数码迷彩立体动态成像算法研究

武国晶,吕绪良,许卫东,李凌,翁枭迪

(解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007)

数码迷彩立体动态成像算法研究

武国晶,吕绪良,许卫东,李凌,翁枭迪

(解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007)

现有数码迷彩图案的平面性和固定不变性使之难以对抗未来高技术的侦察监测,针对这个问题,提出了一种基于柱透镜光栅的数码迷彩立体动态成像算法。该算法充分考虑人双目立体成像的生理特征和柱透镜光栅分光分像的光学特性,阐述数码迷彩立体动态化的可行性。在此基础上,推导出迷彩立体动态成像的视差设计原理并根据背景深度信息将数码迷彩图像分为多幅迷彩深度序列图。利用梳状函数对迷彩深度序列图进行采样合成,最终生成一幅光栅图像,用来裱贴于光栅板后即可实现立体动态数码迷彩。对该算法有效性进行了仿真实验并加以分析。

兵器科学与技术;伪装;数码迷彩;立体动态成像;柱透镜光栅;视差

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.016

0 引言

迷彩伪装是伪装中广泛采用的一种伪装措施[1]。其技术实质是通过技术手段提取背景的图像特征,融入迷彩图案实施于待伪装的军事目标,以达到降低目标显著性和改变目标外形的效果。数码迷彩是目前广受关注的一种较新的迷彩设计技术。伪装业界学者通过研究提出了许多创新的方法:基于聚类的[2-3],基于分水岭的[4],基于纹理的[5-6],基于分形的[7]等。但是这些设计方法都着重于提取背景的颜色、纹理等特征而忽略了其深度特征,所设计出的迷彩图案是平面的且固定不变的,难以对抗未来战场的侦察监测。因此迷彩伪装要发展就必须突破现有的设计方法,设计立体的、动态的迷彩图案以更好地使伪装目标与背景融合,从而提高伪装性能。

本文研究的数码迷彩立体动态成像算法依然遵从迷彩设计基于背景图像特征的原则,根据人类生物视觉系统特点,借助柱透镜光栅特有的光学特性,从背景中提取深度特征融入迷彩图案,使之立体化动态化。如果说以往的迷彩设计方法完成了从没有图案到平面图案的转换,那么本文就是旨在完成从平面图案到立体可变图案的转换。

1 立体动态迷彩设计可行性分析

1.1 双目立体成像几何模型

人眼可以感知对象之间的相对距离,看到有空间感的立体景物,将用于获得纵深感而产生立体视觉的信息称为深度暗示,它包括心理暗示和生理暗示两个方面[8]。心理暗示由视觉经验和视觉记忆构成,这使得人们即使只观看一幅平面图像或只睁开一只眼睛也能判断出物体的远近关系。生理暗示则基于双目立体视觉。人的两眼存在瞳距,在观看物体时,将分别接收物体来自不同方向的投影,同一物体的像点落在左右两眼视网膜相应的不同位置而清晰成像,人的大脑将具有细微差别的像巧妙地融合,形成所看到的立体图像。数码迷彩图案是由多色块状单元所构成的,所以考虑它的立体成像时可以忽略心理暗示因素而着重于生理暗示因素,也就是着重于对双目视差的研究。

双目立体成像几何模型如图1所示。

图1 双目立体成像几何模型Fig.1 Geometric model of binocular stereo imaging

建立世界坐标系OXYZ,以两眼间连线为X轴,原点O处于两眼中心位置,e为两眼间距距离,一般为65 mm,左右眼可表示为:L(e/2,0,0),R(-e/2,0,0)。设定光栅板所在平面为α,平面α与OXY平面平行,到人眼距离为D.人们双眼通过柱透镜光栅所看到的空间点P(χp,yp,zp),实际上是通过观看光栅板上的立体图像对IL(χL,yL,zL)和IR(χR,yR,zR),再经过大脑加工合成的像点P.相对于人眼,平面α上的立体图相对IL和IR可以看作是任一空间点P在平面α上的投影。为了更直观的讨论,将其投影在OXZ平面上,如图2所示。

图2 成像几何模型在OXZ平面的投影Fig.2 Projection ofimaging geometric model on OXZ plane

根据三角形相似定理可以求得

由(1)式～(4)式可得立体图像对为

可见,空间物点P的深度信息隐含于立体图像对IL和IR之中。观察立体图像对的坐标,只有横坐标不同,也就是说,垂直视差对立体成像的影响很小,而水平视差H才是立体成像的关键因素。由(5)式可计算出双目视差为

