BUAA-SID1.0空间目标图像数据库

张浩鹏 刘正一 姜志国 安 萌 赵丹培

(北京航空航天大学 宇航学院,北京100191)

1 引言

当前,外太空的战略地位正在快速上升,不论是在军用方面还是民用方面,越来越多的国家加入到了空间竞争的行列之中,而空间目标监视在其中起着关键性作用。美国是目前空间监视能力最强的国家,已拥有较完善的空间监视系统,中国、欧盟、法国、德国、日本等国家和组织也在大力发展独立的空间目标监视系统[1-3]。

空间监视系统的基本任务之一是对绕地球轨道运行的人造目标进行探测、跟踪、编目及识别[4]。这里的人造目标包括工作和不工作的卫星、火箭残骸及空间碎片,也就是通常人们所关心的空间目标。本文所述空间目标主要指卫星。

对空间目标的监视可采用地基和天基两种方式实现。与地基观测相比,天基观测在空域覆盖性和监视时效性等方面具有较大优势[5]。天基可见光传感器(Space-based Visible sensor)可监视整个地球同步轨道带,同时探测多个空间目标,可以有效提高空间监视能力[6-7]。天基可见光观测技术已成为当今空间领域的前沿性技术。

我国的空间目标监视研究尚处于起步阶段,中国科学院、国防科技大学、南京大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、中国航天科技集团等单位对空间目标监视系统中的相关技术进行了较为深入的研究。目前,成像目标探测已成为空间目标光电探测与识别技术的发展趋势。[8-9]

空间目标数据库是空间监视系统的重要组成部分,是空间目标分类、识别的基础。通过研究空间目标特性,建立空间目标数据库,对于空间监视任务中的目标识别、分类研究具有重要应用价值。计科峰、王宏、张云飞等人设计和建立的空间目标数据库主要包含卫星属性信息(名称、国别等)、卫星轨道参数、卫星RCS(RADAR Cross-Section)、目视星等、观测信息(观测时间、观测站位置、传感器参数等)等内容[10-12]。彭华峰、李骏、潘海滨等人对空间目标可见光特性进行了分析,并在此基础上给出了可见光成像仿真结果[13-15],但目标在像面上呈点状或线状,反映不出目标的外形、纹理等几何特性。李志军、毛宏霞等人对空间目标与环境的红外特性进行了分析,给出了相应的仿真成像结果,且具备一定的形状信息[16-17]。在作者已知的范围内,有关空间目标数据库和成像仿真方面的公开文献均未提及包含丰富几何特性(外形、纹理)的空间目标可见光成像数据库。而针对空间目标可见光成像探测建立相应的空间目标图像数据库对于空间目标探测和识别具有极其重要的意义,这一数据库的缺失已经成为影响空间目标分类、识别研究的一个瓶颈。

BUAA-SID1.0空间目标图像数据库正是基于上述考虑而创建的包含丰富几何信息的空间目标图像数据库。本文在分析空间目标图像数据库建立的背景和意义的基础上,首先从三维模型建立、仿真图像生成两个方面阐述BUAA-SID1.0空间目标图像数据库的建立方法,接着介绍该数据库共享版本BUAA-SID-share1.0包含的数据内容,最后给出两种识别算法在共享数据库上的测试结果。

2 BUAA-SID1.0空间目标图像数据库的建立方法

BUAA-SID1.0空间目标图像数据库基于空间目标三维模型,利用3ds Max软件渲染生成空间目标全视点仿真图像序列,共包含56颗卫星的三维模型及其仿真图像。BUAA-SID1.0空间目标图像数据库分为三维模型库和仿真图像库两个子库:三维模型库包含56颗卫星的三维模型,保存格式为max(3ds Max场景文件);仿真图像库包含25 760幅仿真图像,分辨率320×240像素,每颗卫星460幅,其中230幅为全视点24位彩色图像,另外230幅为相应的二值图像。

2.1 空间目标三维模型建立

由于空间目标的特殊性,很难获取其真实外观信息,公开可见的卫星图片几乎全部是仿真图片。因此,建立空间目标三维模型是生成空间目标可见光仿真图像的必要前提,是构建空间目标图像数据库的基础。建立三维模型子库所需的空间目标三维模型是通过以下两种途径获取的。

