艦船目標(biāo)圖像特征識(shí)別系統(tǒng)研究

周書(shū)強(qiáng)，耿瑞煥

(河南理工大學(xué) 鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

海上遙感圖像的目標(biāo)識(shí)別具有重要的軍事意義，艦船擔(dān)負(fù)著海上偵察、敵方軍事目標(biāo)打擊等關(guān)鍵任務(wù)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)軍事戰(zhàn)略目標(biāo)，對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行打擊，必須要能夠準(zhǔn)確、高效進(jìn)行敵方目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別。遙感和雷達(dá)技術(shù)是目前海上軍事領(lǐng)域最常應(yīng)用的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)，其中，雷達(dá)技術(shù)由于覆蓋區(qū)域小、易受海上障礙物的影響，目標(biāo)探測(cè)的精度相對(duì)較低；遙感技術(shù)利用高分辨率遙感成像設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間大范圍的海上遙感圖像獲取，并結(jié)合遙感圖像的處理技術(shù)，高效、準(zhǔn)確進(jìn)行海上艦船目標(biāo)的識(shí)別。

本文圍繞艦船目標(biāo)遙感圖像的識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)展研究，介紹基于遙感圖像的特征識(shí)別流程，重點(diǎn)對(duì)遙感圖像的濾波處理、區(qū)域提取進(jìn)行研究，最后結(jié)合FPGA等硬件設(shè)備，搭建艦船遙感圖像特征識(shí)別系統(tǒng)。

1 艦船目標(biāo)遙感圖像特征識(shí)別的基本流程

海上遙感圖像的噪聲包括不同天氣條件、太陽(yáng)照射角度、波浪和遙感設(shè)備噪聲等，基于遙感圖像的艦船目標(biāo)圖像特征識(shí)別流程圖如圖1 所示。

由圖1 可知，艦船目標(biāo)圖像識(shí)別過(guò)程主要包括3 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

圖1 基于遙感圖像的艦船目標(biāo)圖像特征識(shí)別流程圖Fig.1 Flow chart of ship target image feature recognition based on remote sensing image

1）圖像的過(guò)濾

在進(jìn)行遙感圖像的識(shí)別之前，針對(duì)遙感圖像的噪聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，采用的濾波算法包括高斯濾波、小波變換濾波等，噪聲過(guò)濾可以提高艦船目標(biāo)識(shí)別的精度[1]。

2）基于視覺(jué)顯著性的目標(biāo)圖像區(qū)域提取

由于遙感圖像覆蓋范圍廣，圖像的像素個(gè)數(shù)、尺寸維度較大，為了降低計(jì)算機(jī)在圖像處理過(guò)程中的工作量，可以首先將含有目標(biāo)的部分圖像定位出來(lái)，并將圖像分割處理。

3）特征識(shí)別

經(jīng)過(guò)分割后的圖像只含有目標(biāo)及附近區(qū)域的像素，然后利用特征向量等特征提取方法，實(shí)現(xiàn)艦船目標(biāo)的識(shí)別。

2 基于小波變換的圖像過(guò)濾與增強(qiáng)理論研究

船舶遙感圖像的噪聲主要是海上霧氣、云層、太陽(yáng)光反射、水蒸氣等氣象因素的噪聲，這些噪聲干擾在圖像識(shí)別過(guò)程中會(huì)影響識(shí)別精度，必須要在圖像預(yù)處理階段進(jìn)行過(guò)濾。

小波變換對(duì)于處理遙感圖像的噪聲信號(hào)具有一定優(yōu)勢(shì)，基于小波變換理論的遙感圖像噪聲過(guò)濾流程如圖2 所示。

圖2 小波變換理論的遙感圖像噪聲過(guò)濾流程Fig.2 Noise filtering process of remote sensing image based on wavelet transform theory

遙感圖像信號(hào)為φ(t) ，則圖像信號(hào)的小波變換如下式：

式中：ε為尺度因子；f(t)為像素函數(shù)；τ為位移因子[2]，Δ為像素拉普拉斯算子，如下式：

小波變換約束條件為：

遙感圖像的小波逆變換如下式：

式中，s為逆變換特征值。

基于小波變換的遙感圖像噪聲過(guò)濾示意圖如圖3所示，可見(jiàn)圖像除目標(biāo)圖像外，周?chē)鷧^(qū)域的像素噪點(diǎn)顯著降低。

圖3 基于小波變換的遙感圖像噪聲過(guò)濾示意圖Fig.3 Noise filtering diagram of remote sensing image based on wavelet transform

3 視覺(jué)顯著性的遙感圖像目標(biāo)候選區(qū)域提取

目標(biāo)候選區(qū)域提取是將遙感圖像中包含目標(biāo)艦船的區(qū)域圖像提取出來(lái)，與背景區(qū)域進(jìn)行分割，并將提取后的子圖像作為后續(xù)圖像處理的對(duì)象。本文采用的目標(biāo)候選區(qū)域提取方法為基于視覺(jué)顯著性的提取方法，這種圖像區(qū)域提取方法可以從大幅遙感圖像中提取出感興趣區(qū)域，有效降低圖像處理的計(jì)算量。

視覺(jué)顯著性檢測(cè)算法利用像素的對(duì)比度確定目標(biāo)及目標(biāo)區(qū)域，對(duì)比度計(jì)算方法為傅里葉相位譜變換算法，將圖像的顏色通道R(t)/G(t)/B(t)/Y(t)建立四元數(shù)圖像，利用傅里葉變換獲取具有視覺(jué)顯著性的圖像。

基于視覺(jué)顯著性檢測(cè)算法的圖像處理原理圖如圖4 所示.