1.2 柱透镜光栅光学特性分析

柱透镜光栅是由多条结构和性能完全相同的柱透镜单元线性排列组成的透明塑料薄片,垂直方向可成立体影像[9]。柱透镜单元光路如图3所示。

图3 柱透镜单元光路Fig.3 Optical path of lenticular raster unit

光栅板平面即为焦平面,所以像位于焦平面上,故f=d.根据成像性质可知:y轴上任一点经过柱透镜折射为平行光束射出,平行光束的宽度恰与光栅的栅距p相等,传输方向角为

由(7)式可知:当y＞0时,θ＞0,出射平行光束偏向下传输;当y=0时,θ=0,出射平行光束平行光轴传输;当y＜0时,θ＜0,出射平行光束偏向上传输。这体现了柱透镜光栅的分光分像的光学特性[10]。

结合上述两小节的分析可知所谓迷彩立体成像是指将迷彩深度序列图进行合理的纵向条状分割再合成裱贴于柱透镜光栅板后,使其分别沿不同角度投射到观察者双眼中,即可还原出相应的立体影像。所谓迷彩动态成像是指随着观察者空间观察角度的变化,立体图像也会随之发生变化,从而形成动态效果。

2 迷彩深度序列图生成

2.1 迷彩视差设计方法

相比于侦察距离来说,背景场景中的物体自身的深度变化是非常小的,因此可以近似地把一定距离区间内的物体中的各点看作在同一平面上,这样连续场景就可以分解为一组具有不同深度的层的集合,记为Z={z1,z2,…,zk}.假设这k层每相邻两层的距离为s,在深度z1、z2两层上分别任取两个具有完全遮挡关系的点P1、P2,在图1所示的世界坐标系中可表示为P1(χ1,y1,z1)和P2(χ1,y1,z1+s).设第1幅深度序列图经柱透镜光栅成像的坐标系与世界坐标系重合,第2幅深度序列图经柱透镜光栅成像的坐标系为Omn,与世界坐标系间的夹角为δ,如图4所示。

图4 序列图成像坐标系示意图Fig.4 Imaging coordinates of sequence diagrams

对任一空间点P,由图4可得:

由于点P为空间任一点,所以具有一般性,那么投影关系可用矩阵表示为

设P1、P2两点在坐标系Omn中投影分别对应第2幅深度序列图上两点P＇1(m1,y,n1),P＇2(m2,y,n2),根据(10)式,可求出两点间距,即水平视差为

(11)式揭示了在生成迷彩序列图时视差设计的方法。

2.2 光栅图像采样合成方法

空间中的立体景物可看作是无数空间物点P(χP,yP,zP)的集合,用函数f(χ,y,z)表示,其在左眼方向zL的投影为fL(χL,yL),在右眼方向zR的投影为fR(χR,yR),人眼在观察立体景物f(χ,y,z)时就等效于观察fL(χL,yL)和fR(χR,yR)两幅图像。将m幅图像分别沿一定角度投射出去,人眼接收到相似却不同的视差图像,经过大脑的处理便可获得立体感知。所以,要想还原出立体图像就需要研究m幅深度序列图编码的方法。

根据Whittaker-Shannon的采样定理,构造梳状函数[11-12]:

式中:n为光栅板所包含的柱透镜单元数;m为待编码的深度迷彩序列图数;j为柱透镜单元编号;i为序列图编号;p为梳状函数的周期,也是柱透镜单元的宽度,即栅距。A为矩形函数rect(χ)的底面宽度,也是编码宽度。设fi(χ,y)表示第i幅序列图,F(χ,y)表示光栅图像,那么,m幅迷彩深度序列图经采样再合成为的光栅图像可表示为

光栅图像合成的关键在于各序列图样条间的相互匹配,因此编码时,1个编号的各序列图样条应占满1个栅距[13],即柱透镜光栅的栅距p应为编码宽度A的整数倍。当编码宽度设为1个像素时,可以得到1个柱透镜单元可编码的序列图的最大帧数为m.由于光栅图像最终要付诸印刷,裱贴于光栅板后,光栅线数l(单位lpi,每英寸中包含的柱透镜光栅单元数目)与打印图像分辨率I(单位dpi,每英寸打印的点阵数)应满足:

3 实验验证及分析

3.1 实验验证

为了验证算法有效性,如图5所示,选取一幅基于林地背景的5色数码迷彩进行立体动态成像。仿真实验的参数设置见表1所示。

图5 背景图及对应的5色数码迷彩图Fig.5 Background and corresponding digital camouflage with 5 colors

