何景峰++冀敏+李盛+肖儒亮

摘 要： 在使用電視制導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)的攻擊過(guò)程中，對(duì)目標(biāo)圖像的分割處理直接影響到攻擊效果。因此，選擇一種合適的圖像分割方法，確保目標(biāo)圖像處理質(zhì)量高、速度快、實(shí)時(shí)性好，顯得尤其重要。將遺傳算法的快速尋優(yōu)原理和類間方差法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)對(duì)類間方差法進(jìn)行改進(jìn)，并在模擬平臺(tái)上進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的類間方差法處理效果好且計(jì)算速度快，該算法是有效的。

關(guān)鍵詞： 圖像分割處理； 電視制導(dǎo)導(dǎo)彈； 類間方差法； 遺傳算法

中圖分類號(hào)： TN911.73?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0040?03

Improvement and research on target image processing for TV?guided missile

HE Jingfeng， JI Min， LI Sheng， XIAO Ruliang

（College of Control Engineering， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract： In the attack process of TV?guided missile against a target， the segmentation processing of the target image affects on the attack effect directly. Therefore， it is particularly important to select a suitable image segmentation method to ensure the high?quality and fast?speed target image processing with perfect real?time performance. A method combining the advantages of the fast optimization principle of the genetic algorithm and the Otsu method is proposed to improve the Otsu method. The method was simulated on the simulation platform. The simulation results show that the improved Otsu method has perfect processing effect and fast computation speed.

Keywords： image segmentation processing； TV?guided missile； Otsu； genetic algorithm

0 引 言

電視制導(dǎo)是利用電視來(lái)控制和導(dǎo)引導(dǎo)彈飛向目標(biāo)的技術(shù)。電視制導(dǎo)系統(tǒng)由電視攝像機(jī)、自動(dòng)駕駛儀、電視發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、圖像信息處理系統(tǒng)、跟蹤伺服系統(tǒng)等組成。電視制導(dǎo)有兩種方式：一種是電視指令制導(dǎo)，這種方式是安裝在導(dǎo)引頭上的攝像機(jī)捕捉目標(biāo)圖像進(jìn)行處理后，發(fā)送給操作人員，由操作人員根據(jù)捕捉到的圖像信號(hào)選取攻擊目標(biāo)，用無(wú)線指令控制導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊。另一種是電視尋的制導(dǎo)，這種方式是將攝像機(jī)所捕捉的圖像信號(hào)處理后，直接發(fā)送給制導(dǎo)裝置，引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)。電視制導(dǎo)導(dǎo)彈具有靈活機(jī)動(dòng)、反應(yīng)迅速，不受地域影響的特點(diǎn)，在空對(duì)地攻擊中得到廣泛使用。電視制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)截獲跟蹤能力主要取決于彈載計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)圖像分割質(zhì)量和解算識(shí)別的速度。然而彈載計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的解算速度主要由兩個(gè)因素決定：一是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身的計(jì)算速度；二是對(duì)目標(biāo)圖像的分割算法。因此，為了在空戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，有必要針對(duì)彈載計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)圖像的分割算法進(jìn)行研究。

1 圖像分割研究現(xiàn)狀

目前圖像分割的方法很多，常用的分割方法有邊緣檢測(cè)型、區(qū)域跟蹤型和門限型三類[1]。門限型具有簡(jiǎn)單有效、計(jì)算簡(jiǎn)單、速度快等特點(diǎn)，是圖像處理中首選的一種方法。為了研究電視制導(dǎo)導(dǎo)彈圖像分割算法，本文將遺傳算法并行搜索和全局尋優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到門限型圖像分割質(zhì)量好的類間方差法（Otsu）中。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)對(duì)Otsu進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)尋求最優(yōu)門限值的速度，切實(shí)提高圖像分割效率。

2 Otsu的改進(jìn)

2.1 門限型圖像分割法原理

設(shè)電視制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭捕獲的圖像的灰度級(jí)范圍為作為一門限值，為一對(duì)二值灰度，且門限的設(shè)置可由圖像得到一幅二值圖像即：

