城市人員目標光學特性及探測手段分析

孟繁樂 ，張 峰

（1.中國電科智能科技研究院，北京 100144；2.中國電子科技集團有限公司認知與智能技術重點實驗室，北京 100144）

0 引 言

城市環境主要由路網、街區、建筑物以及地下設施等要素組成。復雜的結構具有隱蔽性好、堅固性高、錯綜復雜的特點，為某些目標提供了良好的隱蔽條件。本文將分析城市目標的特點，結合目標的特點梳理對目標的探測方法。

1 城市目標特點

本文針對城市人員目標，對其特點進行分析和分類。人員目標通常會通過物體掩護、環境背景相似等方式分散隱藏在城市環境中。光電成像探測手段是最常見、最直觀的目標探測方式，本文將結合該手段對人員目標可能存在的隱藏、遮擋、喬裝方式進行分析，如圖1所示，為基于光學探測的智能目標檢測識別算法研究提供參考依據。

圖1 城市人員目標特點

1.1 特定服裝、喬裝

城市人員目標可能以特定服裝、喬裝的方式出現。特定服裝是指穿著與城市環境相似的特定服裝降低其與周圍環境的區分度，比如穿迷彩服在綠化帶中隱藏；面部遮擋喬裝主要是利用口罩、帽子、眼鏡等方式遮擋面部特征，實現其在人群中隱藏。如圖2所示。

圖2 特定服裝、喬裝方式

1.2 物體遮擋

通常，城市人員目標還會選擇利用周圍環境進行身體掩護，隱藏在室內、街巷、綠化帶、窗口、圍墻等物體中。其身體絕大部分會被遮擋，偶爾露出頭部來觀測環境。其中，身體遮擋比例是由身體被遮擋區域的圖像像素面積與其全身像素面積的比值計算得到。遮擋比例越大，人員特征越不明顯，檢測識別就越困難。

1.3 遠距離、快速移動、玻璃遮擋

一些從事某種特定任務的城市人員目標可能隱藏在距離較遠的制高點，可以將其看作遠距離目標。此外，還存在多種造成成像模糊的情況，包括目標快速移動以及相機抖動導致的圖像模糊，以及由于建筑物、汽車等物體的玻璃遮擋導致的目標圖像模糊，如圖3所示。

圖3 移動和遮擋

1.4 低光照極暗弱

城市地下環境及密封室內在無供電情況下，或者夜晚弱光照情況下，極易出現我在明處、目標在暗處的被動局勢，形成極大威脅。因此，對于這種低光照的暗弱目標的探測識別極為重要。

2 目標探測方法

當前，城市目標探測技術不斷發展成熟。本文以梳理光電探測方法為主，同時介紹幾種其他探測手段。

2.1 光電成像探測方法

常用的光電成像探測方法主要包括可見光探測方法、高分辨率探測方法、紅外探測方法、微光探測方法、偏振探測方法以及多光譜/高光譜探測方法等。為了結合不同探測方法的優勢，也發展出將幾種不同探測方法進行結合的方式，從而形成更好的目標探測能力，如微光與紅外圖像融合、高分辨率結合多光譜探測以及光譜偏振探測。

2.1.1 可見光探測方法

可見光探測方法符合人的視覺習慣，因此成為最常用的信息獲取手段。該方法通過可見光成像系統對場景成像，形成光學圖像，進行目標探測。比如，將相機搭載于無人平臺，為無人裝備提供偵察感知能力；城市視頻監控系統由安裝于不同位置的多個攝像頭構成，也可用于對目標的監視和跟蹤。隨著近年來計算機視覺技術和人工智能技術的迅猛發展，研究人員設計開發了大量的智能算法，用于對不同特性目標的自動檢測識別。

針對目標受物體遮擋的情況，通常根據目標的遮擋程度（比例），分為無遮擋（0%）、一般遮擋（1%～35%）、嚴重遮擋（35%～80%）和完全遮擋（≥80%）。按照遮擋程度對目標檢測算法進行研究[1]，可以分為基于數據增強、基于整體特征以及基于部分語義的檢測算法。

