劉青松，謝曉方，曹 建，張龍杰

(海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉青松，謝曉方，曹 建，張龍杰

(海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001)

針對(duì)紅外制導(dǎo)炸彈ATR(Automatic Target Recognition)算法，設(shè)計(jì)了一種算法測試與演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用紅外視景仿真技術(shù)提供算法測試圖像序列，通過通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)圖像處理系統(tǒng)和評(píng)估軟件的通信，使用一套較為完善的指標(biāo)體系評(píng)估算法效果。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)紅外制導(dǎo)炸彈 ATR算法測試與評(píng)估提供了一種設(shè)計(jì)思路。

紅外制導(dǎo)炸彈;視景仿真技術(shù);自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別;測試與演示系統(tǒng)

在紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法的開發(fā)過程中，科學(xué)的分析ATR算法的性能，對(duì)于縮短算法研制周期，提高算法性能具有重要意義。

美國早在20世紀(jì)就開始了ATR系統(tǒng)評(píng)估的研究工作[1]，研制出了Auto-I，可以監(jiān)控并顯示ATR系統(tǒng)的性能指標(biāo)。加拿大研制的ATR Workbench可以直接用于SAR圖像ATR的開發(fā)研究[2]。我國ATR算法評(píng)估技術(shù)發(fā)展較晚，主要的研究機(jī)構(gòu)是國防科技大學(xué)和華中科技大學(xué)。華中科技大學(xué)的陳朝陽等開發(fā)了GESPATRS[3](general evaluation software for performance of ATR systems)，在通用軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)上取得較大進(jìn)展。張桂林等在測試平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行了嘗試，采用了DSP+FPGA的硬件結(jié)構(gòu)，能夠有效地提高數(shù)字圖像處理算法的處理速度。國防科大的莊釗文[4]對(duì)ATR多指標(biāo)綜合評(píng)估方法做了較為深入的研究，健全了國內(nèi)ATR算法評(píng)估理論體系，付強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于VC++6.0的“ATR評(píng)估軟件系統(tǒng)”[5]，對(duì)ATR算法的評(píng)估理論進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。

不同的ATR算法評(píng)估系統(tǒng)雖然具有通用性，但還是針對(duì)具體的評(píng)估對(duì)象，有一定的局限性。一套評(píng)估方法，一個(gè)評(píng)估軟件很難解決所有ATR算法的評(píng)估問題。目前，針對(duì)紅外制導(dǎo)炸彈的ATR算法評(píng)估系統(tǒng)少見報(bào)導(dǎo)。

本文重點(diǎn)針對(duì)紅外制導(dǎo)炸彈的ATR算法的評(píng)估問題，結(jié)合紅外視景仿真技術(shù)和ATR算法評(píng)估方法，確定了紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與演示系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)采用紅外視景仿真軟件提供算法測試圖像序列，通過通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)圖像處理系統(tǒng)和評(píng)估軟件的通信，使用一套較為完善的指標(biāo)體系評(píng)估算法效果。該系統(tǒng)為紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與評(píng)估的具體工程實(shí)踐提供了一種設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)功能分析

紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與演示系統(tǒng)具備以下功能：

1) 能夠仿真紅外目標(biāo)特性。

2) 能夠仿真紅外制導(dǎo)炸彈的導(dǎo)引頭特性，包括導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)性能和探測器噪聲。

3) 能夠仿真紅外戰(zhàn)場背景。

4) 能夠通過軟件界面錄入用戶不同的仿真條件，根據(jù)不同的條件進(jìn)行紅外視景仿真。

5) 能夠通過軟件界面錄入用戶不同的評(píng)估目的和評(píng)估指標(biāo)，創(chuàng)建評(píng)估工程。

6) 能夠利用紅外仿真生成的圖像序列對(duì)相關(guān)ATR算法進(jìn)行測試，給出評(píng)估指標(biāo)。

7) 能夠?qū)υu(píng)估指標(biāo)進(jìn)行綜合，得出ATR算法的綜合評(píng)估指標(biāo)。

8) 具有一定通用性，能夠?qū)δ壳爸髁鞯腁TR算法進(jìn)行測試。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與演示系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為集成演示驗(yàn)證系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，二者用網(wǎng)線相連，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。集成演示驗(yàn)證系統(tǒng)能夠仿真紅外虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，并對(duì)ATR算法進(jìn)行實(shí)時(shí)演示評(píng)估。圖像處理系統(tǒng)中的ATR模塊能夠加載不同的ATR算法，把計(jì)算結(jié)果傳給集成演示驗(yàn)證系統(tǒng)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與演示系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中集成演示驗(yàn)證系統(tǒng)主要分為視景仿真模塊、ATR評(píng)估模塊和人機(jī)交互模塊。圖像處理系統(tǒng)內(nèi)含ATR模塊。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

