电视制导导弹目标图像处理改进研究
何景峰++冀敏+李盛+肖儒亮
摘 要： 在使用电视制导导弹对目标的攻击过程中，对目标图像的分割处理直接影响到攻击效果。因此，选择一种合适的图像分割方法，确保目标图像处理质量高、速度快、实时性好，显得尤其重要。将遗传算法的快速寻优原理和类间方差法的优点结合起来对类间方差法进行改进，并在模拟平台上进行仿真。仿真结果表明，改进后的类间方差法处理效果好且计算速度快，该算法是有效的。
关键词： 图像分割处理； 电视制导导弹； 类间方差法； 遗传算法
中图分类号： TN911.73?34 文献标识码： A 文章编号： 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
电视制导是利用电视来控制和导引导弹飞向目标的技术。电视制导系统由电视摄像机、自动驾驶仪、电视发射系统、接收系统、图像信息处理系统、跟踪伺服系统等组成。电视制导有两种方式：一种是电视指令制导，这种方式是安装在导引头上的摄像机捕捉目标图像进行处理后，发送给操作人员，由操作人员根据捕捉到的图像信号选取攻击目标，用无线指令控制导引头对目标进行攻击。另一种是电视寻的制导，这种方式是将摄像机所捕捉的图像信号处理后，直接发送给制导装置，引导导弹攻击目标。电视制导导弹具有灵活机动、反应迅速，不受地域影响的特点，在空对地攻击中得到广泛使用。电视制导导弹导引头对目标的实时截获跟踪能力主要取决于弹载计算机对目标图像分割质量和解算识别的速度。然而弹载计算机对图像的解算速度主要由两个因素决定：一是计算机系统自身的计算速度；二是对目标图像的分割算法。因此，为了在空战中占据优势，有必要针对弹载计算机对目标图像的分割算法进行研究。
1 圖像分割研究现状
目前图像分割的方法很多，常用的分割方法有边缘检测型、区域跟踪型和门限型三类[1]。门限型具有简单有效、计算简单、速度快等特点，是图像处理中首选的一种方法。为了研究电视制导导弹图像分割算法，本文将遗传算法并行搜索和全局寻优的优点应用到门限型图像分割质量好的类间方差法（Otsu）中。结合两者的优点对Otsu进行改进，改进寻求最优门限值的速度，切实提高图像分割效率。
2 Otsu的改进
2.1 门限型图像分割法原理
设电视制导导弹导引头捕获的图像的灰度级范围为作为一门限值，为一对二值灰度，且门限的设置可由图像得到一幅二值图像即：
2.3 Otsu的改进过程
由于电视制导导弹导引头拍摄的图像中目标所占的比例很小，目标的灰度信息不足以影响整幅图像中的灰度信息。如果要将目标信息从背景图像中区分开，当目标图像在整幅图像中占据一定比例时，可以使用Otsu进行图像处理，使用Otsu法进行图像处理，需要一个最优的门限值确保类间方差函数的值最大。图像分割质量的好坏和图像处理的速度直接取决于门限值的选择是否最优。在电视制导导弹中，既要得到清晰的图像处理结果又要考虑实时性问题，毕竟这两个指标都关乎着对目标的跟踪攻击效果。因此，对最优门限值的算法选择很重要，传统的寻优方法步骤多，运算量大，考虑到遗传算法可以在全局范围内搜索且自动筛选门限值，大大缩短了时间。为了同时兼顾以上指标，在Otsu算法中引入遗传算法中的寻优原理，确定最佳搜索空间，寻找最优门限值
遗传算法是由美国的J.Holland教授于1975年首先提出[4]，它是通过对目标空间进行随机搜索的一种全局搜索算法。这种算法的基本思想是模拟自然选择和遗传学理论，依据适者生存的原理。遗传算法也是计算机科学人工智能领域中用于解决最优化的一种搜索启发式算法，是进化算法的一种[5]。
Otsu算法的解算就是选择最优门限值，使目标灰度和背景灰度的方差值最大，实现背景图像和目标图像的切割，但是该方法对计算机的速度影响大。考虑到遗传算法可以在全局中进行搜索，对门限值进行智能化筛选，因此将遗传算法的搜索原理引入类间方差法，从而达到对Otsu算法的改进，既满足了图像分割效果，同时也缩短了图像处理时间，以满足电视制导导弹弹载计算机计算速度的要求。
在遗传算法的基础上改进Otsu图像分割的步骤如下：
第一步：确定决策变量及其各种约束条件，即确定出个体的表现型和问题的解空间[6]。决策变量是要求的最优门限值因为电视制导导弹捕捉到的图像灰度值范围为0～255，因此，最优门限值为该范围内的整型值。
第二步：确定适应度函数。类间方差法中背景图像与目标图像间的方差比例与分割的准确度成正比。适应度函数值越大，说明图像的前景和背景的差别就越大，分割效果越好[7]。故可采用图像对应的类间方差计算公式实现适应度函数的设定[8]。适应度函数为：
（12）
