camouflage

基于反射光谱和图像的雪地伪装材料紫外检测技术研究

田英慧;金伟其;赵志勇;董绍军;靳佰良

【摘要】Thestudyonthebackgroundofsnowisveryimportantfor

perstudiesthe

performancetestingtechnologyofsnowcamouflagematerialwithhigh

ingtothewintersnowbackground

andtypicalsamples(whitepaper,whitecottonandwhitecamouflage

materials),tocarryoutrearchoncamouflagetestingtechnologyof

spectralsimilaritybetweenspectralcurve,imagehistogramsimilarityand

hodiscalculatingthesimilarityofthe

samplesandthesnowbackgroundthroughEuclideandistanceand

Spectralanglecosineofthespectrumreflectancefactor;judgingthe

similaritybetweenthecamouflageobjectandthesnowbackgroundbythe

averagegraycontrastandhistogramnormalizedcorrelationcoefficient

sibilityandeffectivenessofthereflection

ultsofthestudy

hassomeguidingsignificanceforthedevelopmentandDesignFinalizing

Testofthesnowcamouflageequipment.%雪地背景伪装研究对于伪装设计与

伪装识别均具有重要的意义.本文研究了高白度、高反射率的雪地型伪装材料的性

能检测技术.针对冬季雪地背景和典型目标样品(白纸、白棉布和白色伪装材料),开

展基于光谱曲线间相似性、基于紫外图像直方图和灰度平均对比度相似性的伪装检

测技术研究.通过光谱反射因数的欧氏距离和光谱角余弦计算伪装样品与雪地背景

的相似性,通过平均灰度值对比和直方图的归一化相关系数巴氏距离来判断伪装目

标和雪地背景的相似程度,证明了反射光谱和紫外图像检测的可行性和有效性.研究

结果对雪地型伪装装备的研制和设计定型试验有一定的指导意义.

【期刊名称】《红外技术》

【年(卷),期】2017(039)005

【总页数】6页(P469-474)

