数码迷彩空间混色程度的表征方法研究

初苗，田少辉，喻钧，胡志毅

（1.西安工业大学艺术与传媒学院，陕西西安710032；2.总后勤部建筑工程研究所，陕西西安710032；3.西安工业大学计算机科学与工程学院，陕西西安710032）

数码迷彩空间混色程度的表征方法研究

初苗1，田少辉2，喻钧3，胡志毅2

（1.西安工业大学艺术与传媒学院，陕西西安710032；2.总后勤部建筑工程研究所，陕西西安710032；3.西安工业大学计算机科学与工程学院，陕西西安710032）

数码迷彩是利用计算机技术对目标背景迷彩斑点化，以便于自动化设计、施工作业的一种迷彩形式。这种新迷彩图案将不同颜色的马赛克按照一定规律排列组合，打破了传统迷彩的平滑边缘，从隐蔽性上来讲，数码迷彩比传统迷彩效果要更好。空间混色是数码迷彩效果区别于其他迷彩形式的主要特征之一，同时也是数码迷彩设计质量提高的一个关键途径，而目前国内外对于空间混色应用于数码迷彩设计的相关资料较少，研究也很不充分，不能对数码迷彩设计研究提供足够的支撑。从数码迷彩的空间混色过程进行分析，提出了空间混色系数这一参数，用来表征数码迷彩的空间混色程度，并用实验验证了该表征方法的有效性和可行性，为后续的数码迷彩设计方法研究提供理论参考。

兵器科学与技术；数码迷彩；空间混色；混色程度表征

0 引言

空间混色是数码迷彩效果优于其他迷彩形式的一个重要原因，同时也是数码迷彩设计质量提高的一个关键途径，具有重要的研究价值和意义［1］。

然而，目前国内外对于数码迷彩空间混色的相关资料较少，研究也很不充分，不能对数码迷彩设计研究提供足够的支撑，因此有必要对数码迷彩的空间混色过程进行深入研究，尤其需要对其混色程度进行定量的表征，但是目前还没有太多相关空间混色程度的表征方法和参数，这就造成空间混色规律研究的困难［2-3］。

针对这种情况，依据数码迷彩的研究需要，本文介绍了数码迷彩的空间混色原理；从数码迷彩的空间混色过程进行分析，提出了空间混色系数这一参数，用来表征数码迷彩的空间混色程度，揭示了空间混色程度与颜色特性及混色距离之间的关系；通过实验数据验证了本文提出的数码迷彩空间混色程度表征的有效性和可行性，为后续的数码迷彩设计方法研究提供理论参考。

1 数码迷彩空间混色原理

人眼的视角大致处在0.000 297～0.000 125 rad范围内，如果小于这个范围，人就不能迅速地辨别出颜色点，就算看到，也会非常模糊［4-5］。空间混色示意图如图1所示，图1中观察距离为d，两个马赛克颜色点中心到人眼所形成的视角为θ.

图1 空间混色示意图Fig.1 Spatial color mixture

数码迷彩的空间混色不是颜色的直接混合，而是由于眼睛的生理机能限制而产生的一种视错觉［6］。由于组成数码迷彩图案的马赛克是一个个面积很小的单色方块，在一定距离下观察使得马赛克对人眼的夹角小于人眼的视觉分辨角，人们无法识别其单独的颜色而造成空间混色，形成不同颜色的马赛克相互渗透的效果。正是这种效果使得数码迷彩图案能够更好地模拟背景的颜色和纹理特征，从而达到与背景融合的目的［7-9］。

混色的效果与观察距离及颜色特性有关，一般来说，观察距离愈远，参与空间混色的颜色愈相近，数码迷彩的混色效果愈明显。数码迷彩中并置、颜色相近的马赛克在较远距离观察时会通过空间混色呈现出大小不一、形状不规则的斑点，数码迷彩中分布的颜色差异明显的马赛克通过空间混色呈现出模糊、破碎的过渡边缘，这些都使得观察者很难从周围背景环境中提取“特异”的目标区域。如图2所示，图2（a）为荒漠迷彩的实验样板图案，该实验样板的尺寸为0.9 m×1.2 m，马赛克尺寸为3 cm×3 cm，图2（b）为该实验样板在65 m观察距离下的混色效果。

图2 数码迷彩的空间混色效果图Fig.2 Spatial color mixture diagram of digital camouflage

2 空间混色程度的表征方法

从混色的过程分析，数码迷彩空间混色经历了完全不混色、部分混色以及完全混色等不同阶段。其中，完全不混色和完全混色是指理论上的两种极端情况，对于空间混色的研究来说，部分混色阶段是研究的主要对象，需要对其混色程度进行定量的表征，但是目前相关空间混色程度表征方法和参数的研究资料较为匮乏，且研究也不充分。

