+((speed0[1])*100)+((speed0[2])*10)+((speed0[3]))+(speed0[5])*0.1);

}

進一步地，得到速度數據后，處理器將根據偽裝體的行駛速度來控制舵機云臺的角度動作，從而改變攝像頭拍攝角度。比如當偽裝體處于前進狀態時，其舵機云臺的控制部分C代碼如下所示：

//當車輛處于前進狀態時，flag為前進和后退的判斷標志位

while(flag==1)

{

//如果速度大于等于100 km/h時，舵機云臺角度為60°

if(Speed>100||(Speed==100)

servoSet(60)；

//如果速度大于等于80km/h，小于100 km/h時，舵機云臺角度為50°

if((Speed>80||Speed==80)&&(Speed<100))

servoSet(50)；

//其他速度可類比，不再展開贅述

}

本系統的所有模塊均搭建在移動平臺上，移動平臺主要由電機控制板模塊、電機驅動模塊和編碼電機模塊組成。利用編碼電機可以得到移動平臺的速度，利用控制板控制移動平臺運行，通過電機驅動模塊驅動編碼電機運行。為了控制移動平臺平穩行駛，我們利用編碼電機測得速度1與給定速度0的速度差去控制移動平臺的速度，如下式表示：

其中表示速度差的放大系數，D表示處理后的速度差，表示控制移動平臺的速度。利用這兩個原理公式，就可以通過實際速度與給定速度的偏差去修正控制移動平臺的速度，保證移動平臺兩側車輪按照同一給定速度直線行駛，得到良好的控制效果。其中放大系數的取值影響控制效果，利用試湊法，取不同的值，觀察移動平臺的直行控制效果，得到最佳的值，直行測試數據表如表1所示。

表1 直行效果測試數據表

Tab.1 Straight Line Test Data

通過表1可以發現，當取1時，給移動平臺直行信號時，是左偏的，說明速度反饋太??；隨著值的增大，可以得到良好的反饋控制效果；當過大時，可以看出速度反饋過量，使得右偏。經過實驗測試，當取為2.5時，控制效果良好。通過控制移動平臺直行，可以得到正確的控制數據，對于轉向，同樣利用控制直行中的控制參數，利用兩個車輪的差速進行轉向和調頭。

3 偽裝模塊

偽裝模塊包括攝像頭、樹莓派圖像處理器和偽裝體（顯示屏），如圖4所示。我們在移動平臺的底端安裝攝像頭充當視覺裝置，負責進行圖像數據采集，通過樹莓派處理器對圖像進行均值濾波處理后，通過HDMI接口接入顯示屏，使得最終處理的信息數據可以高清晰度的映射在顯示屏上，利用偽裝體進行視覺的偽裝，使得偵察移動系統融入背景，不易被恐怖分子發現。

在現實環境中，包括在圖像處理過程中，光的干擾問題一直存在，使用工業鏡頭充當人眼去識別和讀取周圍的顏色信息，工業鏡頭本身的局限性在于無法應對光的強度做自動濾波的調節[5]，所以我們在圖像處理中，借助顏色處理函數cvtColor()，cvtColor()函數是OpenCV里的顏色空間轉換函數，可以實現RGB顏色向HSV、HSI等顏色空間的轉換[6,7]，也可以轉換為灰度圖像[8,9]，實驗中我們借助這一函數處理鏡頭捕捉到的圖像信息，分析提取RGB進行色度加強。

圖4 偽裝模塊

4 結論

本文設計的自適應偽裝移動偵察系統的優點為：（1）能迅速改變偽裝體外觀的顏色以響應環境的變化，相比迷彩偽裝等傳統偽裝，具有自適應性和實時偽裝性；（2）借助圖像處理技術，將多個攝像頭采集到的多個圖像進行圖像拼接融合，將其中的連接部分進行均值濾波，使得連接處部分更加自然，偽裝性更好，最后將處理后的圖像在一張柔性顯示屏顯示出來，這樣使得偽裝體與周圍環境高度融合、匹配；（3）系統采用兩個工作模式，包括偽裝體靜止模式和偽裝體運動模式，這樣在達到偽裝效果的同時，可以減少處理器進行圖像處理的能耗；（4）偽裝模塊采用一塊新型的柔性顯示屏，它具有柔韌性、可折疊的特點，因此可適應不同形狀的偽裝體，具有更好的自適應性；（5）利用GPS模塊采集偽裝體的移動速度，根據偽裝體的移動速度來自適應地調整視覺采集模塊的攝像頭照射角度，解決了圖像處理速度和偽裝體移動狀態下帶來的延時誤差問題，從而做到不同移動速度下的實時高度匹配周圍的環境。

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An Adaptive Camouflage Mobile Reconnaissance System

PENG Kai-wen, LI Yuan

(1. High School Affiliated To Nanjing Normal University, Nanjing 210003; 2. Nanjing Foreign Language School Xianlin Campus, Nanjing 210023)

In this paper, an adaptive camouflage mobile reconnaissance system is researched and designed. The system is divided into six parts: camouflage body, visual acquisition module, processing module, camouflage module, human-computer interaction module and GPS module. The camouflage body refers to a target with great value and military role in the battlefield command vehicle, fighter aircraft, strategic missile launch vehicle, etc.; the visual acquisition module captures image information of the surrounding environment of the camouflage body by using multiple cameras, and the camera It is set on the steering head of the servo, and adaptively adjusts the shooting angle according to the moving speed of the camouflage body; the processing module performs data fusion processing on the collected image information, and adjusts the shooting angle of the camera according to the speed data transmitted by the analyzed GPS module. Finally, the processed image information is displayed on the camouflage module to implement the camouflage function; the camouflage module uses the flexible display screen to output the image result obtained by the processing module; the human-computer interaction module mainly functions to perform human-computer interaction; the GPS module The main function is to collect the moving speed of the camouflage body, and can adaptively adjust the camera illumination angle of the visual acquisition module in combination with the moving speed of the camouflage body and the image processing speed of the processor, thereby reducing the delay of the image display and achieving different movements. Real-time height matching speed around the ring. The system collects image information of the surrounding environment through multiple cameras of the visual acquisition module, and then performs image mosaic processing on the collected multiple images, and finally displays through a flexible display screen covering the surface of the camouflage body such as a vehicle. Thereby achieving an effect similar to the color of the surrounding environment, achieving visual camouflage. The adaptive camouflage mobile reconnaissance system can quickly change the color of the surface of the body in response to changes in the environment, and achieve high-intensity fusion and matching with the color features of the environment background, so that adaptive visual camouflage similar to the environment can be used for military camouflage and anti-high-altitude detection fields.

Adaptive camouflage; Mobile reconnaissance; Robot

彭楷文，李淵. 自適應偽裝移動偵察系統[J]. 軟件，2018，39（11）：55-60

江蘇省計算機學會青少年信息與智能技術教育英才計劃(BE2018100)

彭楷文(2002-)，研究方向為信息技術、智能機器人；李淵(2002-)，研究方向為信息技術、計算機應用。

TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.013