針對面部遮擋喬裝的目標識別問題，文獻[2]總結了有遮擋人臉識別的處理方法，從重構生成模型、遮擋位置判別模型及魯棒特征提取三個方面進行詳細綜述。對于喬裝人員的識別，還可以考慮通過行人重識別技術實現對特定目標任務的檢測和跟蹤[3]。背景相似目標檢測問題是目標檢測領域的新熱點，是利用計算機視覺和機器學習等技術，將隱藏在圖像背景環境中的目標對象檢測出來，一些算法已經在自然界的物種自身保護中得以成功應用[4]，對著特定服裝目標（如穿著迷彩服在綠化帶中躲避等情況）可以考慮采用這些目標檢測算法。

對遠距離目標的光學成像，往往會造成目標相比于常規尺寸目標，在圖像中所占像素數量較少，分辨率較低。目標檢測領域將尺寸小于32×32像素的目標或者尺寸小于原圖0.12%的目標稱為小目標。由于其像素少，特征表達弱，常規的目標檢測算法用于小目標檢測的效果不夠好。因此，小目標檢測逐漸成為研究熱點[5]，對遠距離目標的檢測需要選擇或者設計小目標檢測算法。

對于相機抖動、物體位移等原因造成的目標模糊問題，圖像運動模糊還原技術用于將此類圖像修復，也是當前計算機視覺領域的熱點。文獻[6]對該技術進行了綜述。類似地，玻璃遮擋、霧霾天氣、雨天等造成的圖像退化，也需要采取對應的圖像增強與復原方法進行修復，之后再采用目標檢測識別技術實現目標探測。

2.1.2 高分辨率探測方法

高分辨率成像技術主要是利用大口徑光學系統，在可見光波段配合高效能探測相機，實現對目標高空間分辨率的觀測。對于遠距離目標，高分辨成像后具有足夠的像素數量，便于通過智能檢測識別算法對目標進行自動提取。高分辨率成像技術可用于機載成像探測[7]，或與其他譜段成像技術結合，用于衛星遙感探測[8]、遠距離探測等。

2.1.3 紅外探測方法

弱光、無光環境下，目標在普通可見光探測方法中幾乎無法分辨。此時，紅外探測方法可實現對目標的探測。紅外探測方法利用紅外敏感探測器對目標場景進行探測，通過檢測目標的自身熱輻射獲得輻射光的強度。當目標和背景場景在紅外波段輻射存在差別時，可以對目標進行有效的識別。一方面，在黑暗環境下，紅外探測可提供增強視覺的能力，如熱像儀能夠對目標成像，同時具有穿透雨、雪、霧、靄等不良天氣的能力，提供全天時的視覺能力。另一方面，對于在可見光譜段范圍不可見的目標，如躲藏在遮擋物后面具有特殊目的的人員，紅外成像可以透過一般光學遮障而探測到目標。

2.1.4 微光探測方法

對于弱光環境，除了紅外探測方法外，微光成像技術也可以實現目標探測。微光成像技術又稱像增強技術，物體反射光經過該技術基于光電效應、電子倍增及光電轉換等原理，對夜間為弱光或其他非可見光照明下的景物進行圖像攝取、轉換和增強，最后顯示為人眼可見的圖像。微光圖像具有較高的空間分辨率，但是其成像效果會受到天氣條件的影響。

紅外和微光均可提供夜視探測能力，然而單獨使用時各自均存在缺點，圖像融合技術可以綜合二者的特征信息，獲得天氣適應性強、分辨率高的圖像，增強場景理解，能夠更詳細、精準地展現場景、探測目標[9]。

2.1.5 偏振探測方法

偏振成像技術利用目標本身的輻射強度差異和偏振特性差異進行目標和背景的區分，不同物體或同一物體的不同狀態都會產生不同的偏振狀。偏振成像探測能夠提供目標的表面粗糙度、紋理走向、表面取向以及導電率等信息。城市環境中，目標與場景的偏振特性差異比較大，使得偏振成像技術能夠探測在照度低、背景復雜、目標遮擋和隱藏等情況下的目標，符合安防監控、遙感遙測、光電跟蹤及目標捕捉等領域的應用需求。

