趙 園，許衛(wèi)東，徐 鑫，周國強

（解放軍理工大學 工程兵工程學院，江蘇 南京 210007）

三維偽裝背景顏色特征提取方法的研究

趙 園，許衛(wèi)東，徐 鑫，周國強

（解放軍理工大學 工程兵工程學院，江蘇 南京 210007）

針對偽裝背景勘察中快速精確地獲得客觀的三維背景特性的要求，采用了快速獲得偽裝背景三維點云數(shù)據(jù)的掃描方法，通過對點云數(shù)據(jù)預處理（數(shù)據(jù)拼接、顏色聚類），并對背景三維信息進行基于曲面面積的數(shù)據(jù)分析得到反映客觀的三維數(shù)據(jù)顏色直方圖，據(jù)此設計出獲得符合背景的迷彩圖案，結合某軍事偽裝試驗場進行三維偽裝背景顏色特征提取研究，實驗證明本研究方案為偽裝迷彩圖案設計提供了客觀可靠的數(shù)據(jù)支持。

偽裝背景；三維激光掃描技術；顏色特征提取

偽裝背景勘察是進行工程偽裝的基礎性工作，其為工程偽裝的設計、實施及效果檢測提供數(shù)據(jù)支撐[1]。隨著偽裝技術的發(fā)展，目前偽裝背景勘察多采用地面成像手段實現(xiàn)，以快速地獲得地面背景的偽裝特性，劉保榮、許衛(wèi)東等研制的工程偽裝空中勘察及性能檢測系統(tǒng)[2]，較好地解決了廣泛開展對抗空中偵察的難題。但是對于以數(shù)碼相機為基礎的光學成像系統(tǒng)，普遍存在圖像邊緣區(qū)域產(chǎn)生明顯畸變，同時基于平面成像系統(tǒng)所得圖像數(shù)據(jù)很難反映客觀三維空間中的顏色、紋理的立體關系，在一定程度上制約了軍事偽裝的發(fā)展。三維激光掃描技術可以快速精確地獲得客觀的三維背景數(shù)據(jù)，進而獲得背景地物的三維光學偽裝特性成為現(xiàn)實可能。通過對掃描策略的研究，文中提出了一種快速獲得點云數(shù)據(jù)的方法，通過對所得點云數(shù)據(jù)進行研究，確定適用于軍事偽裝的背景顏色特征直方圖，為下一步的工程偽裝設計及效果檢測提供數(shù)據(jù)支撐。

1 三維偽裝背景數(shù)據(jù)的獲取

三維激光掃描技術集成了多種高新技術，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云數(shù)據(jù)形式表達地形地貌三維表面特征，可以快速獲取與處理戰(zhàn)場三維地形信息。其主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時集成了CCD數(shù)字攝影及儀器內(nèi)部校正系統(tǒng)。激光測距系統(tǒng)主要采用脈沖法測距。通過數(shù)據(jù)采集獲得測距觀測值L，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。由此可得到三維激光腳點坐標的計算公式：

CCD相機對所掃描區(qū)域進行攝影，并通過儀器內(nèi)部的矯正系統(tǒng)與掃描所得區(qū)域數(shù)據(jù)進行相互匹配，得到目標各點的顏色坐標RGB值。

2 點云數(shù)據(jù)預處理

通過三維激光掃描系統(tǒng)獲得的點云數(shù)據(jù)具有精度高、客觀反映立體空間關系等優(yōu)點，但是同時也存在著數(shù)據(jù)龐大無序，不同掃描站所得圖像信息分別獨立等問題。因此，為獲得整體偽裝背景的光學特性需要進行預處理。

