基于平均绝对差分的光谱成像伪装干扰效果评估

高 卫，孙 鹏，孙奕帆，党东妮



基于平均绝对差分的光谱成像伪装干扰效果评估

高 卫，孙 鹏，孙奕帆，党东妮

( 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094 )

为了探索研究利用宽波段伪装对光谱成像设备实现有效干扰的可行性，并定量、客观评估光谱成像伪装干扰效果，利用一种超光谱成像仪和一种宽波段伪装网进行了光谱成像伪装干扰试验，并利用平均绝对差分对光谱成像伪装干扰效果进行了定量分析和评估。结果表明，宽波段伪装网在超光谱成像仪各谱段均有一定的伪装干扰效果，伪装干扰效果的显著程度因伪装前的目标特性、伪装网层数以及谱段的不同而不同；利用平均绝对差分准则可以将伪装干扰效果的显著程度定量化，并排除了主观因素，使对光谱成像伪装干扰效果的评估更加精确，因此是一种适用于光谱成像干扰效果评估的定量、客观准则。

光谱成像；光电对抗；伪装；干扰效果评估；平均绝对差分

0 引 言

近年来，光谱成像技术在航空航天遥感、资源勘查、军事侦察等领域的应用日益广泛，其中，在军事侦察等领域的应用对国家安全带来了威胁[1-5]。在此情况下，找到针对来自空中、空间的光谱成像侦察威胁的有效对抗手段和措施，以保护高价值目标不被探测，就成为电子对抗与防护技术发展的当务之急。在各种常规的光电对抗手段和措施中，伪装材料和伪装网是比较廉价高效的。对于光谱成像设备，由于通常工作在比较宽的波段范围内，要想取得比较好的伪装干扰效果，就需要有宽波段的伪装材料和伪装网，这样才能对各个工作谱段都形成有效干扰。宽波段伪装材料和伪装网技术近年来已经取得较大进展[6-10]，这为光谱成像侦察对抗提供了十分廉价高效的手段，有望在光谱成像侦察对抗技术上取得突破。为了探索研究利用宽波段伪装对光谱成像设备实现有效干扰的可行性并定量、客观评估光谱成像伪装干扰效果，我们利用一种超光谱成像仪和一种宽波段伪装网进行了光谱成像伪装干扰试验，并利用平均绝对差分准则对光谱成像伪装干扰效果进行了定量分析和评估。

1 伪装干扰试验

光谱成像伪装干扰试验的主要设备包括作为干扰手段的伪装网、作为干扰对象的超光谱成像仪、作为超光谱成像仪观测对象以及被伪装防护对象的合作目标。合作目标分别采用了白色、银灰色两种颜色的小轿车，停放在包含有草地、树木、水泥小路等典型地物的背景中。伪装网采用了一种宽波段迷彩伪装网，在可见光波段的光谱反射曲线接近于同色背景地物，使用时覆盖在合作目标外部以伪装目标，如图1所示。超光谱成像仪如图2所示，由光谱分光成像系统、CCD探测器、扫描转台、控制与处理系统等部分组成。其中，CCD探测器为1 024×1 024面阵探测器，垂直方向为空间维，探测来自物方垂直方向一个条带场景的辐射，水平方向为光谱维，探测经光谱分光系统分光后不同谱段的辐射。该设备在水平方向上的成像方式为推扫式，由控制与处理系统控制扫描转台转动，带动光谱分光成像系统完成对物方场景的水平方向扫描。分光系统采用基于凸面光栅的修正Offner分光成像系统[11]，将入射的400 nm~780 nm可见光波段辐射分为1 024个光谱波段，依次编号为1~1 024，光谱波段编号与其中心波长的关系近似为

图1 利用伪装网对合作目标进行伪装

图2 超光谱成像仪

试验布局如图3所示，超光谱成像仪安装在建筑物二楼露台上，合作目标布设在地面距离超光谱成像仪约100 m处。试验时，将超光谱成像仪视场中心瞄准合作目标。首先，合作目标不加伪装，控制超光谱成像仪在水平方向上对包含合作目标在内的地面场景进行推扫成像，获得相应光谱图像数据。然后，将伪装网罩在合作目标上，控制超光谱成像仪对同一场景进行推扫成像，获得有伪装时的光谱图像数据。在秋季不同时间，对于同样背景下白、银灰两种颜色的合作目标，采用单层、双层伪装网，分别进行了伪装干扰试验。