2.1.6 多光譜/高光譜探測方法

多光譜成像技術一般在成像系統中加入分光元件，提供3～12個非連續波段形成細化的探測圖像，并通過對比多幅不同波段的探測圖像來識別目標。高光譜的波段數為100～200個。光譜成像探測同時獲得目標的光譜、空間和強度信息，能夠利用光譜匹配或光譜異常檢測等方式完成對目標的探測。通常，多光譜成像設備的空間分辨率低于高分辨率成像儀，但其能夠提供探測目標的光譜維度信息，配合高分辨率成像儀使用，可以獲得更強的偵測能力。

2.1.7 光譜偏振探測方法

隨著現代偽裝技術向多波段兼容方向發展，單純依靠光譜特性檢測目標的難度變大。由于任何物體在反射、散射和透射太陽輻射時，都會產生與其自身理化特性緊密相關的光譜偏振特征，因而可以利用光譜偏振成像探測目標。光譜偏振成像作為強度和光譜的有效補充，不僅能夠對目標的空間位置、形態和成分進行分析，而且能夠對表面理化結構進行精細分析，為目標特征反演提供技術基礎。在偵察應用中，由于偏振特性受目標自身材質、形狀等因素影響，很難制作與背景偏振特征完全相似的目標，因而，即使目標在可見光成像中與背景極其相似，利用光譜偏振成像通常也能成功探測。光譜偏振成像是一種新興的目標探測手段。

2.2 其他探測方法

2.2.1 穿墻雷達

穿墻雷達利用低頻電磁波的穿透特性，可以在不破壞現場的情況下探測到隱藏在墻體、砂石、林木等障礙物之后的目標[10]。其具備不受天氣、光線外界條件影響的特點。將穿墻雷達及多種偵察手段配合使用，能夠為現場偵察提供有效方法[11]。

2.2.2 非視域成像

非視域成像技術針對隱藏物體進行成像，其原理是利用激光照射到中介面上進行漫反射，光經過漫反射后二次傳輸到隱藏物體上，間接獲取隱藏物體的信息，最終對隱藏物體進行成像[12]。該技術可以用于城市街道拐角處或室內的隱藏人員和物體，對視線以外區域的目標進行定位。

2.2.3 仿生復眼相機

仿生復眼相機是受生物昆蟲復眼的啟發而設計的，可實現視角和景深極大化。相比于傳統的單眼成像技術，復眼成像技術能夠實現超高分辨率的成像，在超低照度、超寬視場角等大場景（如城市的機場、港口等要地）有著良好的應用前景。

3 結 語

本文對城市環境下具有特殊目的的人員目標按照特定服裝、喬裝、物體遮擋、遠距離、快速移動、玻璃遮擋及低光照極暗弱進行了分類，并對現有目標探測方法進行了梳理，給出探測方法所適用的目標類型，為城市具有特殊目的的人員目標探測和連續跟蹤提供了參考。

在城市目標探測技術上，由于城市環境復雜干擾，具有如各種天氣變化、煙霧雨水干擾、黑夜白晝更迭等情況，以及目標自身存在不易發現等問題，如何實現城市環境下全天時、全時域復雜遮擋隱藏及非視域目標探測識別，仍是需要解決的難題和研究重點。

在目標探測設備發展方面，根據不同的目標探測場景，選擇不同的探測技術，而探測設備的性能往往與其形態成反比。無論通過哪種方式進行探測，考慮到人員體能和機動平臺的載荷，小型化、低功耗是目標探測設備的一個發展方向。同時，往往越先進的硬件傳感裝置越能高效探測到想要的信息，后續需要的算法復雜度也越低，因此需要發展高性能的傳感器以支撐目標探測能力的提升。