基于光学伪装的数码迷彩技术.doc

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1、总第 期 年第 期计算机与数字工程 基于光学伪装的数码迷彩技术喻钧）双晓）胡志毅） 苏海涛）（总后建筑工程研究所） 西安 ）（西安工业大学计算机科学与工程学院） 西安摘 要 基于光学伪装的数码迷彩是一种通过提取自然背景的纹理、颜色和层次等信息，并以数码像素点阵图案的形式表现出来的新型迷彩。 文章对数码迷彩的研究发展现状、数码迷彩设计技术、伪装效果评价方法等做了全面系统的介绍。关键词 光学伪装；数码迷彩；迷彩设计；伪装效果评价中图分类号） ） ）（，），）（，），） ， ， 度强，适于对 抗 近 距 离、低分辨率的光学侦察。 其设计模式往往是手 工 设 计、肉 眼 判 断、实 地 验 证 和 评

2、价改进，伪装效果不很理想。 为了应付高分辨率 的航空和卫星成像等空间侦察，一种新型的迷彩 数码迷彩应运而生。数码迷彩又称数字迷彩、马赛克迷彩，它利 用 视觉心理学原理，借 助计算机图像处理技术，提 取 自然背景的颜色、纹 理和层次性等信息，形 成 以 像 素点阵为基本单元、由宏观与微观纹理组成的迷彩 图案。 数码迷彩通过色块的多种排列组合，使得不 同颜色间的边缘模 糊、破 碎，利用空间混色和视错 觉效应，极易模拟自 然 背 景，具有普通迷彩所无法 比拟的优点。 图 和图 分别为典型的传统迷彩和数码迷彩。本文主要介 绍 基 于 光 学伪装的数码迷彩的研 引言伪装自古就为兵 家 所 重 视。 孙

3、子 兵 法有 这 样的论述：“兵 者，诡 道 也。 故 能 而 示 之 不 能，用 而 示之不用，近而 示 之 远，远 而 示 之 近。”这 是 关 于 在 战争中如何运用伪 装 的 最 早 论 述。 在 现 代 信 息 化 战争中，随着光纤、微波、卫星等高技术手段被广泛 运用，侦测手段日益呈现出智能化、多维化、精细化 的趋势，对伪装技术提出了更高的要求。迷彩伪装是最基本的军事伪装技术之一，也是 对抗高技术侦察和武器攻击系统的最常用手段。 其主要目的就是尽量减少目标和周围背景在光学、 热红外、雷达波等方 面 的 特 征 差 异，使 侦 察 仪 器 难 以探测和分辨。 普通迷彩（也 叫 传 统

4、迷 彩）大 都 以 不规则的大斑点或 条 纹 组 成，边 界 分 明，视 觉 区 分 收稿日期： 年 月 日，修回日期： 年 月 日基金项目：总后基建营房部科研项目（编号：）；陕西省教育厅专项科研项目（编号：）资助。作者简介：喻钧，女，副教授，研究方向：图像处理。 双晓，女，硕士研究生，研究方向：图像处理。 胡志毅，男，高级工程 师，研究方向：军事伪装。 苏海涛，男，工程师，研究方向：军事伪装。用伪装、侦察、材料、视觉心理学、概率统计、图形学等多个学科领域的知识，是一个多学科交叉的前沿性课题，研究 难 度 很 大。 目 前，我们的研究还不够 系统，研究时间短，数 码 迷 彩的设计还没有成熟的

5、理论支撑，实施手段还停留在用 工具手图传统迷彩图 数码迷彩（）绘图案、模板 手 工 喷 涂 的 水 平 上。 通 过 调 研 分 析，应用效果还不是很理想。数码迷彩的国内外研究现状数码迷彩的雏形出现于 世纪 年代，当时 数字成像侦察还没有进入军事应用，国外学者主要 是从视觉心理的角度来研究迷 彩 设计与图案组合 问题。 从 世纪 年代初开始，数字成像侦察逐 步得到应用。加拿大是世界上最早研究数码迷彩的国家，对 数码 迷 彩 的 研 究 始 于 年。 年 加 拿 大 首 先研究出 （） 温带丛林数码迷彩作战服，进行试用后取得了令人 惊叹的效果。 根据加拿大国防部研 究 基地实验 表明， 的有效作

6、用距离范围介于之间，隐藏 效 果 比 原 有 迷 彩在 科学指标上提高了 。该作战服 年在加拿大陆军开始大规模 配发。 年 北 约 举 行 了 野 外 军 服 测 试， 的伪装性 能 明 显 地超 越 了 美国的丛林迷彩、 德国的小斑点迷彩和英国的 扰 乱 图 案 迷 彩。 由美陆军与陆军纳蒂克研究中 心 共同研制的主要 针对丛林、沙 漠、城 市 的 数 码 迷 彩 （ ）于 年首次列装美国海军陆战 队。 年 的 伊 拉 克 战 争 中，美 国 海 军陆战队试用了 ，数码迷彩经受了实战检 验。 年 月美军宣布将以新型的数码迷彩通 用作战服取代使用中的林地型 和 沙漠型迷彩作战 服，成为美国陆军

