謝澤峰

（中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島125000）

1 引 言

光電經緯儀是靶場光電測量的重要設備，主要用于靶場的導彈、衛(wèi)星等航天器發(fā)射、測控任務，以及運載段的觀測與控姿，同時可用于常規(guī)靶場的武器精度鑒定及性能檢測工作［1］。

靶場光測經緯儀發(fā)展的兩大趨勢，一是提高經緯儀本身的測量能力，主要手段是結合雷達、遙測、激光測距、各種探測器以及圖像處理等技術；二是提高測量的可視化程度，主要手段是借助各種探測器和圖像處理技術。顯然，探測器和圖像處理技術在光測經緯儀發(fā)展中具有重要作用，探測器發(fā)展相對緩慢且提高性能的成本相對較高，而圖像處理技術發(fā)展較快，應用靈活，具有較強的推廣意義［2-3］。光學經緯儀中的圖像處理技術主要涉及到目標識別、增強顯示和特性測量等領域，目標識別和增強顯示對于測控方面具有直接的實踐意義［4］，目標識別主要用于目標的識別、脫靶量的輸出和自動跟蹤，增強顯示主要用于輔助人眼跟蹤和提高測量的可視化水平。目前，目標識別技術研究較早，應用廣泛，但是復雜背景下的目標識別技術依賴于圖像場景，圖像增強技術研究火熱，基于單幅圖像或靜態(tài)圖像的圖像增強算法研究較多，而動態(tài)圖像的實時增強算法研究相對較少。圖像處理和圖像增強都在一定程度上涉及到圖像的增強顯示［5-6］。

本文簡要介紹光學測量系統(tǒng)原理，分析各波段光學系統(tǒng)的性能，給出圖像增強系統(tǒng)方案，介紹各種圖像增強算法，仿真實現了等間距圖像增強算法。

2 光學測量系統(tǒng)簡介

2.1 光學測量系統(tǒng)原理

多傳感器經緯儀的光學測量系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、成像器件、圖像處理系統(tǒng)、圖像存儲系統(tǒng)和圖像增強系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示，目標通過光學系統(tǒng)成像于成像器件（主要有可見光相機和各波段紅外相機），成像器件輸出數字視頻（部分相機可同時輸出模擬視頻），通過光纖通訊系統(tǒng)傳輸給圖像處理系統(tǒng)、圖像存儲系統(tǒng)和圖像增強系統(tǒng)。其中，一路數字圖像與測量信息（時間、角度、幀頻）傳輸給圖像存儲系統(tǒng)進行同幀存儲，用于事后數據處理；第二路數字圖像傳輸給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對數字圖像進行處理后輸出脫靶量信息給伺服系統(tǒng)，用于自動跟蹤；第三路數字圖像傳輸給圖像增強系統(tǒng)，用于實時增強顯示和輔助人工跟蹤。

圖1 光學測量系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of optical measurement system

圖像處理系統(tǒng)由上位機和下位機組成，下位機處理圖像獲得脫靶量后發(fā)送給跟蹤系統(tǒng)，上位機用于選擇自動跟蹤方式、目標選擇等，并將選擇項傳輸給下位機，上位機與下位機同時處理圖像，上位機處理圖像依賴于操作系統(tǒng)和Visual C++編程軟件，并在圖像處理軟件中顯示8 bit圖像，下位機通過下位機板卡處理完圖像后，生成10 bit圖像并以SDI格式輸出圖像。圖像處理系統(tǒng)采用拉伸的形式對圖像進行處理，注重目標的識別，對圖像的成像質量沒有特別要求，因此下位機輸出的圖像比上位機顯示的圖像具有更好的可視性，特別對于弱小目標，下位機輸出的圖像顯示效果更好。