2.1 空间混色程度分析

数码迷彩的空间混色可以认为是由观察的空间距离而引起的。一般来说，迷彩图像的空间混色程度会随着观察距离的增大而逐步增大。当观察距离较近时，图像细节保留完整，完全不混色；当观察距离趋于无穷远时，图像细节完全消失，可以认为是图像完全混色；当观察距离介于二者之间时，图像处于部分混色阶段，观察距离不同，混色程度也有所不同。

为了验证这一情况，采用样板尺寸为0.6 m× 0.6 m、马赛克尺寸为5 cm×5 cm的数码迷彩图案，分别在距离为1 m、50 m、80 m、110 m和400 m的情况下观察，得到不同空间混色程度的图像，如图3所示。本次实验拍摄相机为CANON EOS 40D，镜头型号为EF 24～70 mm f 2.8 USM，固定焦距40 mm.

图3 实验样板的空间混色程度示意图Fig.3 Spatial color mixture of an experimental sample

图3中，1 m距离观察下的图像可以认为是完全不混色，400 m距离观察下的图像可以认为是完全混色，而在50 m、80 m、110 m距离观察下的图像则属于部分混色情况，在研究过程中需要对部分混色图像的空间混色程度予以定量的表征。

2.2 空间混色程度表征方法

从数码迷彩空间混色过程来看，数码迷彩图像经历了完全不混色到混色程度逐步增大的过程，图像的颜色斑点会随着混色程度的增大而模糊和均匀化，其完全的混色效果是图像颜色趋于一致。本文从图像颜色变化的角度入手，用图像混色前、后各像素点颜色与该图像平均颜色的平均色差的比值来表征数码迷彩图案的空间混色程度，并将其称为空间混色系数。

颜色模型（Lab）是基于人对颜色的感觉，Lab中的数值描述正常视力的人能够看到的所有颜色，因此本文选择Lab颜色模型进行研究。设任意数码迷彩图案混色前图像P0（图像P0不能为纯色图像）和混色后图像P1，图像P0和P1分别由n0个像素点和n1个像素点构成。图像P0中任一像素点的颜色为（Li，ai，bi），图像P1中任一像素点的颜色为（Lj，aj，bj），则有:

图像P0的平均色为

图像P1的平均色为

根据色差公式［10-11］

则混色前图像P0任意像素点颜色（Li，ai，bi）与平均色的色差为

混色后图像P1任意像素点颜色（Lj，aj，bj）与其平均色的色差ΔEjP1为

那么，混色前图像P0中各像素点颜色与其平均色的平均色差记为，

混色后图像P1中各像素点颜色与其平均色的平均色差记为，

由（6）式和（7）式，可得空间混色系数为

本文提出空间混色系数δ来表征数码迷彩的空间混色程度。在数码迷彩图案不是单一颜色的条件下，根据混色的过程和特点进行分析:混色后图像要小于混色前图像，且随混色程度的增加逐渐变小，在完全混色状态下为最小值0，在完全不混色状态下为最大值因此，可以推断，空间混色系数δ值介于0与1之间，混色程度越大、δ数值越小，其中0代表理论上的完全混色，1代表理论上的完全不混色。

3 实验验证

3.1 实验目的

通过实验分析空间混色系数与观察距离之间的变化关系，判断其是否随着观察距离的增大而减小，从而验证空间混色系数表征数码迷彩空间混色程度的可行性。

3.2 实验方案

本次实验选用3张实验样图，并制成实验样板，如图4～图6所示。采用由近及远的拍摄方式，拍摄在不同距离下数码迷彩图案的空间混色效果，记录拍摄距离，并根据数码迷彩图案对空间混色图像进行分组。在每组图像中，依据（8）式计算每张混色图像的空间混色系数，分析其与拍摄距离之间的关系。

图5 实验样板2Fig.5 Experimental sample 2

图6 实验样板3Fig.6 Experimental sample 3

实验用样板尺寸为1.0 m×1.0 m，数码迷彩马赛克尺寸为3 cm×3 cm的正方形，实验拍摄相机为CANON EOS 40D，镜头型号为EF 24～70 mm f 2.8 USM，固定焦距40 mm.具体实验步骤如下:

1）制作实验样板；

2）选择光线良好的天气，固定实验样板，使其与地面和数码相机光轴互相垂直；

3）由近及远拍摄每张数码迷彩图案的空间混色效果，并记录拍摄距离d；

4）将拍摄的实验样板图案从场景中截取出来，获得不同距离下的空间混色图像并分组；

5）在每组图像中，依据（8）式计算每张混色图像的空间混色系数，并分析其与拍摄距离之间的关系。

3.3 实验数据分析

各样板图案在不同距离下的空间混色情况如图7～图9所示。

图7 实验样板1的混色效果Fig.7 Spatial color mixture of experimental sample 1

图8 实验样板2的混色效果Fig.8 Spatial color mixture of experimental sample 2

3.3.1 样板1各图像空间混色系数计算

依据（1）式～（8）式可得，实验样板1混色前图像（如图4所示），则图7中各图像的空间混色系数δ的计算结果见表1.

