許德海，魏學(xué)明，彭 垚，繆 康，任明藝

基于非完備字典的艦船特征提取和識別

許德海，魏學(xué)明，彭 垚，繆 康，任明藝

（四川長虹電子科技有限公司，四川 綿陽 621000）

提出了一種基于非完備特征字典的艦船特征提取和識別算法。借鑒稀疏表示理論的思想，根據(jù)紅外圖像中艦船的外形特征數(shù)據(jù)集構(gòu)造特征字典，將目標(biāo)信號進(jìn)行分解，根據(jù)匹配字典中每個特征基原子得到特征響應(yīng)，從而獲得目標(biāo)的特征表示，最后采用SVM一對一投票方法進(jìn)行目標(biāo)識別，得到最終的目標(biāo)識別結(jié)果。仿真實(shí)驗表明，與簡單的標(biāo)量區(qū)域描述方法和矩特征方法相比，本文方法得到的特征不僅具備更快的提取速度，而且可以更好地區(qū)分目標(biāo)，提高目標(biāo)識別的正確率。

艦船目標(biāo)；稀疏表示；特征提??；目標(biāo)識別

0 引言

基于紅外圖像的海上艦船目標(biāo)識別是通過對紅外圖像中最佳目標(biāo)特征參數(shù)實(shí)施選擇和提取，然后依據(jù)提取出來的參數(shù)進(jìn)行判別，最后根據(jù)判別結(jié)果識別出目標(biāo)的一種技術(shù)?？蓮V泛用于海洋戰(zhàn)場上的警戒、監(jiān)視、情報獲取以及戰(zhàn)斗破壞評估。

經(jīng)過多年的研究，國外的海上紅外艦船目標(biāo)識別技術(shù)得到迅速的發(fā)展，并逐步走向成熟而得到廣泛應(yīng)用。如J. S. Desilva[1]通過提取紅外艦船目標(biāo)的七個Hu矩特征，然后用近鄰分類器實(shí)現(xiàn)艦船目標(biāo)自動識別；P. Withagen[2]采用艦船目標(biāo)的輻射、位置和形狀以及矩不變特征，然后采用馬氏距離和近臨度量進(jìn)行特征分析提取，最后利用線性分類器、近距分類器以及二次非線性分類器進(jìn)行綜合決策識別六大類艦船；Y. Lin, B. Bhanu等人[3]的文章中提到林肯實(shí)驗室用于進(jìn)行目標(biāo)鑒別所使用的14個特征，對目標(biāo)的表征得到很好的效果；J. Alves[4]通過提取紅外艦船目標(biāo)的邊緣直方圖，利用邊緣直方圖特征與矩特征結(jié)合，最后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行艦船目標(biāo)識別。

目前國際上用于海上紅外艦船目標(biāo)的識別算法主要有：相關(guān)法、決策樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與SVM（支持向量機(jī)）等。由于提取的艦船目標(biāo)特征有效與否直接影響分類識別結(jié)果的正確率，因此對目標(biāo)特征提取算法的研究和改進(jìn)至關(guān)重要。常用的艦船目標(biāo)特征主要有：簡單的標(biāo)量區(qū)域描述，如細(xì)長度，復(fù)雜度，緊致度，離心率等；矩特征，如Hu矩特征[5]，仿射不變特征[6]；傅里葉形狀描述子[7]等。簡單的標(biāo)量區(qū)域描述對物體形狀的描述較為粗糙，Hu矩雖然具有平移、旋轉(zhuǎn)、縮放不變性但用于識別時，識別率較低；仿射不變矩具有仿射不變性，相對于Hu矩識別精度有所提高，但識別率仍舊很低；傅里葉描述子用于識別，雖然效果較好，但計算復(fù)雜。

為了解決提取的艦船目標(biāo)特征不能充分表征目標(biāo)造成識別精度低的問題，本文提出了一種基于非完備字典的艦船特征提取算法，通過設(shè)計一組特征基用來表征艦船的外形特征，將這些特征基原子制作成非完備字典，進(jìn)行特征匹配，將匹配得到的特征響應(yīng)作為特征向量，用于進(jìn)行訓(xùn)練和識別。從而提高了海面艦船目標(biāo)識別的正確率與魯棒性。