第三步：选择操作。选择操作采用比例选择算子。
第四步：交叉操作。选择概率为0.8的单点交叉算子。
第五步：变异操作。选择概率为0.008的均匀变异算子。
第六步：设定运行参数和结束条件。运算中兼顾图像分割效果和图像处理速度，入口数和进化代数分别设定为10，20。代数上限被设定为结束条件，到达代数上限则停止运算。
在遗传算法的基础上改进的Otsu算法流程图如图1所示。
3 仿真结果分析
为了验证遗传算法对Otsu法的改进效果，在电视制导导弹地面模拟训练平台上使用改进的类间方差法进行图像处理实验。图2，图3分别是拍摄的原始图像和改进Otsu类间方差法分割的目标图像。
从图2，图3的图像分割对比图中可以看出，应用改进的Otsu法处理后，分割效果好，目标特征清晰，改进的类间方差法的处理结果既满足电视制导导弹跟踪目标对图像分解的需要，同时也兼顾了弹载计算机对图像处理速度的要求。
4 结 论
本文对Otsu算法进行改进，以上仿真结果表明，结合遗传算法改进的Otsu法应用在电视制导导弹中进行图像处理，速度快、图像清晰、分割效果好、实时性好，改善了电视制导导弹对目标识别、跟踪精度的要求，為电视制导导弹的研究提供了一种很好的方法。
参考文献
[1] 周明，孙树栋.遗传算法原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2002.
[2] 侯格贤.遗传算法及其在跟踪系统中的应用研究[D].西安：西安电子科技大学，1998.
[3] 崔屹.数字图像处理技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.
[4] 彭轩.遗传算法及其在图像分割中的应用[D].长春：吉林大学，2006.
[5] 谭小红.细长杆多腔模注塑成型工艺多因素多目标集成优化[D].镇江：江苏大学，2013.
[6] 杨丽.基于Ridgelet冗余字典和遗传进化的压缩感知重构[D].西安：西安电子科技大学，2012.
[7] 王群峰，徐迎晖.结合改进遗传算法与局部阈值法的指纹图像分割[J].自动化与信息工程，2015，36（1）：12?17.
[8] 罗丽霞.基于遗传算法的Ostu图像分割方法[J].河北北方学院学报（自然科学版），2014，30（6）：29?33.
摘 要： 在使用电视制导导弹对目标的攻击过程中，对目标图像的分割处理直接影响到攻击效果。因此，选择一种合适的图像分割方法，确保目标图像处理质量高、速度快、实时性好，显得尤其重要。将遗传算法的快速寻优原理和类间方差法的优点结合起来对类间方差法进行改进，并在模拟平台上进行仿真。仿真结果表明，改进后的类间方差法处理效果好且计算速度快，该算法是有效的。
关键词： 图像分割处理； 电视制导导弹； 类间方差法； 遗传算法
中图分类号： TN911.73?34 文献标识码： A 文章编号： 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
电视制导是利用电视来控制和导引导弹飞向目标的技术。电视制导系统由电视摄像机、自动驾驶仪、电视发射系统、接收系统、图像信息处理系统、跟踪伺服系统等组成。电视制导有两种方式：一种是电视指令制导，这种方式是安装在导引头上的摄像机捕捉目标图像进行处理后，发送给操作人员，由操作人员根据捕捉到的图像信号选取攻击目标，用无线指令控制导引头对目标进行攻击。另一种是电视寻的制导，这种方式是将摄像机所捕捉的图像信号处理后，直接发送给制导装置，引导导弹攻击目标。电视制导导弹具有灵活机动、反应迅速，不受地域影响的特点，在空对地攻击中得到广泛使用。电视制导导弹导引头对目标的实时截获跟踪能力主要取决于弹载计算机对目标图像分割质量和解算识别的速度。然而弹载计算机对图像的解算速度主要由两个因素决定：一是计算机系统自身的计算速度；二是对目标图像的分割算法。因此，为了在空战中占据优势，有必要针对弹载计算机对目标图像的分割算法进行研究。
1 圖像分割研究现状
目前图像分割的方法很多，常用的分割方法有边缘检测型、区域跟踪型和门限型三类[1]。门限型具有简单有效、计算简单、速度快等特点，是图像处理中首选的一种方法。为了研究电视制导导弹图像分割算法，本文将遗传算法并行搜索和全局寻优的优点应用到门限型图像分割质量好的类间方差法（Otsu）中。结合两者的优点对Otsu进行改进，改进寻求最优门限值的速度，切实提高图像分割效率。
2 Otsu的改进
2.1 门限型图像分割法原理
设电视制导导弹导引头捕获的图像的灰度级范围为作为一门限值，为一对二值灰度，且门限的设置可由图像得到一幅二值图像即：
2.3 Otsu的改进过程
由于电视制导导弹导引头拍摄的图像中目标所占的比例很小，目标的灰度信息不足以影响整幅图像中的灰度信息。如果要将目标信息从背景图像中区分开，当目标图像在整幅图像中占据一定比例时，可以使用Otsu进行图像处理，使用Otsu法进行图像处理，需要一个最优的门限值确保类间方差函数的值最大。图像分割质量的好坏和图像处理的速度直接取决于门限值的选择是否最优。在电视制导导弹中，既要得到清晰的图像处理结果又要考虑实时性问题，毕竟这两个指标都关乎着对目标的跟踪攻击效果。因此，对最优门限值的算法选择很重要，传统的寻优方法步骤多，运算量大，考虑到遗传算法可以在全局范围内搜索且自动筛选门限值，大大缩短了时间。为了同时兼顾以上指标，在Otsu算法中引入遗传算法中的寻优原理，确定最佳搜索空间，寻找最优门限值
遗传算法是由美国的J.Holland教授于1975年首先提出[4]，它是通过对目标空间进行随机搜索的一种全局搜索算法。这种算法的基本思想是模拟自然选择和遗传学理论，依据适者生存的原理。遗传算法也是计算机科学人工智能领域中用于解决最优化的一种搜索启发式算法，是进化算法的一种[5]。
Otsu算法的解算就是选择最优门限值，使目标灰度和背景灰度的方差值最大，实现背景图像和目标图像的切割，但是该方法对计算机的速度影响大。考虑到遗传算法可以在全局中进行搜索，对门限值进行智能化筛选，因此将遗传算法的搜索原理引入类间方差法，从而达到对Otsu算法的改进，既满足了图像分割效果，同时也缩短了图像处理时间，以满足电视制导导弹弹载计算机计算速度的要求。
在遗传算法的基础上改进Otsu图像分割的步骤如下：
第一步：确定决策变量及其各种约束条件，即确定出个体的表现型和问题的解空间[6]。决策变量是要求的最优门限值因为电视制导导弹捕捉到的图像灰度值范围为0～255，因此，最优门限值为该范围内的整型值。
第二步：确定适应度函数。类间方差法中背景图像与目标图像间的方差比例与分割的准确度成正比。适应度函数值越大，说明图像的前景和背景的差别就越大，分割效果越好[7]。故可采用图像对应的类间方差计算公式实现适应度函数的设定[8]。适应度函数为：
（12）
第三步：选择操作。选择操作采用比例选择算子。
第四步：交叉操作。选择概率为0.8的单点交叉算子。
第五步：变异操作。选择概率为0.008的均匀变异算子。
第六步：设定运行参数和结束条件。运算中兼顾图像分割效果和图像处理速度，入口数和进化代数分别设定为10，20。代数上限被设定为结束条件，到达代数上限则停止运算。
在遗传算法的基础上改进的Otsu算法流程图如图1所示。
3 仿真结果分析
为了验证遗传算法对Otsu法的改进效果，在电视制导导弹地面模拟训练平台上使用改进的类间方差法进行图像处理实验。图2，图3分别是拍摄的原始图像和改进Otsu类间方差法分割的目标图像。
从图2，图3的图像分割对比图中可以看出，应用改进的Otsu法处理后，分割效果好，目标特征清晰，改进的类间方差法的处理结果既满足电视制导导弹跟踪目标对图像分解的需要，同时也兼顾了弹载计算机对图像处理速度的要求。
4 结 论
本文对Otsu算法进行改进，以上仿真结果表明，结合遗传算法改进的Otsu法应用在电视制导导弹中进行图像处理，速度快、图像清晰、分割效果好、实时性好，改善了电视制导导弹对目标识别、跟踪精度的要求，為电视制导导弹的研究提供了一种很好的方法。
参考文献
[1] 周明，孙树栋.遗传算法原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2002.
[2] 侯格贤.遗传算法及其在跟踪系统中的应用研究[D].西安：西安电子科技大学，1998.
[3] 崔屹.数字图像处理技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.
[4] 彭轩.遗传算法及其在图像分割中的应用[D].长春：吉林大学，2006.
[5] 谭小红.细长杆多腔模注塑成型工艺多因素多目标集成优化[D].镇江：江苏大学，2013.
[6] 杨丽.基于Ridgelet冗余字典和遗传进化的压缩感知重构[D].西安：西安电子科技大学，2012.
[7] 王群峰，徐迎晖.结合改进遗传算法与局部阈值法的指纹图像分割[J].自动化与信息工程，2015，36（1）：12?17.
[8] 罗丽霞.基于遗传算法的Ostu图像分割方法[J].河北北方学院学报（自然科学版），2014，30（6）：29?33.