圖4 視覺(jué)顯著性檢測(cè)算法的圖像處理原理圖Fig.4 Image processing schematic based on visual saliency detection algorithm

首先對(duì)艦船遙感圖像進(jìn)行四元通道的函數(shù)構(gòu)建，假設(shè)輸入圖像為F(t)，t為圖像的幀數(shù)，擴(kuò)展到R(t)/G(t)/B(t)/Y(t)四個(gè)顏色通道[3]為：

定義遙感圖像的顏色通道為：

定義圖像的顯著性對(duì)比通道為：

遙感圖像幀的像素為q(m,n,t)，可得圖像的傅里葉變換為：

式中：(u,v)為頻域的坐標(biāo)；M，N為圖像的維度；傅里葉逆變換為：

可構(gòu)建圖像的時(shí)空視覺(jué)顯著圖像為：

式中，g為濾波函數(shù)。

4 基于FPGA 的艦船目標(biāo)圖像特征識(shí)別系統(tǒng)搭建

針對(duì)艦船遙感圖像的識(shí)別問(wèn)題，采用FPGA 作為核心處理器，搭建遙感圖像的目標(biāo)快速識(shí)別硬件系統(tǒng)。FPGA 具有豐富的邏輯算法資源和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可利用并行運(yùn)算等先進(jìn)技術(shù)為艦船遙感圖像的快速處理提供支持。

基于FPGA 的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵循下述基本原則：

1）硬件支持性原則

任何基于硬件芯片的開(kāi)發(fā)，需要做到軟件程序設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)的統(tǒng)一，在進(jìn)行程序和代碼的開(kāi)發(fā)時(shí)，需要根據(jù)芯片的管腳、內(nèi)部存儲(chǔ)和運(yùn)算空間等參數(shù)，確保FPGA 芯片具有可實(shí)現(xiàn)性。

2）同步電路設(shè)計(jì)

基于FPGA 的硬件電路設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足同步電路設(shè)計(jì)原則，原因在于異步電路設(shè)計(jì)可能會(huì)出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的問(wèn)題，降低系統(tǒng)可靠性。

3）計(jì)算統(tǒng)籌原則

FPGA 的內(nèi)部資源包括邏輯資源、存儲(chǔ)資源和接口資源，為了能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA 芯片效率的最大化，同時(shí)提高數(shù)據(jù)量的計(jì)算速度，必須要進(jìn)行芯片計(jì)算量的統(tǒng)籌和優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如可以利用多個(gè)并行計(jì)算模塊同時(shí)運(yùn)行，提高運(yùn)算速度。

本文基于FPGA 開(kāi)發(fā)的艦船遙感圖像目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)分為預(yù)處理、區(qū)域提取、目標(biāo)識(shí)別、RAM 存儲(chǔ)調(diào)度模塊4 個(gè)主體部分，細(xì)分為濾波模塊、顯著性計(jì)算模塊、閾值分割模塊、特征與目標(biāo)提取模塊等。RAM 存儲(chǔ)調(diào)度模塊選用Xilinx 公司設(shè)計(jì)的DDR3 存儲(chǔ)器[4]，圖5 為基于FPGA 的艦船目標(biāo)圖像特征識(shí)別系統(tǒng)原理圖。

圖5 基于FPGA 的艦船目標(biāo)圖像特征識(shí)別原理圖Fig.5 Principle diagram of ship target image feature recognition system based on FPGA

RAM 存儲(chǔ)調(diào)度模塊中的數(shù)據(jù)主要包括RGB 圖像、遙感灰度圖、視覺(jué)顯著圖、二值圖像等信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如表1 所示。

表1 RAM 存儲(chǔ)調(diào)度模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式表Tab.1 RAM storage scheduling module data storage format table

基于FPGA 的艦船遙感圖像目標(biāo)識(shí)別實(shí)例如圖6所示。

圖6 基于FPGA 的艦船遙感圖像目標(biāo)識(shí)別實(shí)例Fig.6 An example of ship remote sensing image target recognition based on FPGA

5 結(jié) 語(yǔ)

海上艦船的遙感圖像識(shí)別技術(shù)不論在軍事偵察還是艦船管理方面都具有重要價(jià)值，本文從遙感圖像的過(guò)濾、增強(qiáng)、顯著性圖像選取等方面進(jìn)行研究，結(jié)合FPGA 搭建遙感圖像目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別效果。