1 艦船目標(biāo)特征提取及識別

本算法首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，得到艦船目標(biāo)二值圖像，然后構(gòu)建艦船非完備特征字典，用非完備特征字典計算得到目標(biāo)的特征響應(yīng)作為特征向量，將訓(xùn)練樣本特征向量進(jìn)行SVM訓(xùn)練，最后將待識別樣本特征向量進(jìn)行SVM識別得到識別結(jié)果。算法流程圖如圖1所示。

圖1 算法流程圖

1.1 圖像預(yù)處理

紅外圖像原始數(shù)據(jù)一般是16 bit或14bit，為了便于數(shù)據(jù)的處理和顯示，需要先將數(shù)據(jù)線性映射到0～255灰度區(qū)間范圍內(nèi)。艦船目標(biāo)一般出現(xiàn)在海天線的附近，因而檢測海天線對艦船目標(biāo)的提取至關(guān)重要。圖像預(yù)處理過程中首先使用基于模糊判定的海天線檢測算法，提取出海天線附近的目標(biāo)潛在區(qū)域圖像[8]。然后在海天線附近圖像區(qū)域使用基于梯度融合的艦船目標(biāo)檢測算法找到海面艦船目標(biāo)的ROI區(qū)域，然后在ROI區(qū)域內(nèi)對海面艦船目標(biāo)進(jìn)行分割[9-10]，從而獲得目標(biāo)的二值圖像。艦船的二值圖像中包含艦船的外形信息，可用于提取特征進(jìn)行識別。

1.2 非完備字典的構(gòu)建

稀疏表示理論認(rèn)為，假定信號?R可以由字典＝[1,2,…,d]?R×(＞)線性表示為：

＝(1)

式中：＝[1,2,…,]T?R，表示信號在字典下的分解系數(shù)。

稀疏表示具有2個重要性質(zhì)：過完備性和稀疏性。過完備性指字典中基原子個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的維數(shù)即?。信號的稀疏性通常用非零系數(shù)的個數(shù)來定義。稀疏表示的關(guān)鍵問題就是如何選取基原子設(shè)計有效的過完備字典。

稀疏表示模型符合生物視覺特性，能夠提取到高級特征[10]，因此可以作為目標(biāo)識別的依據(jù)。但是，由于在構(gòu)建字典時，多使用小波、Ridgelet[12]、Curvelet[13]、Bandelet[14]、Contourlet[15]等方法，使得基原子數(shù)目過多，在用于目標(biāo)識別時極大地影響特征提取速度與目標(biāo)識別速度。

考慮到在目標(biāo)識別時，可以只根據(jù)目標(biāo)的大致輪廓推斷出目標(biāo)的類別，而目標(biāo)的主要形狀特征可以由少量的基原子表示，因此在提取目標(biāo)特征時，可以使用包含目標(biāo)主要特征基原子的特征字典。本文設(shè)計一組少量的特征基原子構(gòu)造非完備字典，用來提取目標(biāo)特征。相較于過完備字典，本文提出的非完備字典具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢：

1）特征提取速度快，在稀疏表示理論中過完備字典中的基原子一般有104～108個，無論是使用MP算法、OMP算法，還是一些其他類型信號分解的算法，計算消耗的時間隨著基原子個數(shù)的增加而增加，降低了艦船特征的提取速度；

2）非完備字典已經(jīng)能夠充分地表示艦船外形的主要特征，在艦船識別時可以得到較高的識別率，滿足識別率的要求。

構(gòu)建的特征基原子應(yīng)該具有典型性、獨(dú)特性，選取的特征基原子能夠反映艦船的主要外形特征。通過觀察各類艦船目標(biāo)的外形信息可以發(fā)現(xiàn)：