图3 伪装干扰试验布局示意图

伪装干扰试验的典型结果如图4~图6所示。其中，图4和图5分别为同一天对白色目标和银灰色目标的试验结果，图6为另一天对白色目标的试验结果，各图中(a)、(b)、(c)分别为同一目标在无伪装、用单层伪装网伪装、用双层伪装网伪装三种情况下超光谱成像仪对同一场景扫描成像测量结果，图示为480谱段，对应中心波长为578 nm。为便于引用，将与图4、图5、图6对应的试验分别称为伪装干扰试验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

图4 伪装干扰试验Ⅰ测量结果

图5 伪装干扰试验Ⅱ测量结果

图6 伪装干扰试验Ⅲ测量结果

通过目视光谱图像，可以定性判别伪装效果。从图4所示试验Ⅰ的测量结果看，对白色目标实施单层伪装后，目标与背景之间的灰度对比度显著减小，目标边缘及纹理已难以鉴别，目标与背景之间的相互融合非常明显，如果没有先验信息(以及目标旁边固定放置的标准漫反射板)，对目标的发现和识别已经比较困难，伪装干扰在480谱段取得显著效果。对白色目标实施双层伪装后，目标纹理则完全不可见，目标已经完全融合在背景之中无法鉴别，与单层伪装相比，伪装干扰效果进一步改进。其他各谱段的伪装干扰效果与480谱段情况相似。

根据图5所示试验Ⅱ对银灰色目标的测量结果，无伪装时银灰色目标与背景之间的灰度对比度要比白色目标情形低得多；在对目标实施单层伪装后，可以看出目标与背景之间的灰度对比度进一步减小，但因为伪装前目标与背景之间的灰度对比度已经很低，伪装后灰度对比度的下降程度就不如白色目标情形那么显著，而目标上除去个别部位如车尾灯由于反射阳光尚可见外，其余部分纹理及边缘已不可见，目标与背景之间的相互融合明显；在对目标实施双层伪装后，目标与背景之间的灰度对比度相比单层伪装情形的变化通过目视已不能鉴别，而目标纹理及边缘则已完全不可见。

如图6所示，在试验Ⅲ中，由于超光谱成像仪增益相比试验Ⅰ有所提高，所以目标及背景亮度整体上有所提高，相应地，无伪装时目标与背景之间的灰度对比度相比试验Ⅰ要高一些；实施单层伪装后，目标与背景之间由于灰度对比度大幅下降而显著融合，但目标纹理尚可辨认；实施双层伪装后，目标纹理及边缘已完全不可见，目标完全融合在背景之中，伪装干扰效果十分显著，相比单层伪装又有明显改进。

2 平均绝对差分准则

上述通过目视光谱图像只能定性或粗略判断光谱成像伪装干扰效果，其优点是简单、直观，但难以精确鉴别干扰效果的细微差别且存在主观因素，因此还需要进一步定量、客观分析评估伪装干扰效果。为实现定量评估，需要确定相应的干扰效果评估准则[12]。干扰效果评估准则具体解决的问题是如何量化不同程度的干扰效果，其关键是要确定合适的干扰效果评估指标，即用于衡量、表征干扰效果显著程度的指标。在评估干扰效果时，需要从被干扰对象的角度出发，以电子干扰作用前后被干扰对象与干扰效应相关，或会受干扰影响的关键性能或指标的变化为依据，来确定干扰效果评估指标和评估准则。

对于光谱成像设备，其基本功能是获取地物目标的光谱图像数据，通过分析数据鉴别地物目标特性。对光谱成像设备实施伪装等光电干扰，就是要阻止设备准确获取地物目标的光谱图像数据，进而不能准确鉴别地物目标特性或使其鉴别能力下降。因此，在评估光谱成像干扰效果时，重点需要关注干扰对光谱成像设备准确获取地物目标光谱图像数据、进而鉴别地物目标特性的能力及其相应特征指标的影响，具体来讲，就是通过对比分析实施干扰前后光谱成像设备获取地物目标光谱图像数据的变化程度来评估干扰效果。

对光谱成像设备获得的光谱图像数据进行单纯的图像特性变化分析时，与传统的光电成像设备是类似的，不同的是还需要考虑图像特性变化与光谱波段的关系，即不同谱段图像特性变化的差别。对光电成像设备实施光电干扰的目的主要是，通过改变目标及其背景的某些光电特征，影响操作人员对目标的观察效果，进而影响到对目标的准确鉴别。传统上，可以利用目标鉴别等级准则、目标鉴别概率准则、作用距离准则或相似度准则定量评估对光电成像设备的干扰效果[13]。但是对于光谱成像设备，由于成像谱段多，不同谱段的干扰效果一般也不同，要通过对少则几十、多则几百的成像谱段一一进行目标鉴别等级、目标鉴别概率、作用距离的分析以评估各谱段干扰效果，显然是费时费力不可行的。而相似度准则依据干扰前后图像之间信息相似程度度量指标的数值大小定量评估干扰效果，操作简便，则可以考虑推广应用于光谱成像干扰效果的定量评估。