圖像處理系統(tǒng)只處理短波紅外圖像和中波紅外圖像，并且只采用拉伸方式對圖像進行處理，與圖像處理系統(tǒng)不同的是，圖像增強系統(tǒng)不僅處理短波紅外圖像和中波紅外圖像，還處理可見光CCD圖像，圖像增強系統(tǒng)所使用的圖像增強算法比較多。圖像處理系統(tǒng)與圖像增強系統(tǒng)的不同之處還有，圖像處理系統(tǒng)因為自動跟蹤需要，要處理100幀的數字圖像，而圖像增強系統(tǒng)只用于顯示，只需要處理25幀的數字圖像，兩者都需要對高幀頻圖像進行抽幀處理。

2.2 各波段光學系統(tǒng)

多傳感器光電經緯儀具有三個波段的傳感器（探測器），其中可見光波段的CCD傳感器，短波波段的短波紅外傳感器，中波波段的中波紅外傳感器。CCD光學系統(tǒng)與短波紅外光學系統(tǒng)采用共口徑（如圖2所示）、光譜分光設計，采用鍍膜鏡片透過可見光反射短波紅外，從而實現分光，中波紅外具有獨立的光學系統(tǒng)。多波段共口徑技術便應運而生，其可以滿足對目標進行多波段信息行準確探測的要求，既可以得到目標的可見光圖像，又可以得到目標的紅外圖像［7］。

圖2 多傳感器共口徑示意圖Fig.2 Multi-sensor common aperture schematic

3 圖像增強技術應用

3.1 圖像增強系統(tǒng)

標準圖像增強系統(tǒng)由數字圖像輸入、圖像處理和圖像顯示或輸出等部分組成。如圖3所示，各傳感器數字圖像通過CameraLink接口傳輸給機上光纖，機上光纖傳輸給機下光纖，機下光纖對各路數字圖像進行分路，CCD數字圖像分四路，一路用于存儲，一路用于圖像增強，兩路備用；SWIR數字圖像分五路，一路雙medium用于存儲，一路單medium用于校正，一路用于圖像處理，一路用于圖像增強，一路備用；MWIR數字圖像分四路，一路用于存儲，一路用于圖像處理，一路用于圖像增強，一路備用。

各傳感器各有一路數字圖像傳輸給圖像增強系統(tǒng)，用于增強顯示，傳輸給圖像增強系統(tǒng)的數字圖像在機下光纖輸出時被抽幀成25幀，圖像增強系統(tǒng)采集卡采用標準的CameraLink接口圖像采集卡。圖像增強系統(tǒng)主機采用DELL Precision Tower 7910工作站，圖像增強軟件采用Visual C++編程工具開發(fā)，三路圖像同時顯示于軟件界面，可選擇其中一路放大顯示，各圖像可以采用不同的軟件算法進行增強顯示。另外三路圖像增強處理后，轉換成SDI視頻格式，通過SDI視頻輸出卡輸出。

圖3 圖像增強系統(tǒng)示意圖Fig.3 Image enhancement system schematice

3.2 圖像增強算法

紅外圖像增強算法［8］主要分為空域法和頻域法?？沼蚍ㄔ诳臻g域內對圖像像素的灰度級直接進行變換，包括點運算和鄰域運算，其中點運算又包括灰度級校正、灰度變換和直方圖修正，鄰域運算主要包括圖像平滑和圖像銳化。頻域法就是在圖像的某種變換域內對圖像的變換值進行運算，主要包括低通濾波、高通濾波和同態(tài)圖像增強。考慮到圖像增強的實時化，圖像增強的運算量不能太大，否則將難以實現實時處理，因此基于點運算的圖像增強算法在實時處理上占有更大優(yōu)勢［9-10］。

