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典型偽裝材料高光譜特征及識別方法研究

萊森光學(xué) ? 來源:萊森光學(xué) ? 作者:萊森光學(xué) ? 2023-02-16 09:41 ? 次閱讀

引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,為實(shí)現(xiàn)“隱真示假”,通常會采取一些偽裝措施,以減小目標(biāo)和背景對電磁波的反射或輻射能量差異。偽裝材料利用對其人眼視覺的影響使肉眼很難在可見光圖像上發(fā)現(xiàn)偽裝目標(biāo),比如,將待偽裝目標(biāo)涂成與周圍環(huán)境相匹配的顏色。近幾十年來,在世界各國軍事科技逐漸發(fā)展的背景下,如何能夠有效識別和揭露偽裝目標(biāo),成為各軍事強(qiáng)國關(guān)注的重點(diǎn)。使用傳統(tǒng)的可見光、紅外等成像手段對偽裝目標(biāo)進(jìn)行檢測的效果不佳。高光譜遙感技術(shù)能夠獲取偽裝材料的細(xì)節(jié)光譜特征,以極高的光譜分辨率直接對偽裝材料進(jìn)行光譜差異的定量分析,在偽裝目標(biāo)檢測方面具有很大的應(yīng)用潛力,為偽裝目標(biāo)檢測提供了新思路和新方法。

使用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行偽裝目標(biāo)揭露首先需要解決以下問題:1)偽裝材料的光譜特征;2)相同顏色不同材質(zhì)目標(biāo)的光譜差異;3)在當(dāng)前偽裝裝備與背景光譜近乎一致的前提下,如何將偽裝目標(biāo)檢測出來。解決上述問題是揭露偽裝、滿足戰(zhàn)場情報時效性、有效進(jìn)行偽裝目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)。

光譜曲線處理及分析方法

高光譜遙感技術(shù)從空間、時間、光譜三個不同的維度來觀測目標(biāo),從而獲得更全面、更詳細(xì)的目標(biāo)信息。通過探測得到的光譜特征曲線,可反演出對應(yīng)每一個像素的目標(biāo)組成成分,從目標(biāo)材質(zhì)的光譜屬性入手,區(qū)分背景與目標(biāo)的差異。

2.1 包絡(luò)線去除法

高光譜遙感技術(shù)能夠獲取偽裝目標(biāo)的光譜特征。對于從高光譜圖像上提取的光譜曲線,可以利用包絡(luò)線去除法來突出目標(biāo)的光譜特征。包絡(luò)線去除法是一種有效的光譜分析方法,它可以有效地突出光譜曲線的吸收特征和反射特征,并將反射率歸一化為0~1.0,光譜的吸收特征也能歸一化到一致的光譜背景上,有利于與其他光譜曲線進(jìn)行特征數(shù)值的比較。包絡(luò)線通常定義為采用直線逐點(diǎn)連接光譜曲線上那些凸出的峰值點(diǎn),并使折線在峰值點(diǎn)上的外角大于180°。用原始光譜曲線上的值除以包絡(luò)線上對應(yīng)的值,即為光譜去包絡(luò),其計算公式為

式中:λj是第j 波段的波長;RCj是波段j 的包絡(luò)線去除值;Rj是波段j的原始光譜反射率;Rend和Rstart是吸收曲線起始點(diǎn)和末端點(diǎn)的原始光譜反射率;λend和λstart是吸收曲線起始點(diǎn)和末端點(diǎn)的波長;K 是吸收曲線在起始點(diǎn)波段和末端點(diǎn)波段之間的斜率[7]。從直觀上來看,光譜曲線的包絡(luò)線相當(dāng)于光譜曲線的“外殼”。因為實(shí)際的光譜曲線由離散的樣點(diǎn)組成,所以用連續(xù)的折線段來近似表示光譜曲線的包絡(luò)線。