1）通過艦船外形完全可以區(qū)分艦船的種類；

2）艦船由船頭、船身、船尾組成，不同類型艦船的船頭、船身和船尾的外形各不相同；

3）船頭和船尾只在提取到的艦船二值圖像的左側(cè)和右側(cè)1/4處或者是右側(cè)和左側(cè)1/4處，船身在艦船二值圖像的中間部分，如圖2所示。

由上述分析可知，所設(shè)計的特征基原子應(yīng)按照艦船各部分出現(xiàn)的位置分成船頭船尾和船身2個區(qū)域，船頭船尾區(qū)域根據(jù)艦船船頭船尾設(shè)計不同幾何形狀的特征基原子，一般根據(jù)船身的寬度設(shè)計不同的船身寬度的特征基原子。本文設(shè)計了3種特征基原子用于表征船頭，每種又左右對稱共6個特征基原子，3種特征基原子表征船身。由基原子的種類個數(shù)可以推斷出，上述特征基原子所組成的非完備字典可以表征9種以上不同類型的艦船，各種特征基原子如圖3所示。

圖2 艦船各部分出現(xiàn)在圖像中的區(qū)域位置

圖3 設(shè)計的9個特征基原子

式中：║×║表示矢量范數(shù)。

最后將歸一化后的特征基原子組成字典f：

1.3 艦船特征提取

船只的特征提取采用基于貪婪思想的OMP算法[16-17]，OMP算法遞歸地對原子的集合進(jìn)行正交化，很好的解決了基于純貪婪思想的MP算法[18-20]存在的缺陷。OMP算法的具體步驟如下：

2）如果║(i)║＜或者＝10則停止迭代，否則執(zhí)行步驟3）。

5）在已經(jīng)選擇的原子張成的空間中，計算特征響應(yīng)系數(shù)：

6）更新殘差和迭代次數(shù)：

令＝＋1，返回步驟2）。

使用上述OMP算法可以將圖像信號投影到非完備特征字典f上得到特征響應(yīng)，其中＝[1,2,…,9]。

響應(yīng)值表示圖像的形狀特征與對應(yīng)特征基原子的匹配度。因此可以使用作為艦船目標(biāo)的特征向量用于訓(xùn)練與識別。

1.4 艦船分類識別

在完成海面艦船檢測和特征提取之后，必須進(jìn)行目標(biāo)識別以判定艦船類型，從而進(jìn)行威脅性和破壞性評估。支持向量機(jī)以結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小為準(zhǔn)則，推廣能力較好，在解決小樣本、非線性和高維模式識別問題時具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因而本文采用支持向量機(jī)方法對?？占t外目標(biāo)進(jìn)行識別[21-23]。

采用Lagrange乘子對SVM分類問題進(jìn)行求解，可將其轉(zhuǎn)化為如下形式：

式中：為樣本的特征向量；y?{＋1,－1}為樣本標(biāo)記類別；{}為Lagrange乘子；表示核函數(shù)；為給定的常數(shù)，用于處理離群值。

首先采集各種類別的艦船樣本，分別計算個樣本的特征響應(yīng)，組成特征向量，選擇高斯核函數(shù)，然后求解式(8)，即可得到分辨兩類樣本的分類器參數(shù)。

為解決多分類問題，采用一對一投票法[24]，即假定要區(qū)分個類別，分別構(gòu)造所有可能的兩類支持向量機(jī)子分類器。在構(gòu)造針對、兩類的子分類器時，從訓(xùn)練樣本集中選取所有屬于這兩類的樣本作為訓(xùn)練樣本，并將屬于類別的樣本標(biāo)記為正，將屬于類別樣本的樣本標(biāo)記為負(fù)。因此共需構(gòu)造(－1)/2個子分類器。在完成(－1)/2個子分類器的訓(xùn)練后，輸入待識別的艦船特征響應(yīng)數(shù)據(jù)，將其用子分類器識別，如果子分類器將其識別為第類，則給類投一票，即

v＝v＋1 (8)

式中：v表示第類的計數(shù)器。

最后統(tǒng)計所有類別的得票數(shù)，得票數(shù)最多的類即為待識別艦船所屬的類別。

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

對同樣一組樣本用本文提取到的特征分別和同時使用7個Hu矩特征、4個仿射不變特征、緊致度、細(xì)長度等特征組成的特征向量進(jìn)行訓(xùn)練識別，分別記錄使用不同特征提取方法的識別正確率。