2.3 Otsu的改進(jìn)過(guò)程

由于電視制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭拍攝的圖像中目標(biāo)所占的比例很小，目標(biāo)的灰度信息不足以影響整幅圖像中的灰度信息。如果要將目標(biāo)信息從背景圖像中區(qū)分開(kāi)，當(dāng)目標(biāo)圖像在整幅圖像中占據(jù)一定比例時(shí)，可以使用Otsu進(jìn)行圖像處理，使用Otsu法進(jìn)行圖像處理，需要一個(gè)最優(yōu)的門限值確保類間方差函數(shù)的值最大。圖像分割質(zhì)量的好壞和圖像處理的速度直接取決于門限值的選擇是否最優(yōu)。在電視制導(dǎo)導(dǎo)彈中，既要得到清晰的圖像處理結(jié)果又要考慮實(shí)時(shí)性問(wèn)題，畢竟這兩個(gè)指標(biāo)都關(guān)乎著對(duì)目標(biāo)的跟蹤攻擊效果。因此，對(duì)最優(yōu)門限值的算法選擇很重要，傳統(tǒng)的尋優(yōu)方法步驟多，運(yùn)算量大，考慮到遺傳算法可以在全局范圍內(nèi)搜索且自動(dòng)篩選門限值，大大縮短了時(shí)間。為了同時(shí)兼顧以上指標(biāo)，在Otsu算法中引入遺傳算法中的尋優(yōu)原理，確定最佳搜索空間，尋找最優(yōu)門限值

遺傳算法是由美國(guó)的J.Holland教授于1975年首先提出[4]，它是通過(guò)對(duì)目標(biāo)空間進(jìn)行隨機(jī)搜索的一種全局搜索算法。這種算法的基本思想是模擬自然選擇和遺傳學(xué)理論，依據(jù)適者生存的原理。遺傳算法也是計(jì)算機(jī)科學(xué)人工智能領(lǐng)域中用于解決最優(yōu)化的一種搜索啟發(fā)式算法，是進(jìn)化算法的一種[5]。

Otsu算法的解算就是選擇最優(yōu)門限值，使目標(biāo)灰度和背景灰度的方差值最大，實(shí)現(xiàn)背景圖像和目標(biāo)圖像的切割，但是該方法對(duì)計(jì)算機(jī)的速度影響大。考慮到遺傳算法可以在全局中進(jìn)行搜索，對(duì)門限值進(jìn)行智能化篩選，因此將遺傳算法的搜索原理引入類間方差法，從而達(dá)到對(duì)Otsu算法的改進(jìn)，既滿足了圖像分割效果，同時(shí)也縮短了圖像處理時(shí)間，以滿足電視制導(dǎo)導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的要求。

在遺傳算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)Otsu圖像分割的步驟如下：

第一步：確定決策變量及其各種約束條件，即確定出個(gè)體的表現(xiàn)型和問(wèn)題的解空間[6]。決策變量是要求的最優(yōu)門限值因?yàn)殡娨曋茖?dǎo)導(dǎo)彈捕捉到的圖像灰度值范圍為0～255，因此，最優(yōu)門限值為該范圍內(nèi)的整型值。

第二步：確定適應(yīng)度函數(shù)。類間方差法中背景圖像與目標(biāo)圖像間的方差比例與分割的準(zhǔn)確度成正比。適應(yīng)度函數(shù)值越大，說(shuō)明圖像的前景和背景的差別就越大，分割效果越好[7]。故可采用圖像對(duì)應(yīng)的類間方差計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)定[8]。適應(yīng)度函數(shù)為：

（12）

第三步：選擇操作。選擇操作采用比例選擇算子。

第四步：交叉操作。選擇概率為0.8的單點(diǎn)交叉算子。

第五步：變異操作。選擇概率為0.008的均勻變異算子。

第六步：設(shè)定運(yùn)行參數(shù)和結(jié)束條件。運(yùn)算中兼顧圖像分割效果和圖像處理速度，入口數(shù)和進(jìn)化代數(shù)分別設(shè)定為10，20。代數(shù)上限被設(shè)定為結(jié)束條件，到達(dá)代數(shù)上限則停止運(yùn)算。

在遺傳算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的Otsu算法流程圖如圖1所示。

3 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證遺傳算法對(duì)Otsu法的改進(jìn)效果，在電視制導(dǎo)導(dǎo)彈地面模擬訓(xùn)練平臺(tái)上使用改進(jìn)的類間方差法進(jìn)行圖像處理實(shí)驗(yàn)。圖2，圖3分別是拍攝的原始圖像和改進(jìn)Otsu類間方差法分割的目標(biāo)圖像。

從圖2，圖3的圖像分割對(duì)比圖中可以看出，應(yīng)用改進(jìn)的Otsu法處理后，分割效果好，目標(biāo)特征清晰，改進(jìn)的類間方差法的處理結(jié)果既滿足電視制導(dǎo)導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)對(duì)圖像分解的需要，同時(shí)也兼顧了彈載計(jì)算機(jī)對(duì)圖像處理速度的要求。

4 結(jié) 論

本文對(duì)Otsu算法進(jìn)行改進(jìn)，以上仿真結(jié)果表明，結(jié)合遺傳算法改進(jìn)的Otsu法應(yīng)用在電視制導(dǎo)導(dǎo)彈中進(jìn)行圖像處理，速度快、圖像清晰、分割效果好、實(shí)時(shí)性好，改善了電視制導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)識(shí)別、跟蹤精度的要求，為電視制導(dǎo)導(dǎo)彈的研究提供了一種很好的方法。

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