【关键词】雪地;伪装材料;光谱反射;紫外;伪装检测

【作者】田英慧;金伟其;赵志勇;董绍军;靳佰良

【作者单位】北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京

100081;63956部队,北京100093;北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教

育部重点实验室,北京100081;63956部队,北京100093;63956部队,北京

100093;63956部队,北京100093

【正文语种】中文

【中图分类】E951.4

伪装是为隐蔽我方，欺骗并迷惑敌方而采取的各种隐真示假措施[1]。信息化条件

下对武器装备伪装的全域适应性提出了更高要求。对于地处寒温地带的东北、华北

（内蒙古）、西北和青藏高原等地域，冬季时间长，气温低，积雪时间长，雪地背

景在一年时间中占有相当的比重，因此，雪地背景伪装研究对于伪装设计与伪装识

别均具有重要的意义。

从伪装角度看，雪地是一种单调、强反射、高亮度的背景，在光学特征上以白色为

主，有很高的白度及紫外反射率（如图1）。因此，实施雪地目标伪装的难度相对

较大，对伪装器材与材料有特别的要求，一般加入高白度、高紫外反射率填料来达

到雪地背景伪装的目的。在到达地球表面的太阳光，0.2～0.3mm的紫外辐射几乎

被大气中的臭氧层吸收，常称为“日盲区”[2-3]；而0.3～0.4mm的紫外辐射能

够部分透过地球大气层，常称为“软紫外波段”。目前用于侦察的紫外探测设备主

要工作在0.3～0.4mm波段，也是雪地伪装检测的重点波段。

现阶段紫外波段伪装检测与评价是采用主观和客观两种方式进行：客观上，实验室

检测雪地型伪装装备制作材料的白度和紫外波段光谱反射率（两个指标）；主观上，

野外使用紫外相机拍摄目标区域（目标与背景）照片，判读人员再进行判读，判断

目标与背景的融合程度。从检测方法来说，目前采用的白度、反射率的测量（客观

数据）和紫外照相（主观判读）两种方式是并行关系，目标和雪地背景的光谱反射

率差值、白度差值与两者在紫外图像上的差异的对应关系，需要深入研究和大量的

试验来验证；从评价技术层面来说，对于要测量的白度和紫外波段光谱反射率这两

个指标，均只规定了下限，两个指标是否越高越好以及其阈值确定得是否合理尚未

进行验证。

本文将针对冬季雪地背景和典型目标样品（白纸、白棉布和白色伪装材料），从光

谱曲线间相似性、紫外图像直方图和灰度平均值对比相似度等方面，研究雪地伪装

材料的紫外检测技术，为雪地型伪装装备研制和伪装性能检测评价技术提供技术基

础。

地物的光谱曲线具有形状和幅度两个特征，不同的光谱曲线形状和幅度反映不同了

其特征以及相互间的差异。本文探索研究使用反映光谱幅度特征的欧氏距离、反映

光谱形状特征的光谱角余弦两个参数来进行检测和评价样品与雪地背景的伪装效果。

1）光谱角

光谱角分析技术可提供不同目标物质在成像光谱数据空间的谱特征差异，适用范围

广，可作为检测方法之一。光谱角是指以原点和高维空间点构成高维向量之间的夹

角a，通常采用两光谱矢量的广义夹角的余弦表示[4]：

式中：L为波长采样数；s值在0和1之间，值越接近1，R和T的匹配相似程度

越高。

2）光谱曲线间距离

计算测试光谱和参考光谱两种光谱数值之间的距离。常用的广义距离有：

明氏（Minkowski）距离表达式为：

欧氏（Euclidean）距离（q＝2）：

在实际应用中，测量并计算两种光谱曲线之间的广义距离，距离越大，差异越大。

为掌握雪地背景和不同反射率伪装材料的光谱反射特性，检验光谱曲线间相似性算

法，设计进行了紫外、可见光波段的光谱反射因数测量实验。

1.2.1仪器设备

主要考虑仪器设备的波谱范围、环境适应性及便携性等因素。由于属于野外冬季环

境的测试，仪器环境适应性应满足低温使用要求以及野外作业的便携性。选用海洋

光学公司USB2000+UV-VIS-ES光谱仪，图2给出了其外形照片和主要性能指标

参数。光谱测试系统包括光谱仪、便携式计算机、SpectralSuite光谱采集处理软

件和USB数据线。

1.2.2测试样品

雪地背景：选取11月份哈尔滨的陈雪（新雪后一周左右）。白纸（编号1#，下

同）：A4打印纸。白棉布（2#）：普通纯棉白布。伪装材料：四种（3#、4#、

5#、6#）不同紫外反射率的白色伪装样布（如图3所示），实验室反射率

350nm处测量值分别为90.34%、77.26%、66.00%和57.81%。

1.2.3测量方法及条件

目标在空间的反射率是目标在上半球空间的双向反射系数积分，用比对法测量目标

反射率，即双向反射系数R。通过测量被测物体在给定方向上的辐射通量dfr和漫

反射体在相同方向上的辐射通量dfr,id，以及利用计量标定的漫反射体双向反射系

数dfr,id，由下式计算：

式中：qi和ji分别为入射辐射方向的天顶角和方位角；jr和qr分别为探测器接收

方向的方位角和天顶角；dwr为接收探测器相对样品所张立体角；dfr(qi,ji,qr,jr;

dwr;l)为被测物体载方向(qr,jr)上的辐射通量(W)；dfr,id(qi,ji,qr,jr;dwr;l)为漫

反射体在相同照射情况下，在方向(qr,jr)上的辐射通量(W)；Rr,id(qi,ji;qr,jr;l)为

漫反射体的双向反射系数。

野外目标反射率的测量是一个需要综合考虑太阳高度角、太阳方位角等各种影响的

复杂过程。本文只进行了一定天顶角、方位角下单一光谱反射因数的测量。由式(4)