表1 仿真参数设置Tab.1 Simulation parameters setting

将背景图划分为5层,对其进行周期为15个像素的采样并填充,可得到如图6所示的效果图。

图6 背景深度图Fig.6 Depth map of background

根据图6所包含的深度信息对数码迷彩图的斑点进行分层配置,结果如图7所示。

图7 数码迷彩斑点分层图Fig.7 Layered speckle of digital camouflage

根据视差设计值H,深度层数k,需生成的深度迷彩序列图总数m,设h表示当前的迷彩斑点图层编号,可以计算出第h层的斑点位移量Δχ为

通过计算可以得到当前迷彩斑点图层需调整的位移量的具体数值,待调整完毕后再合成即可得到如图8所示的16幅深度迷彩序列图。值得说明的是,斑点位移量是一个相对值,(17)式是以第5层作为基准图层保持不动的,最后合成的序列图并不受此影响。

榆阳区虽然几十年来在生态建设、水土保持方面取得巨大成效，但整体上的生态系统依然是很脆弱的。因此，在搞好自身生态建设的同时，寻找一条可以让农民稳定收入、持续发展的生态产业化道路，对整个榆林而言，具有非常重要的战略意义。

图8 16幅深度迷彩序列图Fig.8 16 sequence diagrams of digital camouflage

按照2.2节方法对上述16幅深度序列图进行采样合成得到的光栅图像如图9所示。

图9 光栅图像Fig.9 Raster image

光栅图像经过加工裱贴于光栅板后即可制成样板。

3.2 实验分析

通过前述方法制备了如图10所示的多个样板用以观察分析迷彩的立体和动态效果。

图10 多个样板实物图Fig.10 Sample plates

通过观察,迷彩的立体和动态效果还是较为明显的,通过观察者角度变化,可以看到不同的迷彩立体图案,图11展示了图9制备出的光栅板在不同观察角度下可看到的立体迷彩图案。

图11 不同观察角度下的立体迷彩图案Fig.11 3D digital camouflages at different angles

但是立体和动态效果会随着观察距离的增大而明显减弱。

根据1.1节中的(6)式可知,由于光栅图像是裱贴于光栅板后的,所以光栅板和物点间的距离是固定的,即zP-D为一定值,设为D＇,那么

这说明,当观察者远离光栅板进行观看时,双目视差减小,立体感会减弱。

同时,人眼的分辨能力是有限的,我们把刚能分辨的两物点对眼睛的张角称为视角分辨率,它表征人眼分辨能力,一般取值为ωmin≈60"[14],也就是说,随着观察距离增加,样品斑点对于人眼的张角减小,人眼对斑点的分辨能力也逐渐降低;而且由于迷彩斑点的空间混色作用,不同深度层的斑点容易形成混色,使观察者较难分辨图层间的空间分布关系,从而立体动态效果减弱。

立体动态效果也与光栅的参数设置有关。设光栅的折射率为n0,那么D[13]:

这说明,要制备作用距离更远的立体动态迷彩样品,应当选择光栅线数更小的柱透镜光栅板。

4 结论

本文提出了一种基于柱透镜光栅的数码迷彩立体动态化的算法。该算法遵从迷彩设计的原则,结合人眼视觉生理特征和柱透镜光栅分光分像的光学特性,研究视差设计方法,将背景深度信息融入迷彩图案中,制作了立体的动态的数码迷彩图案。最后通过计算机仿真实验验证了算法的有效性并对样品的立体动态效果进行了理论分析。这为迷彩伪装的立体动态化发展提供了一个新途径。

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Research on 3D Dynamic Imaging Algorithm for Digital Camouflage

WU Guo-jing,LYU Xu-liang,XU Wei-dong,LI Ling,WENG Xiao-di
(Engineering Institute of Engineer Corps,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,Jiangsu,China)

The current digital camouflage is not able to withstand the future high-tech reconnaissance and monitoring due to its planarity and inalterability.To address the issue,a 3D dynamic imaging algorithm based on lenticular raster is proposed.The proposed algorithm fully takes the biological characteristics of human binocular stereo imaging and the optical characteristics of splitting light and imaging of lenticular raster into account to describe the feasibility of 3D dynamic digital camouflage.On this basis,the parallax design principle of 3D dynamic imaging for digital camouflage is deduced,and the multiple sequence diagrams are generated according to depth information of background.The comb function is used to sample and synthesize the sequence diagrams.The resultant raster image could be mounted on the back of a grating plate to achieve 3D dynamic imaging.The simulation results show that the proposed algorithm can be used for the 3D dynamic imaging of digital camouflage.

ordanace science and technology;camouflage;digital camouflage;3D dynamic imaging; lenticular raster;parallax

E951.4

A

1000-1093(2016)01-0103-06

2015-06-16

武国晶(1984—),女,博士研究生。E-mail:returnwgj@163.com;吕绪良(1957—),男,教授,博士生导师。E-mail:xllu1957@126.com