在数字图像处理领域中，常用平均绝对差分、相关函数等指标度量图像之间信息相似程度，这里考虑平均绝对差分指标(Mean Absolute Difference, MAD)[14-16]。设f和g分别为两幅图像中第行、第列像元的灰度值(=1,…,；=1,…,；和分别为图像像元的行数和列数)，则两幅图像之间的平均绝对差分M可表示为

式中：M值越大，则说明两幅图像f和g之间的差别越大，即失配度越大，相似度越小；反之，M值越小，则两幅图像之间的差别越小，即失配度越小，相似度越大。因此，M值的大小实际上反映了两幅图像之间信息失配或不相似程度的大小，有时也称为图像失配度。

当没有干扰因素对光电成像设备图像造成任何影响时，则按式(2)，M值等于零为最小值。当对光电成像设备实施干扰时，通常会改变目标或其背景的某些光电特征。例如在实施伪装干扰时，为使目标隐没在背景中不被发现和识别，会设法减小或淡化目标与背景之间光电特征的差别，这样必然导致干扰前后图像出现差别，使得两者之间的M值大于零。干扰效果越显著，干扰前后图像之间的差别就越大，反映图像之间信息差别大小的M值也就越大。这样，M值可从干扰前后图像之间信息差异大小的角度反映干扰对图像的影响，从而可用于定量评估干扰效果，相应的干扰效果评估准则即为平均绝对差分准则。

3 伪装干扰效果的平均绝对差分分析

根据式(2)的定义，基于超光谱成像仪伪装干扰试验结果，在超光谱成像仪的各成像光谱波段处，分别计算了无伪装/单层伪装光谱图像之间的M值，无伪装/双层伪装光谱图像之间的M值，此时式中f和g分别为伪装前后两幅图像中对应像元的灰度值。

与图4所示伪装干扰试验Ⅰ相应的白色目标的计算结果如图7所示，其中横坐标为光谱波段编号，范围1~1 024，对应波长范围400 nm ~780 nm，两者转换关系如式(1)所示；实线为无伪装/单层伪装谱图之间的M值，虚线为无伪装/双层伪装谱图之间的M值。

图7 试验Ⅰ平均绝对差分DM 值计算结果

由图7可见，由于对目标进行伪装明显改变了图像中的信息，在可见光波段范围内的所有谱段都产生了不为零的M值。在利用单层伪装网或双层伪装网对目标进行伪装后，M值随谱段不同会有较大差别，在中波部分较大，对于单层伪装最高达到7.6，双层伪装最高达到9.2(510谱段附近)，短波和长波部分则较小，最小约0.3(1 024谱段附近)。从M值表征图像之间信息差别的角度看，对于不同谱段，伪装前后图像之间的信息差别会有较大变化，其中，中波谱段伪装前后图像之间信息差别较大，短波和长波谱段伪装前后图像之间信息差别则较小。通过对比不同谱段的图像，发现不同谱段图像中目标亮度、背景亮度以及目标与背景之间的对比度有较大差别，图4~图6给出的均为亮度和对比度较强的480谱段图像，而对于200以下、800以上谱段图像，亮度和对比度都要弱很多，这是不同谱段伪装前后图像之间的平均绝对差分以及伪装干扰效果存在较大差异的主要原因之一。与单层伪装相比，实施双层伪装后，在各谱段处M值均有所增大，在中波谱段增大最显著，达到1.6(510谱段附近)，体现出伪装干扰效果进一步改进。

图8中比较了利用单层伪装网分别伪装白色目标(实线)和银灰色目标(点划线)时得到的M值。由图可见，相比白色目标，银灰色目标伪装后在各谱段处M值均明显减小，减小最显著的谱段在中波部分的400 nm ~800 nm谱段范围内，减小幅度最大达到约2.5。这与上述通过目视谱图判断得到的银灰色目标伪装干扰效果弱于白色目标的结论是一致的。

图8 试验Ⅰ、Ⅱ平均绝对差分DM 值对比

图9给出与图6所示伪装干扰试验Ⅲ相应的白色目标M值的计算结果。与图7对比，DM值整体上有显著增大(与目标及背景亮度整体上提高相关)，但M值随谱段的变化特性类似。相比单层伪装，实施双层伪装后在各谱段处M值都有比较明显的增大，这与上述通过目视各谱段图像得到的双层伪装干扰效果明显优于单层伪装干扰效果的直观判断是一致的。

