城市人员目标光学特性及探测手段分析

孟繁乐 ，张 峰

（1.中国电科智能科技研究院，北京 100144；2.中国电子科技集团有限公司认知与智能技术重点实验室，北京 100144）

0 引 言

城市环境主要由路网、街区、建筑物以及地下设施等要素组成。复杂的结构具有隐蔽性好、坚固性高、错综复杂的特点，为某些目标提供了良好的隐蔽条件。本文将分析城市目标的特点，结合目标的特点梳理对目标的探测方法。

1 城市目标特点

本文针对城市人员目标，对其特点进行分析和分类。人员目标通常会通过物体掩护、环境背景相似等方式分散隐藏在城市环境中。光电成像探测手段是最常见、最直观的目标探测方式，本文将结合该手段对人员目标可能存在的隐藏、遮挡、乔装方式进行分析，如图1所示，为基于光学探测的智能目标检测识别算法研究提供参考依据。

图1 城市人员目标特点

1.1 特定服装、乔装

城市人员目标可能以特定服装、乔装的方式出现。特定服装是指穿着与城市环境相似的特定服装降低其与周围环境的区分度，比如穿迷彩服在绿化带中隐藏；面部遮挡乔装主要是利用口罩、帽子、眼镜等方式遮挡面部特征，实现其在人群中隐藏。如图2所示。

图2 特定服装、乔装方式

1.2 物体遮挡

通常，城市人员目标还会选择利用周围环境进行身体掩护，隐藏在室内、街巷、绿化带、窗口、围墙等物体中。其身体绝大部分会被遮挡，偶尔露出头部来观测环境。其中，身体遮挡比例是由身体被遮挡区域的图像像素面积与其全身像素面积的比值计算得到。遮挡比例越大，人员特征越不明显，检测识别就越困难。

1.3 远距离、快速移动、玻璃遮挡

一些从事某种特定任务的城市人员目标可能隐藏在距离较远的制高点，可以将其看作远距离目标。此外，还存在多种造成成像模糊的情况，包括目标快速移动以及相机抖动导致的图像模糊，以及由于建筑物、汽车等物体的玻璃遮挡导致的目标图像模糊，如图3所示。

图3 移动和遮挡

1.4 低光照极暗弱

城市地下环境及密封室内在无供电情况下，或者夜晚弱光照情况下，极易出现我在明处、目标在暗处的被动局势，形成极大威胁。因此，对于这种低光照的暗弱目标的探测识别极为重要。

2 目标探测方法

当前，城市目标探测技术不断发展成熟。本文以梳理光电探测方法为主，同时介绍几种其他探测手段。

2.1 光电成像探测方法

常用的光电成像探测方法主要包括可见光探测方法、高分辨率探测方法、红外探测方法、微光探测方法、偏振探测方法以及多光谱/高光谱探测方法等。为了结合不同探测方法的优势，也发展出将几种不同探测方法进行结合的方式，从而形成更好的目标探测能力，如微光与红外图像融合、高分辨率结合多光谱探测以及光谱偏振探测。

2.1.1 可见光探测方法

可见光探测方法符合人的视觉习惯，因此成为最常用的信息获取手段。该方法通过可见光成像系统对场景成像，形成光学图像，进行目标探测。比如，将相机搭载于无人平台，为无人装备提供侦察感知能力；城市视频监控系统由安装于不同位置的多个摄像头构成，也可用于对目标的监视和跟踪。随着近年来计算机视觉技术和人工智能技术的迅猛发展，研究人员设计开发了大量的智能算法，用于对不同特性目标的自动检测识别。

针对目标受物体遮挡的情况，通常根据目标的遮挡程度（比例），分为无遮挡（0%）、一般遮挡（1%～35%）、严重遮挡（35%～80%）和完全遮挡（≥80%）。按照遮挡程度对目标检测算法进行研究[1]，可以分为基于数据增强、基于整体特征以及基于部分语义的检测算法。

针对面部遮挡乔装的目标识别问题，文献[2]总结了有遮挡人脸识别的处理方法，从重构生成模型、遮挡位置判别模型及鲁棒特征提取三个方面进行详细综述。对于乔装人员的识别，还可以考虑通过行人重识别技术实现对特定目标任务的检测和跟踪[3]。背景相似目标检测问题是目标检测领域的新热点，是利用计算机视觉和机器学习等技术，将隐藏在图像背景环境中的目标对象检测出来，一些算法已经在自然界的物种自身保护中得以成功应用[4]，对着特定服装目标（如穿着迷彩服在绿化带中躲避等情况）可以考虑采用这些目标检测算法。

对远距离目标的光学成像，往往会造成目标相比于常规尺寸目标，在图像中所占像素数量较少，分辨率较低。目标检测领域将尺寸小于32×32像素的目标或者尺寸小于原图0.12%的目标称为小目标。由于其像素少，特征表达弱，常规的目标检测算法用于小目标检测的效果不够好。因此，小目标检测逐渐成为研究热点[5]，对远距离目标的检测需要选择或者设计小目标检测算法。

对于相机抖动、物体位移等原因造成的目标模糊问题，图像运动模糊还原技术用于将此类图像修复，也是当前计算机视觉领域的热点。文献[6]对该技术进行了综述。类似地，玻璃遮挡、雾霾天气、雨天等造成的图像退化，也需要采取对应的图像增强与复原方法进行修复，之后再采用目标检测识别技术实现目标探测。

2.1.2 高分辨率探测方法

高分辨率成像技术主要是利用大口径光学系统，在可见光波段配合高效能探测相机，实现对目标高空间分辨率的观测。对于远距离目标，高分辨成像后具有足够的像素数量，便于通过智能检测识别算法对目标进行自动提取。高分辨率成像技术可用于机载成像探测[7]，或与其他谱段成像技术结合，用于卫星遥感探测[8]、远距离探测等。