7、唯一的迷彩作战服，。据不完全统计，目前已经有加拿大、美国、澳大 利亚、芬兰、约旦、斯洛伐克、俄罗斯、智利等十多个 国家和地区引进或 开 发 了 数 码 迷 彩 技 术。 其 中 最 具 代 表 性 的 是 加 拿 大 的 、美 国 海 军 和陆军 数码迷彩，以及约旦的 数码迷彩等。我国的数 码 迷 彩 研 究 还 处 于 起 步 阶 段。 主 要针对 侦 查距离下的单 兵 目标，其 斑 点 边 缘 实 现了像素化，但斑点形状和分布仍未摆脱传统迷彩 的束缚，不能称作真正意义上的数码迷彩。 在武器数码迷彩的设计方法近年来，我们不断进行创新性的研究与试 验，确定 了 数 码 迷 彩 的 基本设 计

8、方 法 和 设 计 流 程，如图 所示。 通过 对目 标 的 背 景 图 像 进 行归类分析，提取出背 景的特征信息，计算出数码单元的基本尺寸，然后 设 计 出 与 背 景 的颜色、纹理相融合的高 仿 真 迷 彩 图 案。 用图数码迷彩的设计流程这种方法设计出的数码迷彩，取得了较为满意的效果。选取目标的典型背景分析目标的周围环境，选定背景区域是目标区 域大小的 倍范围内。 采集目标的环境背景 图像，分析 确 定 出 能 代 表 典型环境特征的背景类 型，并选取若干张数码相机拍摄的典型背景图片，作为待处理的背景图像。颜色空间转换及图像预处理颜色的选择在数码迷彩图案设计中至关重要。迷彩斑点的颜色必

9、须符合目标背景的主体颜色（也叫背景主色）。 主色通常为 种，最多不超过 种。颜色一般用 个独立变量来表示，这样形成的空间坐标就是颜色空间。常见的颜色空间有 、 模型等。 在 迷 彩 设 计 中，选取颜色模型的原则是看它是否适合人的视觉特性以及对色彩的感知特性，目前常采用的颜色空间有、模型等。目标的背景 图 像 是 通 过数码相机等图像记录 设备获得，由红（）、绿（）、蓝（）波段合成的真彩 色图像。 背景图像通常要先从 空间转换到其 他空间，进行相应计算和处理，最后再转换回 喻 钧等：基于光学伪装的数码迷彩技术第 卷空间显示出来。在拍摄图像的过程中，由于光源、大气层、相机 本身因素的影响会不可避

10、免的 出 现或多或少的噪 声。 所以，在对图像进行分析处理之前，要 采 用 适 当有效的方法来消除和减少图像中的噪声，增加图 像的可靠性和有效 性。 预 处 理 主 要 通 过 对 图 像 进 行滤波来实现，包括中值滤波和均值滤波等方法。空间混色原理，通过对宏观图案和微观图案分别进行设计，在保留微观 效 果 的 前 提 下，对 数 码 单 元 色 块进行不 同 的 布 局 设 计，可 以 达 到 期 望 的 宏 观 混色效果，使设计出的数码迷彩图案能够欺骗人的 视觉观察系统，从而达到良好的伪装效果。提取背景图像的主色信息提取背景 主 色 的 方 法，一 般 是 利 用 颜 色 空间转换后的 、

11、 或 模型，通过聚类分 析法来实现。 具体来说，就是选择一个色差大的标 准色作为初始聚类中心，然后根据一定的聚类原则（如：由最小色差原则和相邻元 素 特征决定目标像 素归属）进行颜色的聚类，经过多次循环处理，不断 减少颜色的数目，最后得到需要的背景优势色。图近距离图远距离观察的混色效果观察的色块数码迷彩图案的生成与优化生成数码迷彩图案的过程，就是用数码单元色 块对迷彩斑块进行 填 充 的 过 程。 当 通 过 循 环 遍 历 的方法将所有斑块填充完毕时，就生成了最终的数 码迷彩图 案。 迷彩图案生成后，可 根 据 伪 装 效果进行优化。提取背景图像的斑块信息迷彩的纹理反映了迷彩斑块的形状、分布

12、和配 置信息。 数码迷彩通常涉及两类纹理：微观纹理和 宏观纹理。 微观纹理是指当近距离 观 察时看到 的 小斑点迷彩图像。 宏观纹理是指当 拉 大观察距 离 时，并置的像素点发 生 空 间 混 色 后，形 成 的 大 斑 块 图像。背景图像的斑块指背景图像的宏观纹理特征， 采用图像分割技术进行提取，以此作为迷彩斑块的 设计依据。 斑块提取的方法可以采用区域生 长法、结合 边 缘 检 测 和 区 域 分 割 的 形 状 特 征 提 取，等等。伪装效果评价伪装效果评 价 就 是 对 设计生成的迷彩图案进 行伪装应 用 试 验，根 据 伪 装目标与背景的融合程 度，评价迷彩图案的伪装效果。 伪装效果

13、通常要通 过一些技术指标和评估参数来反映。效果评价方法长期以来，对伪装效果进行评价的最基本、最 常用的方法就是目测法。 例如，对目标进行迷彩伪 装后，拍摄若干张照 片，然后组织数十名观察者对 这些图片进行观察，标注出所发现的目标区域。 统 计出每张图片被正确发现目标的百分比作为它的 目标发现概率。 如果目标发现概率低，说明伪装效 果好。 这种目测方法主观性较强，非常依赖于个人 的观察能力，得出的结论不够准确、客观，实际操作 起来也不甚方便。针对迷彩伪装的效果评价问题，国内科研人员 对此做了大量研究和探讨。 例如，有人提出一种比 较系统的伪装效果评价方法：先通过人眼和光学仪 器（望远镜、滤色镜等

14、）进行 定 性 观 测，然 后 通 过 大 量的现场试验，测量 出表征伪装效果的参数，如 目 标发现概率、目标能 见 度、目标与背景的亮度对比 等，最后进行综合分析与运算，归纳出实验结果，并 不断进行伪装修正。 还有人提出采用计算机智确定数码单元的尺寸文献对迷彩单元的尺寸进 行 了专门的 研 究，从人眼的分辨率 和 斑 点 设 计 的 原 则 出 发，确 定 斑点设计的基本单 元 的 形 状 和 尺 寸。 确 定 数 码 单 元的尺寸，就是研究迷彩单元与颜色斑块及图像纹 理之间的关系，通过 图 像 判 读 试 验，确 定 出 能 够 兼 顾模拟背景主色与纹理的基本数码单元的尺寸。值得一提的是，

15、数码单元的尺寸、数码斑块 的 分布 与 配置都与最后形成 的数码图案息息相 关，这从数 码 迷 彩 的 空 间 混 色 现 象 中 可 以 看 出 来。 让我们通过一个例子来了解空 间 混色变化 的 过程。 图 所示为人眼在近距离观察的微观效 果 若干灰色 与 黑 色 相 间 的 色 块。 随 着 观 察 距 离的逐步增加，人眼看到的灰色和黑色变的越来越模 糊，边界越来越不清 楚，最 后 变 成 混 色 后 的 宏 观 图 案黑灰色方块，如图 所示。 这也就是我们通常 所说的人眼的心理视觉。 在数码迷彩设计中，根据纹理相似度的方法来评价军事伪装效果。本文比较全 面 地 介 绍 了基于光学伪装的

16、数码 迷彩技术，重点是数码迷彩的设计和伪装效果评价方法。 数码迷彩在设计中引入计算机辅助技术，其 主要难点是如何根据目标的背景图像获得主色和 斑块的形状特征，并结合数码迷彩的空间混色计算 出数码单元的尺寸，用数码单元表现出目标背景的 斑块特征。 这在本文 工 作 中已经取得了一定的研 伪装效果的评估参数）发现概率发现概率是指在特定的背景条件下，通过一定 数量的观察者在既定的水平距 离 上发现和揭露出 伪装目标的概率。 目标发现概率是 评 价伪装效 果 的最基本参数。）能见度能见度是指视力正常的观察者，在当时的天气 条件下，能够从天空背景中看清楚并辨认出目标物 的最大水平距离，一般用公里或米表示

17、。 能见度和 当时的天气情况密切相关。 目标物的能见度，与大 气透明度、目 标 同 背 景 的 亮 度 对 比 有 关。 当 天 气晴朗、大气透 明 度 良 好 时，能 见 度 就 好；反 之，当 空气混浊，特别 是 有 雾、烟、风 沙 及 降 水 时，能 见 度 就差。 在大气透明度不变的条件下，如果目标同背 景的亮度对比较大，则能见距离较远；相反，则能见 距离较近。）亮度对比指目标与 背 景 的 亮 度 对 比。 亮 度 是 指 物 体 的 颜色因为光度不同而产生的明暗差别。 一般来说， 当目标比周围背景明亮时，发现概率高；反之，当目 标比背景暗淡时，发现概率低。 通过光学仪器测试 目标及

18、背景的亮度差别，可以反映出目标的伪装性 能。）相似度指目标与 背 景 图 像 纹 理 特 征 的 相 似 度。 目 标 与背景的纹理特性 相 差 越 大，相 似 度 越 小，则 目 标 越容易从背景中区分出来。 反之，目标与背景的纹 理相似度 越 高，则 越 难 以 将目 标从背景中分离出 来。 例如，考察斑 驳 地 形 时，当目标与背景的纹理 相似度达到 以 上 时，伪 装 效 果 较 好；当 相 似 度为 以下时，伪装 效 果 较 差，目视观察就能将目 标从背景中分离出来。）光谱反射特性光谱反射特 性 指 目 标 与 周 围 景 物 的 光 谱 反 射 差距。 根据色度学以及光谱融合理论，

19、提出了色坐 标曲线参数、色差以及光谱融合因子三种评价伪装 系统的指标。 通过相应的实验，分析比较了自然植 物和人工目标的反射光谱分布，并说明景物的反射 光谱数据可以作为评价伪装系统性能的依据。究进展 ，部分环节还需完善和优化。 在伪装效果评价方面，还需建 立一个科学合理的、完 整 的 评 价体系和评价模型，这也是今后需要努力的一个研 究方向。，随着数码迷彩技术的不断发展，其优越的伪装性能不断展现出来。 数码迷彩必将取代传统迷彩，成为未来迷彩伪装的主流。 我们也要看到，数码迷彩良好伪装效能的发挥不仅依靠迷彩图案设计的 大胆创新，也要以具有多光谱性能的迷彩涂料作为 实施基础。 只有数码 迷 彩 图

20、案与多谱迷彩涂料的 结合，才能大大提高武器装备的伪装隐身性能。因此，深入研究和运用推广数码迷彩技术对于 适应现代侦察技术挑战、提高武器装备的战场生存 能力具有重要意义。参 考 文 献张建 春迷 彩 伪 装 技 术 北 京：中国纺织出版社，：姚永平陆 军 装 备 伪 装 研 究 北 京：军 事 科 学 出 版 社，：， ：，： ： ， ：薛云涌，卢新才小像素大作用解放军报，（）， ，（）： ， 喻 钧等：基于光学伪装的数码迷彩技术第 卷，（）： ， ， ， ，： ，：徐英基于背景代表色提取的迷彩伪装颜色选取算法 光电工程，（）：张勇，吴文健，刘志明基于改进 均值聚类分析的迷 彩伪装色选 取 计算

21、机工程与应用，（）：刘尊洋，王 自 荣，王 积 成，等一种基于主色聚类的仿 造迷彩设计 方 法 激 光 与 红 外，（）： ， ， ， ，（）：， ， ，（）：何晖，余松林，娄亮一种基于区域生长法的背景图像 斑点提取方 法 光 电 技 术 应 用，（）：贾其，吕绪 良，李 磊，等迷彩斑点单元形状和尺寸研 究光电技术应用，（）：喻钧，王璨，胡 志 毅，等迷彩设计中背景图像分割方 法的研究与改进兵 工 自 动 化，（）： 坎特威茨实验心理学北京：国防工业出版 社，：段殳色 彩心理学与艺术设计 南 京：东 南 大 学，喻钧，王璨固 定 目标伪装的数码迷彩设计 计 算 机与数字工程，（）：，喻钧，杨

22、武 侠数码迷彩的生成算法 光 电 工 程，（）：王友军，吕 绪 良，李 磊，等迷彩图案的数值优化设计 解 放军理工大学学报 （自 然 科 学 版 ），（）：曹义，才鸿 年，程 海 峰，等变形迷彩伪装的技术指标 分析红外技术，（）：胡江华，朱 超，王 友 军，等一种迷彩伪装效果检测评 价方法中国测试技术，（）：朱欢欢，都思丹基于小波纹理特征的迷彩伪装评价 计算机工程，（）： ， ， ，：， ，（）：， ，许卫东，吕绪良，陈兵一种基于纹理分析的伪装器材 效果评价模型兵工学报，（）：薛晶晶，白 廷 柱基于光谱反射 特性的伪装性能评价 方法研究激光与红外，（）：檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷（上接第 页） ，（）： ： ，（）：高晟丽，陈杰，李海滨基于 的基础矩阵随机采样鲁棒估计海洋测绘，（）：刘侍 刚，吴 成 柯，唐 丽，等一种鲁棒性的射影重建方 法 加权迭代法计 算 机 科 学，（）：陈泽志，吴 成 柯，刘 勇基 础 矩 阵 估计的加权归一化线 性算法软件学报，（）： ，：， ：