2.1 點云數(shù)據(jù)拼接

點云數(shù)據(jù)拼接技術主要是將各站點中的坐標系統(tǒng)（X1Y1Z1、X2Y2Z2、…、XnYnZn）統(tǒng)一到同一坐標系中。

目前點云拼接主要使用4種方法，根據(jù)實際需要及運算速度的考慮，盛業(yè)華、張卡等提出的方法[4]具有很大的借鑒意義。結合偽裝背景勘察實際，在其基礎上利用球形靶標及其激光反射強度信息確定“同名標志點”以實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的拼接誤差最小化。主要流程為：根據(jù)掃描站的順序，使用相鄰掃描站掃描重疊區(qū)內(nèi)的靶標，依次求取各站的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，再對序列坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)按閉合條件進行加權誤差分配，由此得到各掃描站的最終坐標轉(zhuǎn)換模型，并依此坐標轉(zhuǎn)換模型對各站掃描點云進行坐標變換，將它們統(tǒng)一到目標坐標系下。坐標轉(zhuǎn)換通用公式為：

以某軍事偽裝試驗場為例，通過偽裝背景勘察方案獲得其中每個站點的點云數(shù)據(jù)（如圖1、圖2所示），根據(jù)數(shù)據(jù)拼接方法進行計算，以獲得最小誤差，拼接結果如圖3所示。經(jīng)過計算則由拼接處理產(chǎn)生的誤差為0.007 6 m.該精度與掃描儀自身測量精度0.005 m相近，拼接處理后不會明顯降低原始掃描數(shù)據(jù)的精度。

圖1 三維偽裝背景1（拼接前）Fig.1 3D camouflage background 1（before mosaics）

圖2 三維偽裝背景2（拼接前）Fig.2 3D camouflage background 2（before mosaics）

2.2 三維偽裝背景點云數(shù)據(jù)預處理的顏色聚類方法

點云數(shù)據(jù)的無序、多樣性決定了在進行顏色特性提取之前需要對點云數(shù)據(jù)中的顏色進行初步聚類，壓縮數(shù)據(jù)量并獲得能夠足夠表現(xiàn)背景特性聚類中心是點云數(shù)據(jù)預處理的基本原則。針對基于中心顏色聚類方法可以利用爬山算法[5]的進行聚類分析，文獻[6]提出一種基于金字塔結構與減法聚類的HCM彩色圖像聚類算法（PSHCM）。但是由于算法對于初始聚類中心種類c的規(guī)定，對于龐大的點云數(shù)據(jù)，需要進行多次對c進行計算，從而達到“足夠表現(xiàn)背景特性”的要求?；谥行拿芏鹊膭討B(tài)聚類中心改進的HCM彩色聚類算法，能夠解決不同數(shù)據(jù)量需要進行設置c值的問題。仿真實驗證明，此算法完全可以達到預處理的要求。

2.2.1 偽裝背景點云數(shù)據(jù)顏色聚類閾值設定

由于sRGB顏色空間不是均勻的視覺空間，不利于顏色之間基于歐式距離下的相互計算，而作為均勻顏色空間的L*a*b*顏色空間中兩點間的差別與人眼的感覺一致，故先將圖像從sRGB空間轉(zhuǎn)化到L*a*b*空間。在L*a*b*顏色空間下的歐式距離與人眼視覺差異相同，因此，將L*a*b*顏色空間色差距離定義為式4，同時根據(jù)人眼對于L*a*b*顏色空間下的歐式距離的實驗證明：聚類后，顏色值與聚類前顏色值色差不大于3NBS，即聚類精度閾值ε0≤3時，人眼幾乎分辨不出顏色差別。

2.2.2 改進的基于中心密度的動態(tài)聚類中心算法

在中心密度法確定初始聚類中心的基礎上，結合動態(tài)聚類的概念，提出計算動態(tài)聚類中心的方法，以滿足在不同的背景、不同精度要求下顏色種類差異化產(chǎn)生的聚類中心的差異化問題。其基本流程如下：

1）使用中心密度法確定初始聚類中心Zj；

2）對樣本空間進行一次HCM聚類并輸出第一次的修正聚類中心；

利用改進的基于中心密度的動態(tài)聚類中心算法將2.1中完成數(shù)據(jù)拼接后的三維圖像進行顏色，聚類初始圖像及聚類后三維圖像分別如圖3、圖4所示。經(jīng)過基于彩色共生矩陣的相似度算法[7]計算，相似度S達到0.984，從計算角度證明本算法的可行性。