图9 实验样板3的混色效果Fig.9 Spatial color mixture of experimental sample 3

表1 实验样板1的空间混色系数δ计算结果Tab.1 Spatial-color-mixture ratio δ of experimental sample 1

3.3.2 样板2各图像空间混色系数计算

实验样板2混色前图像（如图5所示），则图8中各图像的空间混色系数δ的计算结果见表2.

表2 实验样板2的空间混色系数δ计算结果Tab.2 Spatial-color-mixture ratio δ of experimental sample 2

3.3.3 样板3各图像空间混色系数δ计算:

实验样板3混色前图像（如图6所示），则图9中各图像的空间混色系数δ的计算结果见表3。

表3 实验样板3的空间混色系数δ计算结果Tab.3 Spatial-color-mixture ratio δ of experimental sample 3

3组样板混色效果图像的空间混色系数与观察距离之间的曲线图，如图10所示。由图10可见，随着观察距离的增大，空间混色系数迅速减小，且不同数码迷彩图案空间混色系数减小的速度也有所不同。实验样板2的空间混色系数减小的速度最快，实验样板3的空间混色速度减小的速度最慢，这表明随着距离的增大，不同数码迷彩图案的空间混色程度的变化速度是不同的。

3.4 实验结论

1）通过实验，验证了空间混色系数表征数码迷彩图案（纯色图像除外）的空间混色程度是可行的，且空间混色系数δ∈（0，1），数值越小，表示空间混色程度越大；

2）观察距离对混色程度影响较大，且观察距离越远，混色程度越大；

3）不同的图像在相同距离下的混色程度也可能不同，这表明图像自身的一些参数也可能对空间混色效果造成影响。

图10 实验样板1、2、3的空间混色系数曲线图Fig.10 Spatial-color-mixture ratios δ of experimental samples 1，2 and 3

4 总结

应用空间混色虽然会增加数码迷彩设计与实施的复杂程度，但是同时也会显著提高迷彩自身的伪装效果，因此，空间混色是数码迷彩设计过程中必须考虑的因素之一。针对现阶段对数码迷彩空间混色效果的研究，只有定性的分析，而没有量化描述和表征方法的情况，提出使用图像混色前、后中各像素点颜色与该图像平均颜色的平均色差的比值来描述数码迷彩图案的空间混色程度（本文称其为空间混色系数），并用实验验证了该表征方法的可行性。这是对数码迷彩空间混色研究理论体系的补充。

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An Approach of Characterizing the Degree of Spatial Color Mixture

CHU Miao1，TIAN Shao-hui2，YU Jun3，HU Zhi-yi2
（1.Art and Media School，Xi'an Technological University，Xi'an 710032，Shaanxi，China；2.Chinese People's Liberation Army Construction Engineering Research Institute，Xi'an 710032，Shaanxi，China；3.School of Computer Science and Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710032，Shaanxi，China）

The digital camouflage technology is a new form of camouflage technology，which is convenient for automated design and construction.It converts the backgrounds of targets to mosaic pictures by means of computer technology.The new camouflage pattern arranges the mosaic blocks with different colors on a camouflage surface according to certain rules，which breaks down the smoothed edges of traditional camouflage pattern.The digital camouflage technology has more remarkable camouflage effect compared with traditional technology.Spatial color mixture is one of the main features of digital camouflage distinguishing from other forms，and is also a key approach to improve disguise effect for digital camouflage.However，the spatial color mixture research on digital camouflage is relatively lack at home and abroad，and cannot provide enough support for the research on digital camouflage design.An effective parameter，spatial-color-mixture ratio，is proposed to characterize the degree of spatial color mixture through the analysis of spatial color mixture progress of digital camouflage.The characterization method was proved to be fea-sible and effective in practice，which could provide theoretical support for the subsequent work of digital camouflage design.

ordnance science and technology；digital camouflage；spatial color mixture；color mixture characterization

TP391.41

A

1000-1093（2016）07-1306-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.07.020

2015-08-17

陕西省工业科技攻关项目（2015GY059）；西安工业大学校长科研基金项目（XAGDXJJ1332）

初苗（1982—），女，讲师。E-mail:chumm95ww@163.com