多傳感器經緯儀圖像增強軟件界面所圖4所示，右邊三幅圖像分別為短波紅外、可見光、中波紅外圖像，左邊大圖像為右邊三幅圖像之一的選擇放大。在右邊三幅圖像中點擊鼠標右鍵，可以選擇不同的圖像增強算法，三幅圖像獨立選擇圖像增強算法，可供選擇的圖像增強算法主要有：無增強顯示（可選擇高低位顯示），圖像平滑，直方圖均衡，對數增強，銳化增強，三種去霧算法，二種濾波算法，偽彩色增強和灰度級等間距增強算法，其中灰度級等間距增強算法是針對灰度集中場景設計的。

圖4 圖像增強軟件界面Fig.4 Image enhancement software interface

3.3 等間距增強算法

鑒于外場圖像灰度過于集中，末段目標弱小時目標背景灰度接近，且其他圖像增強算法容易造成灰度合同，多傳感器光電經緯儀增加了一種簡單有效的等間距增強算法。該算法的基本思路是，統(tǒng)計灰度圖像被占有的灰度數量n，灰度圖像的第i個灰度被映射到新的灰度255×i/n。等間距增強算法的Matlab實現主要代碼如圖5所示，Visual C++代碼實現同理。

圖5 等間距增強算法Matlab代碼Fig.5 Equal spacing enhancement algorithm matlab code

4 仿真驗證與分析

4.1 仿真驗證

選取外場兩組640（H）×512（V）短波紅外圖像進行等間距增強算法測試，如圖6和7所示，（a）為原始圖像，（b）為增強圖像。 由圖可見，增強圖像對比度更加明顯，細節(jié)信息顯示更加突出。

圖6 短波紅外圖像1Fig.6 Short wave infrared image 1

圖7 短波紅外圖像2Fig.7 Short wave infrared image 2

4.2 主觀視覺效果分析

主觀上，圖6和7中原始圖像的細節(jié)欠豐富，圖像對比度小，背景和目標圖像層次不明顯，圖像的整體視覺效果模糊；增強圖像細節(jié)豐富，背景和目標圖像層次明顯，目標清晰度高，圖像的整體視覺效果清晰。

4.3 客觀定量分析

客觀上，為驗證圖像增強的有效性，采用信息熵和標準差作為增強效果的定量評價指標［11］。

信息熵：

標準差：

式中，pr( rk) 為灰度直方圖；f表示圖像 f( x ，y)的灰度平均值；M和N表示圖像的行數和列數，圖像的信息熵反映圖像包含的信息量大小，信息熵越大，圖像中含有的信息量就越多。圖像的標準差反映圖像的細節(jié)信息，標準差越大，圖像細節(jié)信息就越多，也就越清晰。實驗結果數據如表1和2所示。

表1 紅外圖像1增強客觀評價數據Tab.1 Infrared image 1 enhances objective evaluation

表2 紅外圖像2增強客觀評價數據Tab.2 Infrared image 2 enhances objective evaluation

由表1和2可知，與原圖像相比，增強圖像的信息熵不變，而標準差變大，說明原始圖像經過等間距增強算法后，增強圖像信息量一點都不會減少，反而包含的圖像細節(jié)信息量變多了，圖像清晰度提高了，圖像整體可視化增強效果明顯。

4.4 實時性分析

采用DELL Precision Tower 7910工作站，在core i7-6820 CPU@3.30 GHz、4 GHz RAM計算機環(huán)境下，采用等間距增強算法處理短波紅外圖像，處理一副圖像的平均時間為0.008856 s，最大時間小于0.009 s，一般認為單幀圖像處理時間低于0.04 s即可以實現實時化，因此完全能夠滿足圖像增強顯示實時處理要求。

5 結 論

本文分析了靶場光測經緯儀的發(fā)展趨勢，對圖像處理和圖像增強進行了簡單分析，在介紹多傳感器經緯儀的光學測量系統(tǒng)原理的基礎上，分析了多傳感器經緯儀各波段光學系統(tǒng)的性能，介紹了該型經緯儀采用的圖像增強系統(tǒng)方案和各種圖像增強算法，并仿真實現了等間距圖像增強算法。