2.2歐氏距離

歐氏距離是一種描述確定量之間相似性的準(zhǔn)則,反映兩種目標(biāo)光譜曲線的差異,能對偽裝效果進(jìn)行評價。兩種目標(biāo)的歐氏距離定義為

pYYBAGPtieaAVEwaAAAZ8K3rO3c855.png

式中:D 為歐氏距離;ai和bi分別表示在i波段的光譜反射率。同一條件下,D 越大,表示兩種目標(biāo)的區(qū)分度越大,偽裝效果越差

2.3光譜信息散度

光譜信息散度(SID)用來衡量高光譜圖像中兩個不同像元之間的相似性。歐氏距離考慮了光譜本身的變動性,能對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的評價。若P 和Q 的光譜曲線概率密度分布分別為P=(p1,p2,…,pL)和 Q = (q1,q2,…,qL),其 中

pi=

poYBAGPtieeALbvKAAASZQmvbHg856.png

則P與Q的光譜信息散度為

pYYBAGPtieeAfanhAAAeIBaXljM356.png

光譜信息散度的值越大,說明二者的差異越大,偽裝效果越差。

2.4光譜角度匹配

光譜角度匹配(SAM)算法將光譜數(shù)據(jù)看作是一個n 維的特征向量,通過計算兩種光譜之間的“角度”來確定兩者的相似性。計算公式為

poYBAGPtieyANILBAAArSRgVz2I057.png

式中:SA(a,b)為光譜角。光譜角的值越接近0,說明兩種光譜的形狀越相似,匹配度越高。

2.5分段編碼匹配

高光譜數(shù)據(jù)通常存在大量的數(shù)據(jù)冗余,為實(shí)施 匹配,將光譜進(jìn)行二值編碼,用簡單的0和1來表示 光譜。編碼方法為

pYYBAGPtie2AOUDDAAAZIX0ZNw8960.png

式中:xi是像元第i通道的亮度值;h(n)是像元第i通道的編碼;T為閾值,通常為光譜的平均亮度。將兩種光譜數(shù)據(jù)編碼后進(jìn)行匹 配,根據(jù)匹配系數(shù)的大小來判斷兩組數(shù)據(jù)的相似度。為了提高匹配的精 度,通過將光譜分成多個區(qū)域,進(jìn)行分段編碼。

光譜數(shù)據(jù)

在森林環(huán)境中,作戰(zhàn)目標(biāo)通常會采用綠色作為偽裝色,以與森林環(huán)境相匹配。圖4(a)所示為綠色鋼板與綠色木板的反射光譜曲線,可見:綠色木板的光譜曲線在400~600nm 波長范圍內(nèi)總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,并在535nm 波長處出現(xiàn)反射峰值;綠色鋼板的光譜曲線在400~600nm 波長范圍內(nèi)呈現(xiàn) 先 下 降 后 上 升 再 下 降 的 趨 勢,并 在 波 長522nm 處出現(xiàn)反射峰值;在400~477nm 波長范圍內(nèi),綠 色 木 板 的 反 射 率 高 于 綠 色 鋼 板;在 477~572nm波長范圍內(nèi),綠色鋼板的反射率高于綠色木板;在572~780nm 波長范圍內(nèi),綠色木板的反射率高于綠色鋼板;在677nm 波長處,綠色鋼板出現(xiàn)吸收谷;在800~850nm 波長處,綠色鋼板的反射率突增,而綠色木板的光譜曲線較為平穩(wěn),未出現(xiàn)明顯的反射峰或吸收谷。在近紅外波段內(nèi),綠色鋼板與綠色木板的波動情況相似,但反射率差異較大,綠色鋼板的反射率高于綠色木板,并且二者在915nm波長處的反射率差值最大,可達(dá)0.19。這說明在此波段可以將二者進(jìn)行區(qū)分。

pYYBAGPtifOABsqUAAHTN3iJPv4491.png

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審核編輯黃宇

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