1)直接使用CAD(Computer Aided Design)软件建模。3dsMax是Autodesk公司的一款综合动画、三维建模和三维渲染功能的软件。通过查找有关空间目标的几何参数和公开的仿真图片,使用3ds Max软件绘制卫星的几何模型,应用纹理贴图技术进一步丰富三维模型的纹理信息,建立较为逼真的卫星模型,建模效果如图1所示。

2)利用相关软件提供的三维模型。STK(Satellite Tool Kit)是美国Analytical Graphics公司的一款航天任务分析软件,功能强大,包含可视化工具,具有较多卫星三维模型。Starry Night是加拿大Simulation Curriculum公司的一款天文仿真软件,可以演示星空运动、观测天体,包含一定数目的空间目标三维模型。STK的模型经过转换后可以导入3ds Max场景中进行仿真,转换方法参考文献[18]。Starry Night的模型为3DS格式,直接可以导入3ds Max。图2和图3显示了这两个软件提供的三维模型效果。

图1 自建模型效果图

图2 STK模型效果图

图3 Starry Night模型效果图

通过直接建模和利用已有模型,共有56颗不同种类、不同形态、不同功能的卫星模型被收录到BUAASID1.0三维模型子库,为后续仿真成像奠定了基础。

2.2 仿真图像生成

在三维模型库的基础上,借助3dsMax强大的渲染输出功能,对库中三维模型进行成像仿真,流程如图4所示。

图4 成像仿真流程图

仿真图像库中图像生成的几个关键步骤具体如下。

1)摄像机参数设置。空间目标天基可见光成像探测中,目标距离观测相机一般较远,且观测距离远远大于目标尺寸,为简单起见,仿真时采用正交投影的成像模式。添加自由摄像机,镜头对准卫星模型,视野设置为45°,保证两者z轴方向一致,使得初始状态下摄像机视图中模型位于像面中心且全部可见。

2)光源参数设置。考虑空间环境中太阳光近似为平行光,故在摄像机初始位置后方添加自由平行光光源,无衰减,灯光颜色为白色,强度倍增系数0.906,调整该系数可以得到不同亮度的仿真图像。

3)相对位置调整。摄像机、光源与模型三者之间相对位置变化引起视点变化和光照变化,为得到模型全视点仿真图像,将光源与摄像机绑定,保持相对位置不变,模型不动,将摄像机在以模型中心为球心的球面上移动。为清楚描述视点位置变化,借用地理学中经纬度的表示方法,规定摄像机的初始位置经纬度均为零,沿0°至±90°纬线圈采样,得到230个采样视点,如图5所示。视点位置与仿真图像对应关系见表1。

图5 摄像机视点分布图

表1 仿真图像视点信息表

4)渲染输出。设置输出图像分辨率为320×240像素,图像属性设置为24位像素,勾选Alpha(四通道图像的透明度分量)分割选项。与彩色图像二值化结果不同,Alpha分割图将模型本体可见部分全部输出到像面上,且边缘存在渐变,经过二值化后作为与彩色图像对应的二值化图像,很好地保存了目标的轮廓信息,如图6。

图6 二值化效果对比

3 空间目标图像数据库共享版内容介绍

由于BUAA-SID1.0空间目标图像数据库是针对项目研究需求而建立的,其内容不宜完全公开。为了便于国内外空间目标识别领域的研究者使用BUAA-SID1.0空间目标图像数据库,在科学研究的前提下分享本文的工作成果,建立并发布该数据库的共享版本(BUAA-SID-share1.0)成为一种有效手段。BUAASID-share1.0共享数据库不含空间目标三维模型,只选取BUAA-SID1.0中具有代表性的20颗卫星,发布其9 200幅仿真图像,每颗卫星460幅,涵盖全部230个采样视点。BUAA-SID1.0中20颗卫星的24位彩色图像数据量超过1Gbyte,对其进行灰度变换可以在保留图像主要外形特征的基础上大大减少存储空间。因此,共享版数据库包含的仿真图像为原库中彩色图像变换后的8位灰度图及相应的二值图,分辨率为320×240像素,图像文件格式为Windows bmp位图。整个BUAA-SID-share1.0共享数据库数据量约为683Mbyte左右,压缩为zip格式后约为31.5Mbyte,方便数据库的发布和共享。BUAA-SID-share1.0中的图像示例如图7所示。