2.3 模塊交互關(guān)系

為了清晰地描述系統(tǒng)各個(gè)模塊的交互關(guān)系，畫出了系統(tǒng)的時(shí)序圖，如圖3所示。

首先用戶通過人機(jī)交互模塊設(shè)置評(píng)估目的、選取評(píng)估參數(shù)、確定評(píng)估方法以及設(shè)置仿真參數(shù)，然后創(chuàng)建ATR評(píng)估線程實(shí)例，之后根據(jù)仿真參數(shù)創(chuàng)建仿真線程實(shí)例。激活A(yù)TR線程，開始測試。在ATR線程、ATR評(píng)估線程和視景仿真線程均準(zhǔn)備就緒時(shí)，視景仿真線程開始向ATR線程逐幀傳輸圖像信息，ATR評(píng)估線程逐幀計(jì)算評(píng)估結(jié)果，待所有圖像幀計(jì)算完畢后，ATR評(píng)估線程向人際交互模塊傳遞評(píng)估數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化顯示。

圖3 時(shí)序圖

3 軟件開發(fā)工具和環(huán)境

常用的視景仿真軟件有OpenGL，OSG，Vega Prime等。本研究選擇的仿真工具是Vega Prime，因?yàn)槠淠K化程度高，功能強(qiáng)大，可以縮短程序的開發(fā)周期；并且Vega Prime支持和OpenGL的混合編程，所以仿真的靈活性能夠得到保證。與Vega Prime配套的3D建模軟件是Multigen公司出品的Creator軟件，在三維建模方面有十分出色的表現(xiàn)。

在對(duì)ATR算法進(jìn)行測試的過程中，首先需要實(shí)現(xiàn)不同的ATR算法，而實(shí)際工作中，測試軟件并不關(guān)心ATR算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。對(duì)于這一問題，一個(gè)可行的方法是在成熟視覺函數(shù)庫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)ATR算法。這樣既可以縮短軟件的開發(fā)周期，又可以把主要精力放在系統(tǒng)的搭建和算法評(píng)估上。本文選擇OpenCV作為ATR算法的開發(fā)函數(shù)庫，OpenCV是一個(gè)基于BSD許可發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫，可以運(yùn)行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它由一系列C函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法。

本文選擇的軟件開發(fā)工具有Vega Prime4.1，Mulitgen Creator3.4，OpenCV3.0。和上述軟件兼容的集成開發(fā)環(huán)境是Microsoft VS2005，操作系統(tǒng)是Windows7系列。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 視景仿真影響因素的確定

視景仿真模塊的核心功能在于能夠根據(jù)不同的影響因素生成不同的動(dòng)態(tài)紅外仿真場景并用于紅外ATR算法的測試。針對(duì)紅外制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)特點(diǎn)，本文確定了4大類影響因素，具體分類情況如圖4所示。

圖4 影響因素分類

4.1.1 環(huán)境影響因素

環(huán)境影響因素包括天氣條件和地形地貌。其中天氣條件可以選擇雨天、陰天、多云、雪天；地形地貌可以選擇海洋、海港、近海陸地等。

4.1.2 目標(biāo)影響因素

目標(biāo)影響因素包括目標(biāo)的個(gè)數(shù)、距離、亮度、面積、種類、型號(hào)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡、目標(biāo)層疊和虛假目標(biāo)等。其中，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為曲線和直線；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為靜止、緩動(dòng)和機(jī)動(dòng)。目標(biāo)層疊是指目標(biāo)之間存在的相互遮擋的情況。虛假目標(biāo)主要是指紅外干擾彈。目前紅外干擾彈對(duì)紅外制導(dǎo)武器的命中精度有很大的影響。可以通過設(shè)定干擾彈的數(shù)量、大小、運(yùn)動(dòng)軌跡和灰度來模擬不同的干擾情況。

4.1.3 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)影響因素

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)影響因素主要指紅外制導(dǎo)炸彈的攻擊彈道和平臺(tái)抖動(dòng)。根據(jù)不同的彈道，目標(biāo)大小的變化率，場景的灰度變化率都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而直接影響ATR算法的效果。平臺(tái)抖動(dòng)是指仿真制導(dǎo)炸彈在飛行過程中出現(xiàn)的抖動(dòng)現(xiàn)象，具體可分為周期性抖動(dòng)和隨機(jī)性抖動(dòng)。通過對(duì)平臺(tái)抖動(dòng)的仿真，可以對(duì)ATR算法在平臺(tái)抖動(dòng)下準(zhǔn)確度和精度進(jìn)行評(píng)估。