圖3 三維偽裝背景（拼接后）Fig.3 3D camouflage background （after mosaics）

3 偽裝背景顏色特征提取

圖4 聚類后三維圖像Fig.4 3D image clustered

不同于平面圖像的數(shù)據(jù)直方圖分析方法，三維偽裝背景顏色特征的提取要求對背景三維信息進行基于曲面面積的數(shù)據(jù)分析提取。為此，基于微積分原理，對聚類后的背景信息進行微積分處理。具體做法為，利用微分方程，以點云數(shù)據(jù)中每一點作為中心，計算該點所在區(qū)域內(nèi)的曲面面積Si，建立m×n×j維矩陣，矩陣內(nèi)存放每一點的面積Si，以聚類后每種顏色出現(xiàn)的次數(shù)分別作為該顏色量化的計數(shù)器，進行累加得基于三維數(shù)據(jù)的顏色直方圖量化結果如圖5所示。

圖5 三維數(shù)據(jù)顏色直方圖Fig.5 Color histogram based 3D data

4 實驗結果分析及應用

通過三維數(shù)據(jù)顏色直方圖可以得到如下結論：

1）此背景中與中綠色L*a*b*（CIE1976空間坐標為37.6，-6.8，9.0）相近綠色色系的所占曲面面積高達到65.36%，說明在此區(qū)域存在大量綠草地，這與實地觀察的結果一致，實際上本實驗正是選取夏季以草地為主的山地為背景。

2）背景數(shù)據(jù)中亮色色系（以CIE1976L*a*b*空間坐標為93.1，-0.1，1.3為主）所占曲面面積比也比較多，達到19.74%，這與背景中存在一條水泥馬路，以及裸露的巖石有關，同樣與實地背景調(diào)查相一致。

3）除去綠色及亮色的顏色主要有兩類顏色，其一是暗色系（以 CIE1976L*a*b*空間坐標為 31.9，-4.9，7.0 為主），主要是背景陰影及其他深色區(qū)域產(chǎn)生；另一類為所占面積極小的其他顏色組成，主要是由于在顏色空間轉(zhuǎn)換及聚類、測量中產(chǎn)生的色差引起，可以忽略。

針對實驗研究背景，以上分系所得顏色為迷彩圖案基本主色，以三維數(shù)據(jù)的顏色直方圖中所占比例大于5%的顏色作為輔助色，利用數(shù)碼迷彩圖案生成系統(tǒng)設計出符合本研究背景的迷彩圖案，樣圖如圖6所示。

圖6 數(shù)字迷彩圖案Fig.6 Digital camouflage pattern

5 結束語

作為工程偽裝的基礎性工作的背景勘察技術決定著偽裝工程質(zhì)量，本文通過三維激光掃描技術及數(shù)據(jù)的研究，實現(xiàn)了偽裝背景的三維數(shù)據(jù)分析，并通過實驗分析設計出符合偽裝背景的數(shù)字迷彩圖案。但是由于作者水平有限，在三維偽裝背景的研究還有待進一步提高，希望通過借助本文起到拋磚引玉的效果。

[1]李漢斌，黃擁元.偽裝技術[M].北京：解放軍出版社，2001.

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Study of the color feature extraction method in 3D camouflage background

ZHAO Yuan， XU Wei-dong， XU Xin， ZHOU Guo-qiang
（Engineerings Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Tecnology，Nanjing210007，China）

According to the requirement that to get the objective 3D characteristics quickly and accurately in camouflage background investigation， used the new scanning method to get camouflage background 3D point cloud data fast， pretreat with the point cloud data （data matching and color clustering）， and analysis the background information for 3D based on the curved surface area， then get the 3D data color histogram objective， and a camouflage pattern designed for the background，combined with a military camouflage experimental base for the study of the color feature extraction method in 3D camouflage background，the experiment proved that this study plan for camouflage pattern design provides objective and reliable data to support.

camouflage background； 3D laser scanning technology；color feature extraction

E951.4

A

1674－6236（2012）04-0019-03

2011-12-24 稿件編號：201112082

趙 園（1985—），男，河北張家口人，碩士研究生。研究方向：軍事工程偽裝與材料。