图7 BUAA-SID-share1.0图像示例

4 BUAA-SID-share1.0的基本测评情况

4.1 测评算法介绍

4.1.1 不变矩方法

HU在1962年首次提出不变矩的概念[19],给出了具有平移不变性、旋转不变性和比例不变性的7个不变矩的表达式,并对两幅字母二值图像进行了识别实验。之后又有许多不变矩相继被提出,如FLUSSER等人提出的仿射不变矩[20]。文献[21]将不变矩用于空间目标识别,给出了选取不同不变矩得到的识别结果。为了测试BUAA-SID-share1.0,选取HU的7个经典不变矩作为特征值,采用最近邻方法对4 600幅二值图像进行识别实验,其中每一类卫星的230幅图像一半作为训练集,另一半作为测试集。

4.1.2 BFM方法

边界片段模板(Boundary Fragment Model,BFM)是OPELZ等人提出的一种目标检测模型[22],文献[23]将其应用于空间有形目标识别,对具有复杂边缘的空间有形目标取得了较好的识别效果。采用文献[23]所述方法对BUAA-SID-share1.0中的4 600幅灰度图像进行识别实验,其中每一类卫星的230幅图像一半作为训练集,另一半作为测试集。

4.2 测评结果及分析

上述两种测评算法对BUAA-SID-share1.0数据库中20类卫星的识别结果如图8所示,卫星类别编号见表2。

表2 BUAA-SID-share1.0卫星列表

图8 两种测评算法在BUAA-SID-share1.0上的识别结果

测评结果显示:不变矩方法平均正确识别率为77.3%,其中编号为8和10的两类卫星的识别率达到了100%,而编号为13的一类识别率不到45%,编号为12和20的两类识别率也低于60%;BFM方法平均正确识别率为90.7%,其中仅有编号为14的一类识别率低于80%,其余正确识别率都在84%以上。编号为4、8、10的三类卫星的BFM方法的正确识别率略低于不变矩方法,在其他类别卫星上BFM方法识别效果明显优于不变矩方法。从测评结果来看,这两种算法在空间目标识别中都是有效的,相比而言BFM方法识别效果更好。本文的测评中,训练样本和测试样本均在同一类卫星的数据库中选取,使得单类目标正确识别率普遍较高,但仍有一些目标的识别效果不理想,如果测试集从整个图像数据库中选取,正确识别率还将会降低。所以,空间目标识别技术还有待进一步研究。

5 总结与展望

本文针对空间目标可见光成像探测的应用背景,克服了空间目标几何参数和实际成像效果难以真实获得的难点,建立了包含丰富几何信息的空间目标三维模型库和全视点仿真图像库,填补了空间有形目标识别领域研究数据源的空白,为空间目标分类和识别技术研究提供了强大的仿真数据支持。在共享版数据库BUAA-SID-share1.0上的测试结果表明,该数据库具备较强应用价值,为图像识别算法在空间目标识别领域的应用效果评价创造了基本条件。

客观来看,BUAA-SID1.0空间目标数据库还有待进一步完善,比如数据库中包含的卫星数量相对于目前在轨卫星数量还显得远远不足,数据库中仿真图像的真实度还有待提升,还应考虑星空、地球等背景因素。BUAA-SID空间目标数据库后续版本将重点在以下方面开展工作:

1)增加三维模型子库收录的卫星模型数量,使数据库更丰富;

2)进一步研究空间目标成像特性,提高仿真图像真实度;

3)考虑光照变化、噪声影响及运动模糊等因素,建立相应的仿真图像子库,为算法测试提供更完善的平台;

4)建立空间目标仿真视频库,更好地为目标探测、跟踪等空间监视技术研究服务。

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