基于模板匹配的艦載激光武器打擊目標毀傷點確定方法*

王成飛 吳鵬飛 彭 聰

（1.91977部隊 北京 100036）（2.海軍工程大學 武漢 430033）（3.91566部隊 大連 116051）

1 引言

激光武器發展已歷時多年，鑒于激光武器的優越性能，美國、俄羅斯、德國等國家競相對其在水面艦艇防空反導應用方面進行研究[1]。相較于傳統艦炮武器，艦載激光武器發射即命中，大幅提高了武器對目標的命中精度，但目標能否被有效毀傷，與激光束選擇照射目標毀傷點有重要關系[2]。提取毀傷點的目的是保證激光武器有針對性地打擊目標，使得毀傷效果最佳。目前，提取毀傷點主要通過人工選點的方式實現，相較而言，毀傷點自動提取方法具有以下優點：縮短作戰反應時間、適應面更廣、能夠輔助人工選點[3]。因此，研究毀傷點自動提取技術，有利于提高激光武器作戰效率和優化毀傷目標效果，具有重要軍事意義。

毀傷點確定是指在目標圖像內提取出毀傷點，給出毀傷點圖像信息，以利于精確跟蹤毀傷點以及解算射擊諸元。本文以BGM-109B導彈結構為例，根據目標模板生成方法，經過結構分析和特征描述后生成目標模板；之后，給出基于視覺部件形狀上下文的匹配方法，通過劃分目標和模板視覺部件，按照匹配代價最小的準則，完成毀傷部位匹配；然后，給出模板點到目標點間坐標轉換關系，將模板毀傷點坐標轉換為目標毀傷點坐標，實現了圖像目標毀傷點確定；最后對提取目標毀傷點過程進行了仿真，驗證了該方法的可行性。

2 目標模板生成流程

目標模板應包括目標匹配模板和目標結構模板，分別表征目標匹配特征和目標結構特征，目標匹配特征指目標外形，而目標結構特征指目標內部區域劃分。目標匹配模板參照現實目標并簡化處理其外形，保留主要外形特征，通常是軸對稱圖形。目標結構模板表征目標內部結構劃分，可用于判別目標內部毀傷部位。生成目標模板流程如圖1所示。

圖1 生成目標模板流程

以BGM-109B導彈為例，結合導彈結構和尺寸數據[4]，生成如圖2所示的目標匹配模板。

圖2 BGM-109B導彈匹配模板

完成特征描述后，參照導彈結構部位分布，生成如圖3所示目標結構模板。

參照目標剖面結構，在結構模板上劃分毀傷區域，即在匹配模板上增加區域邊界點。在毀傷區域內部“Δ”點表示模板毀傷點，落于該區域形心。以戰斗部模板毀傷點A0為例，戰斗部邊界點為Ai(xi，yi) ，i=1，2，3，4 ，A0坐標 (x0，y0)為Ai坐標均值：

圖3 目標結構模板

3 目標模板形狀匹配

目標與模板形狀匹配，是建立目標外形的特征點與匹配模板點之間一一對應的關系。目標與模板形狀匹配過程如圖4所示。

圖4 目標與模板形狀匹配流程

3.1 匹配模板視覺部件

由于匹配模板是目標主要外形特征的集中體現，包含特征點數目較少，因此比較容易劃分模板視覺部件。利用每個點的凹凸性替代曲線段的凹凸性，表現為凹性的點作為視覺部件分界點，視覺部件上點均為凸性點。點的凹凸性判斷可以利用向量叉乘[5]，如圖5所示，點A7為凹點，其余點為凸點。

圖5 點凹凸性判斷

利用點的凹凸性判別方法，劃分匹配模板視覺部件，如圖6所示。

圖6中，“o”標識的點為凹點，是視覺部件的分界點；“*”標識的點為凸點，是視覺部件內部描述點。

圖6 匹配模板視覺部件

3.2 目標外形視覺部件

相較于模板視覺部件，劃分目標視覺部件過程更復雜，目標外形各點離散性凸顯，整體外形由若干小線段拼湊而成，若直接使用點凹凸性判斷方法，則相鄰小線段連接處有極大可能被誤認為是視覺部件分界，未經篩選的目標外形點不能直接作為目標特征點。因此，首先使用道格拉斯普克算法剔除無明顯特征的外形點[6]，簡化外形描述，進而從簡化外形中剔除偽匹配點，再使用點凹凸性判斷方法，劃分視覺部件。

3.3 視覺部件匹配

視覺部件匹配是建立模板與目標的視覺部件之間一一對應關系，進而尋找視覺部件內部各描述點之間的對應關系，最終建立目標與模板之間的匹配關系。視覺部件匹配包括視覺部件分界點匹配和視覺部件內部點匹配[7]。