2.1.3 红外探测方法

弱光、无光环境下，目标在普通可见光探测方法中几乎无法分辨。此时，红外探测方法可实现对目标的探测。红外探测方法利用红外敏感探测器对目标场景进行探测，通过检测目标的自身热辐射获得辐射光的强度。当目标和背景场景在红外波段辐射存在差别时，可以对目标进行有效的识别。一方面，在黑暗环境下，红外探测可提供增强视觉的能力，如热像仪能够对目标成像，同时具有穿透雨、雪、雾、霭等不良天气的能力，提供全天时的视觉能力。另一方面，对于在可见光谱段范围不可见的目标，如躲藏在遮挡物后面具有特殊目的的人员，红外成像可以透过一般光学遮障而探测到目标。

2.1.4 微光探测方法

对于弱光环境，除了红外探测方法外，微光成像技术也可以实现目标探测。微光成像技术又称像增强技术，物体反射光经过该技术基于光电效应、电子倍增及光电转换等原理，对夜间为弱光或其他非可见光照明下的景物进行图像摄取、转换和增强，最后显示为人眼可见的图像。微光图像具有较高的空间分辨率，但是其成像效果会受到天气条件的影响。

红外和微光均可提供夜视探测能力，然而单独使用时各自均存在缺点，图像融合技术可以综合二者的特征信息，获得天气适应性强、分辨率高的图像，增强场景理解，能够更详细、精准地展现场景、探测目标[9]。

2.1.5 偏振探测方法

偏振成像技术利用目标本身的辐射强度差异和偏振特性差异进行目标和背景的区分，不同物体或同一物体的不同状态都会产生不同的偏振状。偏振成像探测能够提供目标的表面粗糙度、纹理走向、表面取向以及导电率等信息。城市环境中，目标与场景的偏振特性差异比较大，使得偏振成像技术能够探测在照度低、背景复杂、目标遮挡和隐藏等情况下的目标，符合安防监控、遥感遥测、光电跟踪及目标捕捉等领域的应用需求。

2.1.6 多光谱/高光谱探测方法

多光谱成像技术一般在成像系统中加入分光元件，提供3～12个非连续波段形成细化的探测图像，并通过对比多幅不同波段的探测图像来识别目标。高光谱的波段数为100～200个。光谱成像探测同时获得目标的光谱、空间和强度信息，能够利用光谱匹配或光谱异常检测等方式完成对目标的探测。通常，多光谱成像设备的空间分辨率低于高分辨率成像仪，但其能够提供探测目标的光谱维度信息，配合高分辨率成像仪使用，可以获得更强的侦测能力。

2.1.7 光谱偏振探测方法

随着现代伪装技术向多波段兼容方向发展，单纯依靠光谱特性检测目标的难度变大。由于任何物体在反射、散射和透射太阳辐射时，都会产生与其自身理化特性紧密相关的光谱偏振特征，因而可以利用光谱偏振成像探测目标。光谱偏振成像作为强度和光谱的有效补充，不仅能够对目标的空间位置、形态和成分进行分析，而且能够对表面理化结构进行精细分析，为目标特征反演提供技术基础。在侦察应用中，由于偏振特性受目标自身材质、形状等因素影响，很难制作与背景偏振特征完全相似的目标，因而，即使目标在可见光成像中与背景极其相似，利用光谱偏振成像通常也能成功探测。光谱偏振成像是一种新兴的目标探测手段。

2.2 其他探测方法

2.2.1 穿墙雷达

穿墙雷达利用低频电磁波的穿透特性，可以在不破坏现场的情况下探测到隐藏在墙体、砂石、林木等障碍物之后的目标[10]。其具备不受天气、光线外界条件影响的特点。将穿墙雷达及多种侦察手段配合使用，能够为现场侦察提供有效方法[11]。

2.2.2 非视域成像

非视域成像技术针对隐藏物体进行成像，其原理是利用激光照射到中介面上进行漫反射，光经过漫反射后二次传输到隐藏物体上，间接获取隐藏物体的信息，最终对隐藏物体进行成像[12]。该技术可以用于城市街道拐角处或室内的隐藏人员和物体，对视线以外区域的目标进行定位。

2.2.3 仿生复眼相机

仿生复眼相机是受生物昆虫复眼的启发而设计的，可实现视角和景深极大化。相比于传统的单眼成像技术，复眼成像技术能够实现超高分辨率的成像，在超低照度、超宽视场角等大场景（如城市的机场、港口等要地）有着良好的应用前景。

3 结 语

本文对城市环境下具有特殊目的的人员目标按照特定服装、乔装、物体遮挡、远距离、快速移动、玻璃遮挡及低光照极暗弱进行了分类，并对现有目标探测方法进行了梳理，给出探测方法所适用的目标类型，为城市具有特殊目的的人员目标探测和连续跟踪提供了参考。

在城市目标探测技术上，由于城市环境复杂干扰，具有如各种天气变化、烟雾雨水干扰、黑夜白昼更迭等情况，以及目标自身存在不易发现等问题，如何实现城市环境下全天时、全时域复杂遮挡隐藏及非视域目标探测识别，仍是需要解决的难题和研究重点。

在目标探测设备发展方面，根据不同的目标探测场景，选择不同的探测技术，而探测设备的性能往往与其形态成反比。无论通过哪种方式进行探测，考虑到人员体能和机动平台的载荷，小型化、低功耗是目标探测设备的一个发展方向。同时，往往越先进的硬件传感装置越能高效探测到想要的信息，后续需要的算法复杂度也越低，因此需要发展高性能的传感器以支撑目标探测能力的提升。