4.1.4 探測器影響因素

探測器影響因素將主要包括視場角、分辨率、噪聲水平、噪聲種類。探測器的性能直接影響輸出圖像序列的品質(zhì)，從而對(duì)ATR算法的評(píng)估也有較大的影響。

4.2 ATR評(píng)估指標(biāo)的確定

指標(biāo)的定義是開展評(píng)估工作的基礎(chǔ)。ATR評(píng)估中存在不同種類的指標(biāo)，各類指標(biāo)反映了評(píng)估對(duì)象特性的不同側(cè)面。例如檢測概率反映了ATR算法的檢測能力，單幀計(jì)算時(shí)間反映了ATR算法的實(shí)時(shí)性能。ATR評(píng)估指標(biāo)一般可以分為性能指標(biāo)和代價(jià)指標(biāo)兩大類[6-7]。具體的分類情況如圖5所示。在具體的工程應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的評(píng)估目的，選擇不同的評(píng)估指標(biāo)。

圖5 ATR評(píng)估指標(biāo)分類

4.3 ATR算法評(píng)估方法的確定

按照評(píng)估的層次，可以將評(píng)估算法分為兩大類[8]，具體的劃分情況如圖6所示。

圖6 ATR評(píng)估方法分類圖

單指標(biāo)評(píng)估算法主要針對(duì)ATR算法某一方面的能力進(jìn)行評(píng)估，而多指標(biāo)的綜合評(píng)估算法能更加全面地反映ATR算法的性能。但是多指標(biāo)的評(píng)估算法的計(jì)算較為復(fù)雜。在具體的評(píng)估過程中，可以根據(jù)評(píng)估的階段和目的選擇不同的評(píng)估方法。

4.4 信息交互設(shè)計(jì)

在評(píng)估ATR算法的過程中，算法被當(dāng)作“黑盒”看待。評(píng)估軟件并不關(guān)心ATR算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要ATR模塊提供計(jì)算結(jié)果，例如“目標(biāo)識(shí)別種類”、“目標(biāo)的位置坐標(biāo)”等信息，評(píng)估軟件根據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算出評(píng)估指標(biāo)，再根據(jù)評(píng)估模型得出評(píng)估結(jié)果。

同樣，從ATR算法的角度看，在實(shí)現(xiàn)算法的過程中，也不需要了解評(píng)估軟件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只要評(píng)估軟件能夠提供ATR算法所需的圖像信息便可。

因此，在ATR算法和評(píng)估軟件之間，需要定義標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不針對(duì)特定的ATR算法，而是具有一定的通用性，能夠滿足目前主流ATR算法的測試要求。具體的通信步驟如表1所示。

表1 通信步驟

5 結(jié)論

針對(duì)紅外制導(dǎo)炸彈的ATR算法的評(píng)估問題，設(shè)計(jì)了紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與演示系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，理順了各模塊的工作時(shí)序，明確了視景仿真中需要考慮的4大類影響因素，列出了紅外ATR算法評(píng)估的指標(biāo)體系和評(píng)估方法，建立了評(píng)估軟件和ATR模塊間的通信步驟。該系統(tǒng)為紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與評(píng)估的具體工程實(shí)現(xiàn)提供了一種設(shè)計(jì)思路。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Design of ATR Algorithm Test and Demonstration System for Infrared Guided Bomb

LIU Qing-song, XIE Xiao-fang, CAO Jian, ZHANG Long-jie

(Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Aiming at infrared guided bomb ATR algorithm, an algorithm test and demonstration system was designed. The system used infrared scene simulation technology to provide the image sequence to test the algorithm and used communication protocol to realize the communication of image processing system and evaluation software, while using a set of index system to evaluate the effectiveness of the algorithm. The system provides a design method for the testing and evaluation of the ATR algorithm of the infrared guided bomb.

infrared guided bomb; visual simulation technology; automatic target recognition; test and demonstration system

2016-06-29；

2016-07-20

劉青松(1992—)，男，碩士，主要從事半實(shí)物仿真研究。

10.11809/scbgxb2016.10.012

劉青松，謝曉方，曹建，等.紅外制導(dǎo)炸彈ATR算法測試與演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(10):56-60.

format:LIU Qing-song, XIE Xiao-fang, CAO Jian, et al.Design of ATR Algorithm Test and Demonstration System for Infrared Guided Bomb[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):56-60.

TP391;TJ414

A

2096-2304(2016)10-0056-05