1）視覺部件分界點匹配

獲取目標和模板視覺部件后，建立視覺部件分界點間一一對應關系，稱為視覺部件分界點匹配。可以采用形狀上下文方法[8]，通過建立模板和目標視覺部件分界點形狀上下文，計算匹配代價，然后利用匈牙利算法求出最小匹配代價集合[9]，即為視覺部件分界點匹配結果，從而完成分界點匹配。

2）視覺部件內部點匹配

完成視覺部件分界點匹配后，模板和目標視覺部件建立了一一對應關系。在匹配成功的視覺部件內，尋找內部點之間的匹配關系，稱為視覺部件內部點匹配。可以采用離散曲線演化的方法[10]，對目標視覺部件內部點進行篩選，保留突顯模板特征的內部點，參照模板視覺部件內部點相鄰順序，建立匹配關系。

4 圖像目標毀傷點確定

形狀匹配確定了外形點之間的對應關系，但是目標毀傷點存在于毀傷部位內，即外形包圍的內部區域，且目標和模板內部點對應關系未知。在形狀匹配的基礎上，尋找模板點到目標點的轉換關系，將結構模板中選定的毀傷點轉換為圖像目標毀傷點，此過程稱為圖像目標毀傷點確定[11]。通常，圖像目標和模板間存在縮放和旋轉等形變特征，圖像目標可以由匹配模板通過縮放和旋轉得到。

4.1 縮放關系

如圖7所示，S為成像平面，O點為平面中心，圖像目標外形是目標點在該平面內投影。平面S內成像坐標系XSOYS用于表示成像各點相對于圖像中心的位置，X軸與水平面平行，Y軸垂直于水平面[12]。

圖7 縮放角度φ

4.2 旋轉關系

圖8 旋轉角度λ

4.3 毀傷點確定

5 仿真實驗

利用目標外形與目標模板進行外形匹配，首先劃分目標外形和匹配模板視覺部件，建立視覺部件匹配關系；然后，建立目標外形與模板視覺部件內部點一一對應關系；在匹配完成基礎上提取外形內部目標毀傷點。

按照目標模板生成方法，生成目標匹配模板和目標結構模板。然后按照3.1節判斷匹配模板點凹凸性，劃分匹配模板視覺部件，結果如圖9所示。

圖9 模板視覺部件

目標外形視覺部件劃分包括目標外形簡化和目標外形點凹凸性判斷兩個主要步驟。在剔除簡化外形中的偽匹配點后，判斷目標外形點凹凸性，劃分目標外形視覺部件，結果如圖10所示。

圖10 目標外形視覺部件

獲得模板視覺部件和目標外形視覺部件后，進行視覺部件匹配。視覺部件匹配包括兩個主要步驟：視覺部件分界點匹配和視覺部件內部點匹配。

視覺部件分界點匹配結果，如圖11所示，匹配關系的分界點間用直線連接。

圖11 視覺部件分界點匹配

視覺部件分界點匹配完畢后，建立視覺部件內部點匹配關系。首先使用離散曲線演化算法，對目標視覺部件內部點篩選，保留對外形貢獻度較大的點；然后，視覺部件內部點匹配按照順序匹配的方法，已知視覺部件分界點匹配關系，按照內部點在外形中的相鄰關系，逐個遞推匹配關系，結果如圖12所示。

圖12 視覺部件匹配

圖12匹配點之間用虛線連接，從結果可以看出，目標與模板外形匹配準確，說明基于視覺部件的形狀匹配方法適用于目標與模板匹配。

視覺部件匹配完畢后，依照4.3節求取模板和目標外形間的形變關系，得到坐標點形變關系式。利用該關系式，將模板上選取的毀傷點映射到圖像上目標毀傷點。毀傷點提取結果如圖13所示，模板和目標彈體外形點用“□”在圖上標出，分別為M1～M9和T1～T9。模板毀傷點M位于戰斗部區域形心，用“Δ”標記；目標毀傷點T位于目標外形內部，用“Δ”標記，虛線連接M和T點，表示兩者映射關系。由圖示結果看出，圖像目標毀傷點確定方法可行。

圖13 目標毀傷點提取

6 結語

艦載激光武器發射即命中，大幅提高了武器對目標的命中精度，但目標毀傷點的提取直接影響激光武器的毀傷效果。本文采用基于模板匹配的方法對艦載激光武器打擊目標毀傷點進行確定，以BGM-109B導彈結構為例，首先，給出了目標模板生成方法和基于視覺部件形狀上下文的匹配方法，通過劃分目標和模板視覺部件，建立形狀上下文，按照匹配代價最小的準則，完成了毀傷部位匹配；然后，給出了模板點到目標點間坐標轉換關系，實現了圖像目標毀傷點確定，并對提取目標毀傷點過程進行了仿真，驗證了該方法的可行性。