可得：

式中：rM和PM分别为目标的反射因数和反射光功率；PL为标准朗伯反射板反

射光功率；rL为已知的标准朗伯反射板反射因数。

本实验在哈尔滨（126°14′22²E,45°38′38²N）进行。根据经纬度，计算出太阳高

度角约为22°。光谱反射曲线采集时间是11月23日09:35～10:15，当天太阳日

出06:44:53，日中11:20:19，日落15:55:45，太阳方位角为146°～160°。测量

时，光谱仪方位和进行参照白板校正时的光谱仪方位一致。面向阳光，选择日光从

正前方照射，光谱仪探头距目标约13cm进行垂直测量。

1.2.4实验数据处理和分析

每个样品目标选取5个测点（消除背景和材料的不均匀性），每个测点读取10个

（降低随机误差）光谱数据，取50条光谱曲线均值。经标准白板按照光谱仪采集

的光谱数据波长，运用ENVI遥感图像处理平台中光谱分析处理工具来完成重采样。

由式(5)计算得到雪地背景和伪装材料的紫外、可见光光谱反射因数曲线如图4。

由于紫外光能量较弱，光谱仪在采集紫外（330～380nm）和可见光（380～

780nm）波段数据时，设置了不同的积分时间。根据式(1)和式(3)计算的欧氏距离

和光谱角余弦如表2所示。

可看出：1）在紫外波段330～380nm，样品1#白纸、样品2#白棉布与雪地的欧

式距离明显大于伪装材料样品3#、4#、5#和6#，说明其与雪地背景的光谱反射

特性差异较大；伪装材料中，样品4#与雪地背景的欧式距离最小，光谱角余弦值

也较大，说明与雪地背景的光谱反射特性较为接近，接近程度由高到低依次为样品

4#、3#、5#和6#。2）在可见光380～780nm波段，样品1#白纸和样品2#白

棉布在可见光波段范围内应是一条没有波峰的光滑曲线；在400～510nm之间样

品1#、2#出现小波峰，这是因为加入了荧光增白剂，增强了光谱蓝端的反射率，

使得反射出现高峰值，也导致样品1#、2#在可见光波段与雪地背景的欧式距离变

大；样品1#、2#与伪装材料样品3#、4#、5#和6#的欧式距离比紫外波段差距

减小，光谱反射角余弦也更接近伪装材料。

图像特征一般包括颜色、形状和纹理等，图像之间的相似性可通过这些特征来进行

评判。基于颜色直方图匹配的相似度是典型的计算方法。颜色直方图的相似性度量

一般通过直方图之间的距离度量，常见的有巴氏距离（Bhattacharyya

Distance）、欧氏距离（EuclideanDistance）、马氏距离（Mahalanobis

Distance）等[5]。

本实验拍摄的紫外照片内容是雪地背景下的白纸、白棉布和四种伪装材料样品，目

标和背景相对单一，故采用基于亮度特征的直方图巴氏距离相似度评估算法对目标

和雪地背景的相似度进行评判，且计算中采用目标和雪地背景的灰度平均值进行对

比。

1）基于直方图的巴氏距离

巴氏距离计算两幅图像的Bhattacharyya距离。在统计学中，巴氏距离用于测量

两离散概率分布，常在分类中测量类之间的可分离性，数值越大，两者之间越相似。

设雪地背景和目标样品的直方图分别为H1和H2，则两者之间的相似度[6]为：

2）图像灰度平均值对比

白色伪装材料样布和雪地背景均是单一的白色，两者在灰度上的相对差别即灰度值

对比可用来对所拍摄的紫外图像进行效果检测，计算公式为：

式中：Gc、Gb分别为白色伪装材料和雪地背景的灰度值；G为白色伪装材料和雪

地背景的灰度值之比。G值越小，说明在紫外图像上两者融合的越好，相似度越高。

2.2.1仪器设备

选用直耦式紫外数码相机，配备中心波长分别为340nm、352nm、365nm和

380nm，半波宽10±2nm的4种紫外滤光片（如图5所示），滤光片的性能参

数如表2所示。

2.2.2测量方法及条件

垂直拍摄，相机距离雪地背景及样品的垂直距离约为1.5m。紫外相机镜头为

25mm焦距，曝光参数：A档（光圈优先），光圈：5.6。

2.2.3实验图像及其数据分析

图6和图7分别给出1#～6#样品在雪地背景下的可见光和紫外（380nm滤光片）

图像。

为了分析光谱曲线的相似性与紫外图像相似度检测的关系，将光谱波段分为

320～360nm、332～372nm、345～385nm和360～400nm四个波段，表3

给出使用340nm、352nm、365nm、380nm四个中心波长滤光片的紫外图片的

相似度，表4给出光谱曲线的相似性。

人工判读图7，很明显，样品1#和2#不具有伪装性，样品3#、4#、5#、6#和雪

地背景很接近，具有一定的伪装性能。

从表3来看，样品1#、2#的欧式距离明显很大，说明其反射因数在数值上与雪地

背景差距较大；样品3#、4#、5#、6#的欧式距离较小，光谱角余弦值较大，说

明其与雪地背景的光谱反射因数在数值上很接近，在光谱曲线形状上也较接近，伪

装材料样品与原状雪地背景的相似性优劣排序为样品4#、3#、5#、6#。

从表4来看，样品1#、2#的巴氏距离明显小于其他4个样品，灰度平均值很大，

说明其在紫外图像中与雪地背景的相似度极低；样品3#、4#、5#、6#的灰度直

方图巴氏距离较大，灰度平均值对比度较小，说明其与雪地背景在紫外图像中很接

近，融合的较好，伪装材料样品与原状雪地背景的相似度优劣排序为样品4#、3#、

5#、6#。

论文探索了基于光谱曲线间相似性、基于紫外图像直方图和灰度平均对比度相似度

的伪装检测技术的可行性和有效性，4个滤光片紫外图像的相似度和对应四段波长

光谱曲线间的相似性检测与评价结果一致，说明材料与雪地背景的接近程度，即材

料的伪装性能可通过光谱曲线间的相似性和紫外图像的相似度进行检测和评价。光

谱曲线间可通过反映光谱的幅度特征欧氏距离、光谱的形状特征光谱角余弦值进行

评判；紫外图像的相似度问题可以通过灰度直方图、目标和雪地背景的灰度平均值

对比值进行比较和评判。

由于本实验是在野外进行，有诸多不可控的因素，今后的研究中应进一步选择太阳

在不同方位角、对伪装材料和不同的时间段的雪地背景进行光谱反射率测量；拍摄

紫外照片可考虑不同太阳方位角、以及俯视拍摄等多种工况，以期为紫外波段伪装

检测和评价提供更多可靠的数据和技术支撑。

感谢中国通用技术研究院崔志刚老师在紫外相机研制过程中给予的支持和帮助。

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