图9 试验Ⅲ平均绝对差分DM 值计算结果

需要说明的是，在计算M值时，选取的图像场景范围对计算结果有很大影响。图10给出分别从全图场景和部分场景计算得到的M值的比较，其中实线为与试验Ⅰ中全图场景对应的M值，虚线为与图11所示方框范围内场景对应的M值。如图11所示，所选部分场景范围约为全景范围的一半，避开了标准漫反射板和运动器械等物体，目标约占到所选范围的1/3~1/4。由图10可见，部分场景的M值计算结果显著大于全图。这也是容易理解的，因为M计算的是对应像元灰度差在所选图像范围内的平均值，而图像信息变化的有效范围只是在被伪装的目标范围内，其他区域则几乎没有变化，范围减小后M自然要增大。有鉴于此，在利用平均绝对差分准则评估干扰效果时，需要明确一定的场景范围，在同样的或相近的场景范围内分析比较不同的干扰效果。

图10 试验Ⅰ全景和部分场景DM 值对比

图11 试验Ⅰ部分场景范围选择示意图

4 结 论

综上所述，利用一种超光谱成像仪和一种宽波段伪装网进行了光谱成像伪装干扰试验，基于实施干扰前后各谱段光谱图像数据的变化，应用平均绝对差分准则对光谱成像伪装干扰效果进行了定量分析和评估。结果表明，所用宽波段伪装网在超光谱成像仪的各个工作谱段均有一定的伪装干扰效果，使得通过各谱段图像不能鉴别目标或鉴别困难，伪装干扰效果的显著程度因伪装前的目标特性、伪装网层数以及谱段的不同而不同；不同于通过目视谱图判别干扰效果的主观、定性评估方法，利用平均绝对差分M值可以将实施伪装前后光谱图像的变化幅度或伪装干扰效果的显著程度定量化，并排除了主观因素，使对光谱成像伪装干扰效果的评估更加精确，可鉴别光谱成像伪装干扰效果的细微差别，同时利用平均绝对差分准则对光谱成像伪装干扰效果的评估结果符合通过目视谱图的直观判别结果，因此也是可信的，可以作为光谱成像干扰效果的一种定量、客观评估准则。

最后需要补充说明的是，在对具体目标进行伪装时，影响最终伪装效果的因素除了伪装本身，伪装前的目标特性、背景特性以及目标与背景之间的对比度等也是不可忽视的因素。因此，为全面评估伪装效果，还应考虑目标本身特性、背景特性对伪装效果的影响，并对伪装后目标与背景的融合程度进行评估。此问题主要涉及在伪装后的同一幅图像中如何定量表征目标区与背景区像元的灰度差别，具体表征指标尚有待深入研究。在综合考虑上述各种因素后，如何定量比较、评估相同伪装、不同目标特性和背景特性下的伪装效果，或目标与背景的融合程度，是后续需要进一步探讨研究的问题。

致谢：特别感谢陈宇恒、周建康二位同志以及沈为民教授的热忱帮助。

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Evaluation of Camouflage Jamming Effect on Spectral Imaging Based on Mean Absolute Difference

GAO Wei，SUN Peng，SUN Yifan，DANG Dongni

( Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China )

To investigate and evaluate the jamming effect of broad-band camouflage on spectral imaging devices, camouflage jamming tests were carried out with a hyperspectral imager and a kind of broad-band camouflage net. The camouflage jamming effect on the hyperspectral imager was analyzed and evaluated quantitatively by using the mean absolute difference. The results show that the broad-band camouflage net has certain jamming effect on the hyperspectral imager at all the spectral bands, and the markedness of camouflage jamming effect varies with the target characteristics before being camouflaged, camouflage net layers and the spectral band. By using the mean-absolute-difference rule, camouflage jamming effect on spectral imaging could be evaluated quantitatively and impersonally, which makes the evaluation results more accurate. So the mean-absolute-difference rule could be used as a quantitative and impersonal rule for evaluating the jamming effect on spectral imaging.

spectral imaging; electro-optical countermeasure; camouflage; evaluation of jamming effect; mean absolute difference

TP75；TN97

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.001

试验技术研究重点项目(BZ-000-1-1102)

高卫(1970-)，男(汉族)，陕西榆林人。研究员，博士，主要研究方向为光电对抗试验评估、光学工程。E-mail:wchengao@sina.com

2015-08-20；

2015-12-03