實(shí)驗中本算法使用的各特征基原子尺寸均為40×120，將特征基原子歸一化后組成非完備特征字典。為解決目標(biāo)的縮放問題，采用雙線性插值的方法將艦船目標(biāo)二值圖像樣本縮放到和特征基原子同樣大小，最后使用OMP算法計算得到待訓(xùn)練樣本和待識別樣本的特征響應(yīng)值。

使用同樣的一組樣本提取其7個Hu矩特征、4個仿射不變特征、緊致度、細(xì)長度等14個特征組成特征向量用于訓(xùn)練和識別。

實(shí)驗數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)為煙臺黃海，在不同時間段、不同天氣狀況下采集海面艦船紅外圖像，實(shí)驗所用的目標(biāo)類型分為客船、貨輪、海監(jiān)船、漁船4類。

從每類數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選20個作為訓(xùn)練樣本，分別計算特征響應(yīng)值，然后使用特征響應(yīng)值組成的特征向量對支持向量機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。由于目標(biāo)共分為4類，因而在采用一對一投票多分類的方法情況下，總共需要訓(xùn)練12個支持向量機(jī)子分類器。

將剩余的紅外目標(biāo)數(shù)據(jù)作為測試樣本，分別計算其特征響應(yīng)，將其代入各個支持向量機(jī)子分類器的分類函數(shù)進(jìn)行判決，通過投票的方式即可得到測試樣本的類型，完成目標(biāo)識別。由于測試樣本的真實(shí)類別已知，因而可獲取目標(biāo)識別的正確率。

本算法提取特征統(tǒng)計得到的識別率如表1所示。

表1 本文算法識別正確率

使用Hu矩特征，緊致度，復(fù)雜度和長寬比等特征組成特征向量進(jìn)行識別統(tǒng)計得到的識別率如表2所示。

表2 基于矩和簡單標(biāo)量區(qū)域特征的識別正確率

對比表1和表2可以看出，雖然本文所設(shè)計的基于非完備字典的特征提取方法所得的特征向量維數(shù)少，但識別率反而更高。因此，本文算法能夠有效地對艦船目標(biāo)特征進(jìn)行描述，同時由于向量維數(shù)少，在特征提取時速度更快。

3 結(jié)論

針對目標(biāo)艦船特征描述不夠充分導(dǎo)致識別正確率較低的問題，依據(jù)稀疏表示理論，通過對艦船目標(biāo)形狀特征的分析，提出一種基于非完備特征字典的艦船目標(biāo)特征提取方法，并用于艦船目標(biāo)識別。實(shí)驗結(jié)果表明，使用本算法提取到的目標(biāo)特征用于識別，識別精度高、特征表述更充分；同時，由于本算法使用非完備字典，從而大幅度減少了字典中的原子數(shù)目，降低了匹配的復(fù)雜度，使得特征提取速度更快。下一步的研究工作，考慮在此方法的基礎(chǔ)上設(shè)計描述細(xì)節(jié)特征的原子，進(jìn)一步識別艦船目標(biāo)的具體型號。

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Feature Extraction and Recognition of Ships by an Uncompleted Dictionary

XU Dehai，WEI Xueming，PENG Yao，MIAO Kang，REN Mingyi

(,,621000,)

This paper presents a novel approach of extracting ships feature by an uncompleted dictionary. First, we refer to the thought of sparse representation, and the uncompleted dictionary is constructed in terms of various ships shape in infrared images. Furthermore, using orthogonal matching pursuit algorithm to decompose the ship target signal, we obtain a ship response that describes the target feature. Finally, the classification result is decided by voting strategy. The results of experimentation indicate that the proposed approach has better performance than moments feature, compactness, rectangularity and so on.

infrared image，image processing，feature extraction，pattern recognition

TN911.73

A

1001-8891(2016)09-0765-05

2016-01-06；

2016-03-02.

許德海（1992-），男，黑龍江省鶴崗市人，本科，從事數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺。