（模式识别与智能系统专业论文）舰船航迹仿真与检测.pdf

中国科学技术大学顶= l 学位论文 致谢 值此论文完成之际，向三年里面所有帮助过我的人表示感谢! 首先感谢我的导师汪增福教授。三年以来，汪老师在生活方面和学习研究方 面都给我莫大的帮助。从刚进科大丌始，帮助我迅速融入实验室这个温馨的集体， 进入f 规的学习生活轨道，到后来参加r o b o c u p 小型组，选择硕士论文题目， 参加自主式越障机器人制作，汪老师都给了我很多的指导和帮助。这其中，感受 特别深的是汪老师深厚扎实的理论功底、科学严谨的治学态度及严于律己宽以待 人的态度，这些都将对我以后的生活学习产生很大的影u l 自。 感谢张培仁老师、关胜晓老师，郏志刚师兄、徐永明师兄、孙鹏师兄，刘赫 伟、王康正、郑旭东、曾鹏同学，在r o b o c u p 小型组期| 、b - j ，大家共同学习进步， 相处的非常愉快! 感谢实验室的王龚师兄、胡元奎师兄和金学成师兄，实验室的学习生活因为 你们的帮助显得更加温暖舒适! 感谢曹阳师兄、韩龙师兄及郑重同学，让我对机器人运动控制有了更加深入 全面的了解，并对机器人视觉领域有了更大兴趣! 感谢苏庄銮师兄、沈项军师兄，张江涛、梁艳阳、王智灵、周维同学，以后 我会非常怀念大家一起去健身、打球的日子! 感谢同宿舍的方翔、张强、郭志伟同学， 活；感谢7 # 6 3 8 宿舍和7 # 6 4 0 宿舍的同学， 打牌；感谢胡可、曹政、钱晶、张大海及s a 活顺利开心! 感谢三年以来所有帮助过我的人! 最后感谢我的父母和家人，你们的宽容、 动力，再次感谢你们! 一起陪我度过了三年平凡幸福的生 以后有机会大家还要一起出去郊游 0 3 1 0 的全体同学，祝大家以后的生 支持和鼓励是我幸福生活的源泉和 中国科学技术火学颇i 学位论文 摘要 本文的工作主要分为三个部分：舰船航迹仿真，基于光学图像的航迹检测及 舰船参数分析。 舰船航迹仿真对虚拟现实和航迹检测的研究有着很重要的意义，但现有的仿 真方法大都局限于航迹主模式的模拟。在充分考虑到舰船航行时的复杂环境的前 提下，本文提出了一种较为全面的航迹仿真方法。在模拟航迹主模式的基础上， 借助粒子系统的思想加入湍流航迹：在模拟背景中加入海浪，借助o p e n g l 实现 了有大雾或者云层遮挡下的航迹效果。该方法得到的结果更加符合实际，在虚拟 现实方面有着良好的应用前景，同时也为航迹检测算法提供了更为有效的试验条 件及检验依据。 舰船航迹检测在海上交通管制和军事领域中有着广泛的应用前景。现有的航 迹检测方法大都基于s a r 图像，不仅所使用的信息不直观而且相应的算法也比 较复杂。本文提出了一种新颖的基于光学图像的航迹检测方法。首先利用纹理分 析判断待检测区域中是否含有航迹，然后对通过判断的区域中使用条纹增强算 法，凸现其中的航迹特征，最后使用r a d o n 变换检测航迹。与现有的检测方法 相比，该方法针对性强，复杂度低。使用该方法对实际航拍图片进行了检测实验， 取得了很好的效果。 航迹检测的最终目的是为了从航迹中获得舰船本身的参数信息。现有的方法 多从k e l v i n 航迹的传播频率和舰船航速之间的关系入手，通过分析舰船航迹的 频谱得到航速。本文使用不同的方法讨论了航迹频谱与航速之间的关系问题，并 在m a t l a b 上验证了理论分析的结果。湍流航迹的形状理论上可由舰船长宽比和 舰船宽度决定，本文将理论上的结论和实际经验相结合，得到了已知舰船长宽比 时求取宽度的一种方法。尽管实际舰船的长宽比的确切值可能无法获知，但一般 舰船的长宽比相对比较固定。此外，理论分析的结果表明当舰船的长宽比稍有变 化并不会对舰船宽度的变化产生很大的影响，因此该方法是有效可行的。 关键字：航逊仿真，航迹检测，r a d o n 变换，纹理分析 中国科学技术大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sc o n s i s t so fs h i pw a k es i m u l a t i o n ，s h i pw a k ed e t e c t i o nb a s e do no p t i c a l i m a g e sa n di n f o r m a t i o na n a l y s i so fs h i pf r o mi t sw a k e s ， t h es i m u l a t i o no fs h i pw a k ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h er e s e a r c ho fv i r t u a lr e a l i t y a n ds h i pw a k ed e t e c t i o n h o w e v e r , m o s t e x i s t i n gm e t h o d sa r el i m i t e di n t h e m a i n m o d es i m u l a t i o no fs h i pw a k e f u l l yt a k i n gc o m p l e xe n v i r o n m e n ti n t oa c c o u n t ， t h i st h e s i sp r o p o s e san e ws i m u l a t i o nm e t h o d i na d d i t i o nt o s i m u l a t i n gt h em a i n m o d e ，w ea d dt u r b u l e n tw a v ei nv i r t u eo fp a r t i c l es y s t e m ，a n do c e a nw a v e st ot h e s i m u l a t i o nc o n t e x t ，w h i c hr e a l i z et h ee f f e c to fs h i pw a k ec o v e r e db yc l o u do rf o gb y u s i n go p e n o l t h er e s u l t sp r o v i d ev a l i dt e s tc o n d i t i o na n di n s p e c t i o ne v i d e n c et ot h e a l g o r i t h mo fs h i pw a k ed e t e c t i o n s h i pw a k ed e t e c t i o nh a sab r o a da p p l i c a t i o nf u t u r e i nm a r i n et r a f f i cc o n t r o la n d m i l i t a r ya f f a i r s m o s te x i s t i n gm e t h o d sa r es a ri m a g e sb a s e d t h e s em e t h o d sh a v e t h ef o l l o w i n gd i s a d v a n t a g e s ：t h ei n f o r m a t i o no b t a i n e db yt h e mi sn o ti n t u i t i o n i s t i ca n d t h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sa r er e l a t i v e l yc o m p l e xt h i st h e s i sp r o p o s e san o v e ls h i p w a k ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do no p t i c a li m a g e sf i r s t l y ，i tj u d g e sw h e t h e rt h e r ee x i s t s s h i pw a k ei n t h ep e n d i n ga r e am a k i n gu s eo ft e x t u r ea n a l y s i s ，t h e nu s e ss t r i p e s t r e n g t h e n i n ga l g o r i t h mt oe n h a n c et h ec h a r a c t e r s o fs h i pw a k ef i n a l l y , i ta d o p t s r a d o nt r a n s f o r mt od e t e c ts h i pw a k ea n do p t i m i z e st h ed e t e c t i o nr e s u l t s ，c o m p a r e d w i t h e x i s t i n gm e t h o d s ，t h ep r o p o s e dm e t h o d h a sm o r e p e r t i n e n c e a n dl o w e r c o m p l e x i t y ，t e s t e do nr e a ls h i pw a k ep i c t u r e s ，t h i sn o v e lm e t h o dd e m o n s t r a t e sg o o d r e s u l t s t h ef i n a lp u r p o s eo f s h i pw a k ed e t e c t i o ni st oa n a l y z es h i pi n f o r m a t i o nm o s te x i s t i n g m e t h o d so b t a i ns h i ps p e e df r o mi t sw a k es p e c t r u mb ya n a l y z i n gt h er e l a t i o nb e t w e e n s h i pw a k e sf r e q u e n c ya n di t ss p e e dt h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e l a t i o nb e t w e e ns p e e d a n dw a k et h r o u g ht w od i f f e r e n ta p p r o a c h e sa n dv a l i d a t e st h er e s u l t si nm a t l a bt h e s h a p eo ft u r b u l e n tw a v ei sd e t e r m i n e dt h e o r e t i c a l l yb ys h i pb e a ma n dl e n g t h t h i s 4 中国科学技术大学硕：t 学位论文 t h e s i s a d o p t s am e t h o do fe s t i m a t i n g s h i p b e a m b y as e m i e x p e r i e n t i a la n d s e m i t h e o r e t i c a lr e l a t i o nw i t ha na s s u m p t i o nt h a ti t sr a t i oo fb e a ma n dl e n g t hi s k n o w nt h o u g hs h i pr a t i oo fb e a ma n dl e n g t hc a nn o tb ea l w a y sk n o w nb e f o r e h a n d ， h o w e v e r ，i tr a r e l yv a r i e st o om u c ha r o u n dac e r t a i nv a l u ei nr e a l i t y t h e o r e t i c a l a n a l y s i sd e m o n s t r a t e st h a tt h er e s u l ta l m o s td o e s n tc h a n g ee v e ni fs h i pr a t i oo fb e a m a n dl e n g t hv a r i e sal i t t l es ot h em e t h o dw i l lb ee f f e c t i v em o s t l y k e y w o r d ：s h i pw a k es i m u l a t i o n , s h i pw a k ed e t e c t i o n ，r a d o nt r a n s f o r m ，t e x t u r e a n a l y s i s 中国科学技术大学硕十学位论文 第一章前言 1 1 研究意义概述 地球表面大约7 0 的面积被水覆盖着，为了生存生活，人们需要频繁地从事 各种各样的水上活动，如娱乐、资源开发和交通运输等。因此，作为水上主要交 通工具的舰船，自然也就成为人们关注和研究的焦点。 舰船研究大致可分为两个方面：第一研究舰船本身的结构材料，这方面研 究的主要目的是设计制作质量更好航速更快的舰船；第二从舰船航行时的轨迹 出发来研究舰船航行时的特征。因为舰船在航行时，航迹可达几千米甚至更长， 比舰船本身远为明显，而且航迹的形状包含着丰富的信息，如舰船的尺寸、航速 和吃水深度等等。因此在某些场合，研究航迹更为重要，也更为方便快捷。如在 虚拟现实领域中，模拟舰船航行时，舰船本身只需做一定的浮动或者旋转，航迹 的模拟则要复杂很多，不仅要随舰船运动传播开来，还要考虑环境的影响，比舰 船本身要更加吸引观众的注意力，因此，航逊的模拟效果很大程度上决定了整个 场面的视觉效果。再如在进行航迹检测时，利用航迹的形状与海浪特征的差异， 可以方便的判断出某一区域中是否存在舰船，如果存在航迹则可进一步给出其位 置航行方向等，比直接检测舰船本身有效可行。另外，航迹还包含着舰船的航速 形状等信息，在无法直接获得舰船的这些信息时，可通过分析航迹来得到。 本文的主要内容就是研究舰船的航迹，分以下三个方面：航迹的仿真，基于 光学图像方法的航迹识别及相关的舰船参数分析。本章主要介绍它们的发展现 状，本文后续内容安排如下：第二章从航迹主模式、湍流航迹及环境影响等几个 方面介绍航迹仿真方法，第三章介绍基于纹理预判、条纹增强算法和r a d o n 变 换的航迹检测算法，第四章分析并验证了航逊频谱与航速和湍流航迹与舰船宽度 的关系，最后是结论与展望。 1 2 历史发展及现状 舰船航迹仿真不仅在虚拟现实领域有着重要意义，同时也为研究航迹特征进 中国科学技术人学硕l + 学位论文 行航迹识别提供了依据。利用航迹检测间接识别分析舰船，在海上交通管制方面 及军事领域均起着“眼睛”的作用，其重要性不言而喻。 1 2 1 航迹仿真研究简介 对自然景观的模拟是计算机图形学的重要研究领域之一，在影视、广告和虚 拟现实等方面有着广泛的应用。对于形状较为规则的景物，可以通过几何建模和 多边形近似的方法来模拟；但对于形状不规则并g 酊j - n 变化的景物，很难用传统 的模型描述，需要灵活的采取多种手段模拟。航迹的仿真就属于后者。 舰船产生的航迹一般可分为三类 邹2 0 0 3 b ：( 1 ) 由舰船直接产生的表面波 航迹，它又可分为窄“v ”字形航迹和典型的k e l v i n 航迹；( 2 ) 由舰船表面的摩 擦和扰动的传播所形成的湍流航迹和漩涡航迹：( 3 ) 舰船产生的内波。通常情况 下，k e l v i n 航逊和湍流航迹比较明显。如图l1 所示，开口较大的“v ”字形航 迹是k e l v i n 航迹，中间白色部分为湍流航迹。 图1 1 航迹示意图 目前，舰船航迹仿真方法大致有两类。一类方法 尹2 0 0 2 m e c h a e l1 9 9 0 1 是 跟据舰船行驶时航迹的模式特征来设定粒子的属性，利用其运动轨迹和颜色变化 来模拟航迹。这类方法常用来模拟形状模糊的物体，得到的航迹与真实航迹形状 颇为相似，在虚拟现实中有很好的应用前景。另一类方法【邹2 0 0 3 b c o l l i n s1 9 7 1 1 是从航迹结构出发，通过简体舰船近似原理和舰船自由谱，考虑实际航行时水的 粘滞特性和浪花破碎等因素，计算得到航迹的形状，再辅以光照使其看起来和真 实的航迹非常接近。这类方法计算虽然复杂，但是对研究航迹特征，进行航迹识 别等提供了有效地依据。但是，现有的航迹仿真方法大都局限于航迹主模式的模 中闻科学技术人学坝 ：学位论文 拟，而且没有考虑到环境的影响，有待进一步改进完善。 1 2 2 航迹检测发展及现状 舰船检测在海上交通管制和军事领域中起着重要的作用。舰船在航行时，航 迹可达几千米甚至几十千米，其特征远比舰船本身明显，因此利用航迹检测舰船 有时比直接检测舰船本身更加有效可行。 现有的航迹检测方法大都是基于s a r 图像的。由于航迹在s a r 图像中呈现 出明显的线性特征，因此检测方法以对线性特征敏感的r a d o n 变换为主。但是 直接利用r a d o n 变换进行航迹检测效果并不太好，所以不断地有改进的算法被 提出。为了能够在沿海和多岛屿的海面区域进行航迹检测， e l d h u s e t1 9 9 6 c p 提 出了一种方法，该方法首先利用数字地图提供的信息去除s a r 图像中的陆地部 分，而后利用线性特征检测航迹。为了提高检测的精度、适应航迹的幅度变化， d u2 0 0 4 】和【c o p e l a n d1 9 9 5 1 分别提出了基于滑窗r a d o n 变换和局部r a d o n 变换 的检测方法；为了克服背景噪声同时保留完整的航迹信息， j i n2 0 0 3 提出了应用 小波分解重构航迹的检测方法。这些算法均取得了较好的检测效果。 但是，基于s a r 图像的航迹检测方法有一些由方法本身所导致的不可避免 的缺点。例如，【t u n a l e y2 0 0 3 q ，提到s a r 圈像本身有时候会呈现易于和航迹特 征相混淆的线性特征。【e l d h u s e t1 9 9 6 】 d u2 0 0 4 】 c o p e l a n d1 9 9 5 【j i n2 0 0 3 1 中均 提到由舰船本身产生的信号会对航迹信号产生影响，在进行航迹检测时，必须先 检测出舰船的位置，将其用背景色替换后才可进行航迹检测。这些缺点的存在增 加了检测算法的复杂度，影响了航迹的检测效果。因此，有待发掘更好的方法来 进行航迹检测。 航迹检测的最终目的是为了从航迹里获得舰船本身参数信息，航行速度、吃 水深度、舰船尺寸等。比如在军事领域中，敌我双方进行海战时，仅仅发现敌舰 的位置是远远不够的，还需要确定其尺寸、吃水深度、航速等，以分析其类型， 为我方进行战术安排提供必要的信息。这方面已经有一些理论研究，可以通过分 析航迹的频谱信息从航迹里面得出舰船航速 t u n a l e y2 0 0 3 c a r l2 0 0 3 ，通过恢复 湍流航迹的形状初步获得舰船的宽度 g r e g o r y2 0 0 4 】，但如何更准确的获得更多 的有用的信息还有待进一步研究。 中同科学技术人学颂l ：学位论文 1 2 本文的主要工作 本文的工作分为三个部分，分别是航迹仿真、基于光学图像的航迹检测及基 于航迹的舰船参数分析。 在航迹仿真方面，在吸取粒子模拟方法和结构建模方法优点的基础上，我们 提出了一种全新的航迹模拟方法。首先，给出经典的k e l v i n 航迹模拟，使用粒 子系统方法加入湍流航迹模拟，得到较为完整的航迹仿真：其次，考虑到舰船航 行时的环境因素，并借助o p e n g l 所提供的雾化和纹理生成功能，在模拟背景中 加入了对海浪的模拟，实现了有大雾或者云层遮挡下的俯视航迹效果。与以往的 模拟方法相比，由于本方法加入了对湍流航迹的模拟，使得航迹模式更全面；此 外，由于本方法还加入了海浪、雾、云等天气条件对航迹效果影响的模拟，使得 得到的航迹模式更真实，从而可为航迹检测算法提供更为有效的试验条件及检验 依据。 在航迹检测方面，提出了一种新颖的基于光学图像的航迹检测方法。和s a r 信号需经过多步处理后才可得到航迹图像信息相比，光学图像具备许多s a r 图 像所没有的优点，它直观、简洁，包含的信息丰富、完整，直接反映了航迹表面 的相关信息。由于成像原理的原因，有些方向上的航迹特征在s a r 图像中无法 显示出来 t u n a l e y2 0 0 3 】，光学图像则没有这方面的限制。另外，基于光学图像 的检测方法更接近于人的感知方式，随着光学传感器性能的提高，利用光学方法 进行航迹检测越来越受到人们的关注。 在光学图像中，航迹依然呈现明显的线性特征。因此，我们所提出算法也是 基于r变换的。但是，光学图像旱的线性特征与图像的线性特征有很a d o n s a r 大不同，单纯使用r a d o n 变换并不能得到预期的效果。为此，引入了一种非线 性的条纹增强算法，将其和r a d o n 变换相配合取得了很好的检测效果。由于r a d o n 变换需要进行多重积分运算，即使使用快速算法 o l m o1 9 9 9 1 ，所需要的计算量 仍然是比较大的。因此，如果在不确定当前图像中是否存在航迹的情况下就施行 r a d o n 变换处理，是一种费时不讨好的做法。受i v k a r a t h a n a s s i2 0 0 4 中利用纹 理检测海浪方向方法的启发，我们又提出了一种利用纹理分析预判当前区域中是 否存在航迹的方法，避免了r a d o n 变换的盲目使用，提高了算法的针对性和使 用效率。 中国科学技术大学硕士学位论文 最后，分析了航迹的特征与舰船参数之间的关系。湍流航迹主要由舰船航行 时表面的摩擦和扰动的传播所形成 g r e g o r y2 0 0 4 ，湍流航迹的传播形状与舰船 比例和舰船宽度有很大的关系，我们利用这个关系，使用最小二乘法给出了近似 估计舰船宽度的方法。k e l v i n 航迹的横波与扩散波的频谱特征与航速成比例关系 t u n a l e y2 0 0 3 c a r l2 0 0 3 ，我们采用不同的方法对其进行了理论分析，并在 m a t l a b 程序早验证了分析结果。 中固科学技术人学坝 学位论文 第二章复杂环境下的舰船航迹仿真 2 1 航迹仿真简介 如图21 所示，舰船产生的航迹一般可分为三类f 邹2 0 0 3 b 1 ：( 1 ) 由舰船直 接产生的表面波航迹，它又可分为窄“v ”字形航迹和典型的k e l v i n 航迹，其中 k e l v i n 航迹由横波和扩散波组成，其包络线的半张角为1 95 度：窄“v ”字形航 迹位于k e l v i n 航迹夹角内部；( 2 ) 出舰船表面的摩擦和扰动的传播所形成的湍 流航迹和漩涡航迹，位于航迹中间线附近，窄“v ”字形航迹的内部；( 3 ) 舰船 产生的内波。通常情况下，k e l v i n 航迹和湍流航迹比较明显。 厂横波 一r 扩散渡 半张角1 95 湍流航迹 璺警群攀；誊孝善二：一；亨毒 窄v 字形航述 图2 1 航迹示意图 目前，舰船航迹仿真方法大致有两类。一类方法是根据舰船行驶时航迹的模 式特征来设定粒子的属性，利用其运动轨迹和颜色变化来模拟航迹。这类方法常 用来模拟形状模糊的物体，得到的航迹与真实航迹形状颇为相似，在虚拟现实中 有很好的应用前景。另类方法是从航迹模式的结构出发，通过简体舰船近似原 理和舰船自由谱，考虑实际航行时水的粘滞特性和浪花破碎等因素，计算得到航 迹的形状，再辅以光照使其看起来和真实的航迹非常接近。这类方法虽然计算复 杂，但是对研究航迹特征，进行航迹识别等提供了有效地依据。 这里，我们结合这两种方法的优点，设计了一种全新的航迹模拟方法。首先， 通过计算得到航迹模式中的k e l v i n 航迹，借助粒子系统的思想加入湍流航迹， 对航迹模式中最明显的两部分进行了模拟；其次，考虑到舰船航行时的环境，在 中同科学技术大学硕i 。学位论文 模拟背景中加入海浪，并且借助o p e n g l 的雾化函数和纹理功能，实现了有大雾 或者云层遮挡下的俯视航迹效果。与以往的模拟结果相比，该方法加入了湍流航 迹的模拟，使得航迹模式更加全面：又加入了海浪、雾、云等天气条件下符合实 际航行环境下的模拟，不仅在虚拟现实方面有很好的应用前景，而且为航迹检测 算法提供了更为有效的试验条件及检验依据。本章后面的内容安排如下：2 2 节 将介绍k e l v i n 航迹仿真，2 3 节介绍湍流航迹仿真，2 4 节介绍加入海浪及云雾 等环境影响后的航迹仿真。 2 2k e l v i n 航迹仿真 l o r dk e l v i n 借助于点源扰动模型 c o l l i n s1 9 7 1 1 ，解释了舰船航行时其尾部的 航迹模式。近2 0 多年来的航迹仿真和识别研究大都基于k e l v i n 的航迹模型和它 的扩展模型。如图2 2 所示，k e l v i n 航迹在舰船尾部的最大半张角约为1 9 5 度， 其主要组成部分为横波和扩散波，横波沿舰船的航行方向传播，扩散波沿垂直舰 船航向的方向排列，下面给出k e l v i n 航迹模型及其推导过程。 图2 2k e l v i n 航迹不蒽幽 速度为“、航向沿x 轴负方向的舰船航迹的自由波模式由下式表征 淝y ) = 吼2 f ( 口) e - q k s e c 2 0 ( x c o s o * y s i n o ) d o 其中，k 2 g u 2 ， 吼表示取实部。 f ( 目) 表示舰船的自由谱，根据简体舰船理论 f ( 曰) ：丝s e c 20f f 掣霉e k zs e 9 20 + i k “s e c o d x d z 丌 。 f i x 积分域为舰船表面，y 2r ( x ，z ) 为水深z 处坐标x 处舰船的宽度。 一! 塑型兰垫苎尘兰塑：! ：堂竺丝兰 仿真时为了简化计算，假设舰船形状为抛物线形状，航行时吃水深度为d ， 则 y ( x ，z ) ：6 ( 1 一。27 2 ) ，一d z o ，一l x f l 0 ，z 一d ( 3 ) 其中，b 为舰船宽度的一半，f 为舰船长度的一半。将仃j 代入式门j 可得 聊) = f ( 1 可“。臼) 并眦。s ( 挑e c 口) - c o s 目s i n l ：融c 剀f 4 1 将舰船自由谱简化后代入式0j 得到k e l v i n 航迹的表达式为 似川= 等巴( 1 叮“) s i n m e c 2 c o s 曰+ y s i n 0 ：怛臼 f 5 1 考虑到水的桔滞特性和舰船长度的影响，可引入粘滞系数对f ( x ，y ) 进行修 正；修f 后的表达式如下式如示 f ( x ，y ) = f ( z - i ，y ) 十06 f ( x 十，) ( 6 ) 利用上述模型进行计算机仿真，并使用o p e n o l 对仿真结果进行图形显示得 到的舰船航迹模拟效果图如图23 所示。由图可以看到，k e l v i n 航迹轮廓如扇形， 横波沿舰船的航行方向传播，具有明显的周期特性；扩散波沿垂直舰船的航向的 方向排列，具有明显的线性特征。 图2 3k e l v i n 航迹仿真效果 2 3 湍流航迹仿真 湍流航迹主要由舰船航行时表面的摩擦和扰动的传播所形成 g r e g o r y2 0 0 4 也具有明显的线性特征，其形状分布如图2 4 所示。 中国科学技术火学硕l 学位论文 在舰船后面距离船尾x 处，湍流航迹的宽度( x ) 为 ( x ) ( a x b ”1 ) ( 8 ) 一 一 4 ：壅旦 成立( 这里，x o 和珊。均约等于4 ) ，则将佃j 代入似j 中可知，x ol 。这 暇加膏”“x ”。， 湍流在水面的作用范围，其表现出来的颜色和在深度上的变化范围还需另行确 定。由于如何确定深度的变化范围目前还是一个未完全解决的问题，因此，在我 们的计算机模拟中，忽略了湍流的深度变化，仅仅借助于粒子系统对湍流的颜色 与常用的以面片模拟物体的方法不同，粒子系统用“粒子”来模拟模糊物体。 中阁科学技术人学坝l 学位论文 这些物体没有固定形状，无法给出很好的模型的，随着在空间位置的移动或者时 问的变化而慢慢的消逝，如云、烟、焰火等。使用粒子系统模拟物体的关键步骤 是如何设置粒子的属性：粒子的初始位置，速度，生存时间等。这里，我们结合 面片模拟和粒子系统的优点，即湍流航迹的表面仍用面片模拟，但其数量位置均 借助粒子系统的思想确定，很好的模拟湍流航迹表面破碎浪花的形状。加入湍流 航迹的航迹效果如图2 5 所示。 图25 湍流仿真效果 2 4 复杂环境( 海浪、云、雾) 下的航迹仿真 前面针对k e l v i n 航迹与湍流航迹进行了仿真，但舰船实际航行时往往伴有 风浪，天空中抑或有云雾存在。因此，为了更加逼真的模拟航迹，需要在仿真中 加入这些环境的影响，达到真f 形似的目的。 2 4 1 海浪仿真 海浪是能量在海面上的运动形式。如果海面长时间的受周期性的能源影响， 能量会在海面上积累。在这些能源中，风是最常见的。当风吹到平静的海面上时， 会形成较小幅度的短时间的风浪。这些风浪的存在时间很短，风停止后，风浪也 会消失。如果风持续的吹来，更多的能量会转移到海面上，进而形成更高的风浪， 海面也会变得起伏不平。当风持续到一定的时间，由风转移到海面上的能量和风 浪破碎损失的能量相等，此时的海面状念称为充分成长状态。此后，风浪高度不 再变化。此状态下，波峰的长度是平均波长的2 3 倍，即短峰波。但是，当海浪 逃离出风区后，在消散的过程中，便会出现长峰波，其波峰的长度是平均波长的 中国科学技术人学颂 学位论文 6 。7 倍。我们平时在海边上看到的多以长峰波为主，但舰船航行时所处的海面大 都在充分成长状态，海浪以短峰波为主，因此下面的仿真是针对短峰波的。 海浪理论研究大体分为两类：类是水波理论，特点是将海浪运动视为确定 的函数形式，通过流体动力学分析揭示海浪的动力学性质和运动规律；另一类是 随机海浪理论，通过随机过程理论分析给出各种情况下海浪运动的统计特征。比 较起来，后者更便于直接应用。到目前为止，我国大部分海浪研究工作也都属于 随机海浪理论。 随机海浪模型将海浪波面位移抽象为众多随机成分之和。如果此和中的成分 都是相互独立的简单波，由中心极限定理可得，它们之和服从正态分布，此类海 浪模型称为线性模型。如果此和中不仅含有简单波本身，还包含反映它们中间相 互联系的高阶分量，那么作为其和的波面位移不再服从f 态分布，此类海浪模型 称为非线性模型。 在适合舰船航行的微风天气环境下，晦浪可由如下式所示较为简单的线性模 型进行仿真 朱1 9 9 6 1 杨2 0 0 2 】。 r ( x , y ，f ) = z ，：，：、( a ! jc o s ( c o , t - k i x c 。s 臼，+ y s i n 臼， + 乞)( 1 1 ) 其中，r l ( x , 弘f ) 为波面位移，口”为组成波的振幅，哆为角频率，e 为方向角，k 为波数，而岛为随机初始相位。t 与脚t 之间存在由式甜? 2 9 k j t a n h ( k f l ) 所定义的 弥散关系，其中，d 为海水深度。组成波的振幅。”2 2 s ( 脚，q ) d 删目，这罩， s ( 珊t ，口，) 为所需模拟的海浪的方向潜，它由海浪频谱和波能扩散函数的乘积给 出。 通常选择以风速为参数的成长状态谱p m 谱作为海浪频谱的近似， s ( 甜) = 口譬e x p ( - z 。g - - - ) 。- 0 4 ( 1 2 ) 。 “ l 1 ， 这里，口，p 均为常数，g 为重力加速度，“为风速。 波能扩散函数则采用如下式所示的标准形式 2， 妒( 曰) = 二c o s2 ( 臼) 7 r 中国科学技术大学硕士学位论文 这样，海浪的方向谱s ( 白，p ，) 由妒( 曰) 与s 旧) 相乘后得到。 在式r ，的求和间隔选取上，直接进行等间隔求和简单易行，但是这样做 有两个缺点：笫一，这样得到的波面将以求和间隔为周期重复出现而在自然界 不存在这种现象：第二，谱的能量集中于峰频率附近，如果采用等间隔划分且使 用的组成波个数不够多，则只有少数几个频率位于峰频率附近的组成波在叠加中 起主要作用，故应该采取等能量划分法。 能量等分法计算过程如下。取海浪能量谱的简单形式： s ( c o ) ：善e x p ( 一尝) 由。出。 定义海浪谱5 ( ”) 的累积谱： 代入5 ( w ) 表达式积分得到 e ( w ) = f s ( w ) d w e ( 甜) = 面ae x p ( 一了b ) e ( w ，) 一e ( = c _ s ( w ) 咖 能量等分即： e ( w ，) 一e ( w 。) = cm + c = e ( m ) 其中，m 为能量总份数。又 e ( 。) = 面a ，e ( q ) = 击e ( c 。) ( 1 3 ) 在己知5 ( ”) 的情况下，由( 1 3 j 可解出各个 v v ，然后进行求和便可求出海浪 波面位移v 化y ，。图2 6 给出了m a t l a b 里面长峰波与短峰波的模拟。这里说明 一点，长峰波和短峰波模拟的区别之处在于波能扩散函数，如果波能扩散函数相 对平坦则能量扩散较快，形成短峰波；反之，则形成长峰波。 ：! 堡堕! 兰些查查兰竺l ：兰竺堡兰 图2 6 短峰波与长峰波 同时考虑海浪和航迹，在一阶+ n ；s t ，可以对海浪和航迹模型进行线性叠加 邹2 0 0 3 a ；而对于非平稳过程，则要考虑波流之间的相互作用。这里，在微 风的环境下，我们取一阶情况近似，加入海浪背景后的航迹效果如图2 7 所示。 图2 7 海浪背景 中田科学技术人学坝1 ：n - 位论文 2 4 2 基于o p e n g l 的云雾模拟 0 p e n o l 是- - f o e 与硬件、窗1 2 1 系统和操作系统相独立的一系y o a p i ，可以被集 成n u n i x 、w i n d o w s 平l l xw i n d o w 等窗1 3 系统中。它是在s g i 等多家世界闻名 的计算机公司的倡导下，以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的一个通用共享的 开放式三维图形标准。o p e n o l 由大量功能强大的图形函数组成，可以方便的利 用这些函数进行三维图形设计，它的反走样、雾化效果能使所绘制的三维场景更 逼真。 为了更加真实地模拟实际航行环境，我们利用o p e n g l 实现了对仿真航迹图 像的雾化及云层遮挡下的模拟效果。 o p e n g l 提供有雾化函数，用束描述和大气效果相类似的各种雾化状态：迷 雾、薄雾、烟尘以及浊气等。雾的颜色以及密度可以根据需要通过参数来调节。 利用所提供的雾化函数可以模拟出海面上存在的各种雾化环境。 当天空中有云或者存在其他物体时，从空中对舰船的航迹进行拍摄，得到的 将是有空中场景的倒影存在的海面和舰船航迹的图像。利用o p e n g l 的贴纹理功 能可以实现对这类舰船航迹图像的模拟。o p e n o l 提供了三种可用的贴纹理方 式：( 1 ) 贴花方式，即直接使用纹理颜色替换原色：( 2 ) 颜色混合方式，即用纹 理来调整颜色比例；以及( 3 ) 固定颜色融合方式。在我们所进行的仿真实验中， 采用了其中的颜色混台方式。该方式可以很好地模拟透过云层对航迹进行拍摄的 效果。 下面给出各种天候环境下的航迹模拟结果。 雾化效果如图2 8 所示，航迹轮廓仍然清晰可见，但其颜色和形状细节等由 于雾的存在已经模糊，与实际航迹更加相似：同时其频率特征必然也发生变化， 这给航迹检测方法提出了更高的要求，也为其鲁棒性测试提供了真实的条件。 中国科学技术大学硕土学位论文 图28 雾化效果f o g g ye f f e c t 纹理效果如图2 9 所示，左侧图为有云层的天空图像，右侧图为模拟透过云 层所见的航迹。由于云层的存在，航迹局部形状发生变化，轮廓及线性特征不再 明显。而且由于云层形状是不确定的，航迹形状变化也是不确定的。这使得航迹 看起来给人非常真实的感觉，又为航迹检测算法的普遍适用性提供了全面的测试 条件。 图29 纹理效果 中国科学技术大学硕：l j 学位论文 2 5 小结 首先，我们给出这些仿真的实时性分析。本章介绍的航迹仿真共包括四部分， k e l v i n 航迹、湍流航迹、海浪及云雾等天气影响。其中，费时较多的是k e l v i n 航迹和海浪仿真。为了验证所提算法的有效性，在a m d l 8 3 g 主机上进行了相 关的仿真实验。 在k e l v i n 航迹的仿真中，航迹表达式中积分微元的取值决定仿真所需时间。 为了得到足够的细节，使得航迹的特征足够明显，经过对被积函数的分析及试验， 我们取积分微元为o 0 0 0 5 r a d ，计算1 0 0 1 0 0 像素的航迹表面，需时3 8 6 4 1 m s 。 在海浪仿真中，海浪的方向谱s ( ，p ，) 的频率微元和方向微元决定仿真所需 时间。同样为了得到丰富的海浪细节，我们取频率微元为o 0 5s ，方向微元为 o0 5 r a d ，计算1 0 0 1 0 0 像素的海浪表面，需时2 2 5 0 0 m s 。 为了尽可能真实地得到舰船航迹的计算机仿真结果，需要提供丰富和足够的 细节图像特征，这导致仿真算法一般费时较多。但考虑到循环积分计算是仿真程 序的主体部分，如果能够在并行计算机中，采取软件流水线的方式，则可以大大 减少计算时间，满足实时性的要求。另外，也可对现行的舰船航迹的计算机仿真 算法进行改进，开发出快速的舰船航迹仿真算法，以满足实际的仿真系统对实时 性的要求。 其次，与现有的仿真方法相比，本文提出方法增加了湍流航迹的模拟，给出 了较为全面的航迹仿真；考虑了舰船航行时的复杂环境，加入了海浪背景和云、 雾等天气条件，使得仿真效果更加真实。 由于确定湍流航迹的深度变化范围还是一个难以解决的问题，因此我们现在 还无法给出完整的湍流航迹模拟；另外，考虑到舰船航行时的摆动或者转向等造 成的影响，航迹形状并非这么固定和单一，更加完善准确的航迹仿真将有待进一 步研究。 中闻科学挫术人学砸l 。学位论文 第三章基于图像方法的舰船航迹检测 3 1 航迹特征分析及检测 前面我们已经介绍过，舰船产生的航迹一般可分为三类 邹2 0 0 3 b ：( 1 ) 由 舰船直接产生的表面波航迹，它又可分为窄“v ”字形航迹和典型的k e l v i n 航迹； ( 2 ) 由舰船表面的摩擦和扰动的传播所形成的湍流航迹和漩涡航迹；( 3 ) 舰船 产生的内波。其中k e l v i n 航迹和湍流航迹都具有明显的线性特征，可以用来检 测定位航迹。如图3 1 所示，从整体轮廓上看，航迹与海浪的分布有明显差别， 海浪分布呈现固定的规律，而航迹的出现则打破了这种规律，这为本章后面使用 纹理预判航迹候补区域提供了依据。 图31 海浪与航迹示意图 现有的航迹检测方法大都是基于s a r 图像的。由于航迹在s a r 图像中呈现 出明显的线性特征，因此检测方法以对线性特征敏感的r a d o n 变换为主。但是 直接利用r a d o n 变换进行航迹检测效果并不太好，所以不断地有改进的算法被 提出。为了能够在沿海和多岛屿的海面区域进行航迹检测，【e l d h u s e t1 9 9 6 1 中提 出了一种方法。该方法首先利用数字地图提供的信息去除s a r 图像中的陆地部 分，而后利用线性特征检测航迹。为了提高检测的精度、适应航迹的幅度变化， f d u2 0 0 4 _ 手t l c o p e l a n d1 9 9 5 1 分别提出了基于滑窗r a d o n 变换和局部r a d o n 变换 的检测方法：为了克服背景噪声同时保留完整的航迹信息，f j i n2 0 0 3 1 提出了应用 小波分解重构航迹的检测方法；z h u2 0 0 4 提出了种基于相似梯度方向对图像 做预处理，增强线性航迹，而后进行r a d o n 变换的方法，提高了算法的鲁棒性； 中国科学技术大学颂。卜学位论文 o v e r r e i n2 0 0 3 提出了种基于后向传播平均多幅图片去除噪声增强航迹的方 法，使得航迹更加明显，便于后续处理。这些算法均取得了较好的检测效果。另 外，【f i t c h1 9 9 1 提出了一种利用航迹频谱特征和变化梯度训练的神经网络提取航 迹的方法，拓宽了检测方法的思路。 但是，基于s a r 图像的航迹检测方法有一些由方法本身所导致的不可避免 的缺点。例如，f t u n n e y2 0 0 3 1 提到s a r 图像本身有时候会呈现易于和航逊特 征相混淆的线性特征。【e l d h u s e t1 9 9 6 【d u2 0 0 4 】 c o p e l a n d1 9 9 5 j i n2 0 0 3 中均 提到由舰船本身产生的信号会对航迹信号产生影响。在进行航迹检测时，必须先 检测出舰船的位置，将其用背景色替换后才可进行航迹检测。这些缺点的存在增 加了检测算法的复杂度，影响了航迹的检测效果。 我1 f ja , g 要叙述的是- ；r 新颖的基于光学图像的航迹检测方法。和s a r 信号 需经过多步处理后才可得到航迹图像信息相比，光学图像具备许多s a r 图像所 没有的优点，它直观、简洁，包含的信息丰富、完整，直接反映了航迹表面的相 关信息。由于成像原理的原因