بخشی از مقاله
چکیده
پیشرفتهای نوین در فناوری سامانههای تصویربرداری چند طیفی یک منبع اطلاعات بسیار مناسب برای مقاصد شناسایی فراهم نموده است. این ویژگی به دلیل توان تفکیک طیفی بالای سنجندههای چند طیفی و استفاده از امضای طیفی پدیدهها و عوارض در شناسایی اهداف نظامی است. در این مقاله توانایی سنجندههای تصویربرداری چند طیفی موردبررسی قرارگرفته و برای مقابله با این سامانهها یک روش پیشنهادی ارائهشده است؛ که این روش عبارت است از شبیهسازی استتار از طریق یافتن طیف مکمل یا همان طیف استتار برای یک هدف پیشفرض در یک تصویر دیجیتال که دارای 3 باند طیفی اصلی - قرمز، سبز، آبی - 1 در ناحیه مرئی است. شبیهسازی با استفاده از کد نویسی در نرمافزار محاسباتی متلب2 انجامشده است.
مقدمه
سنجشازدور به علم و فناوری کسب اطلاعات در مورد اجسام، اراضی یا پدیدههای مختلف، بدون تماس مستقیم با آنها گفته میشود. اطلاعات با پیدا کردن و اندازهگیری تغییراتی که از محیط اطراف برشی تحمیل میشود، توسط سکوهای زمینی، هوایی و فضای جمع آوری میگردد. اصطلاح سنجشازدورمعمولاً در ارتباط با روشهای الکترومغناطیسی جمعآوری اطلاعات استفاده میشود. این روشها کل طیف الکترومغناطیس، از امواج رادیویی، مادونقرمز، مرئی، ماوراءبنفش، اشعه ایکس و نواحی پرتوگاما را پوشش میدهند.
بهطورکلی فرآیند سنجشازدور از هفت مؤلفه اصلی تشکیلشده است - شکل . - 1 الف - منبع انرژی یا روشنایی، ب - فعلوانفعال انرژی با محیط انتقال، ج - فعلوانفعال انرژی با عوارض و پدیدهها، د - ثبت انرژی بهوسیله حسگر - سنجنده - ، ه - انتقال، دریافت و پردازش، و - امروزه سنجشازدور بهعنوان یکی از مهمترین ابزارهای جمعآوری اطلاعات محسوب میشود. بهطوریکه حجم گستردهای از اطلاعات سطح زمین را در کمترین زمان و با سهولت بیشتر در اختیار انسان قرار میدهد. بهخصوص پیشرفتهای نوین در فناوری سامانههای تصویربرداری چند طیفی یک منبع اطلاعات بسیار مناسب برای مقاصد شناسایی فراهم نموده است. شناسایی، مأموریتی برای کسب اطلاعات در مورد فعالیتها، منابع، توانمندیها و پتانسیل دشمن است.
ازجمله منابع مهم اطلاعاتی که در مأموریتهای شناسایی مورداستفاده قرار میگیرد، اطلاعات نظامی تصویری3، هستند؛ که از طریق تفسیر و آنالیز تصاویر اخذشده توسط سنجنده-های تصویربرداری حاصل میگردند. تصاویر هوایی و ماهوارهای از مهمترین منابع اطلاعات نظامی تصویری هستند. اطلاعات نظامی تصویری، توانایی فرمانده را در درک سریع و کامل فضای جنگ افزایش میدهند؛ و یک منبع مهم اطلاعات برای هدفگیری تسهیلات هدایتشونده، تحلیل محیطی و موقعیتی صحنه جنگ، ارزیابی خسارت فیزیکی و... محسوب میشوند.[1]
بدون شک یکی از راههای مقابله با بحث شناسایی، اقدامات استتاری است. استتار عبارت است از تلاش جهت پنهان نمودن اهداف و عوارض موردنظر و بالا بردن شباهت آن با پسزمینه خود.[2] پیشرفت و توسعه روزافزون سنجشازدور در دهههای اخیر، موفقیت استتارهای متداول را با چالش روبهرو کرده است. به همین دلیل شبیهسازی و چگونگی استتار در برابر این سامانههای پیشرفته امری ضروری به نظر میرسد.
با توجه به عملکرد سامانههای تصویربرداری چند طیفی که دارای قدرت تفکیک طیفی بالا هستند بهطوریکه طیف هدف را از طیف زمینه متمایز میکنند . بدین ترتیب استتار در برابر این سامانهها با استفاده از نرمافزارهای تحلیل داده و همچنین ارائه راهکارهای فیزیکی و شیمیایی باید بهگونهای باشد؛ که طیف هدف در طیف زمینه گم شود. استتار - مدیریت امضای طیفی - در برابر سامانههای چند طیفی را میتوان ارائه راهکار و الگویی برای همسانسازی طیف هدف با طیف زمینه تعریف کرد. به جهت آنکه بررسی هر بخش از طیف الکترومغناطیس ملزومات خاص خود را دارد در این مقاله بر روی طیف مرئی تمرکز گردیده است.
تصویربرداری چند طیفی
تمام مواد تابش الکترومغناطیس را بر اساس ساختار فیزیکی ذاتی و ترکیب شیمیایی خود و بر اساس طولموج تابش، میتوانند بازتاب، گسیل، عبور یا جذب کنند؛ بنابراین برای هر ماده معین، مقدار تابش الکترومغناطیس که بازتابیده، گسیلشده، عبور یافته یا جذبشده باشد، با طولموج تابش تغییر میکند. اگر درصد بازتابندگی یا گسیلندگی برای مادهای معین در سرتاسر یک محدوده طیفی رسم شود، منحنی بهدستآمده امضای طیفی1 برای آن ماده نامیده میشود.
چون امضای طیفی برای هر ماده متفاوت و در حقیقت منحصربهفرد هست، باید تمایز بین یک ماده با ماده دیگر بر اساس اختلاف امضای طیفی مواد امکانپذیر باشد. این امضای طیفی در نواحی مرئی2 و فروسرخ نزدیک3 از بازتابش سطحی مواد به وجود میآیند. نواحی فروسرخ طولموج متوسط4 و فروسرخ طولموج بلند5 نیز از گسیل ذاتی مواد در دماهای بالای صفر مطلق بر اساس قانون تابش جسم سیاه و مطابق رابطه 1 نشأت میگیرد.
تصاویر چند طیفی توسط ابزاری که طیف نگار تصویری بردار6 نامیده میشود تهیه میگردد؛ که مبنای آن طیفنگاری توسط عدسی، آینه و منشور و... است؛ اما خروجی این سیستم یک تصویر رقومی است.[3] در شکل 3 طرحی از چگونگی استخراج طیف هر پیکسل و تشکیل امضای طیفی برمبنای طیفنگاری و آرایه سطحی از آشکارسازها را نشان میدهد. در این سنجندهها از آرایه دوبعدی از آشکارسازهای حساس به نور - با توزیع مکانی یکنواخت - استفاده میشود؛ کهمعمولاً از جنس نیمههادی7 هستند. جنس CCD مورداستفاده وابسته به طیف الکترومغناطیسی است؛ که قرار است ثبت شود، بهطوریکه برای محدودههای مرئی و مادونقرمز نزدیک از جنس سیلیکون، برای مادونقرمز موج متوسط از جنس InSb8 و برای مادونقرمز موجبلند از جنس MCT9 ساخته میشوند.[5]
پردازشها در تصویربرداری چند طیفی بردارهای طیفی
نتیجه فرآیند سنجشازدور،معمولاً یک تصویر دیجیتالی است؛ که در آن اطلاعات از اجزای تصویری بنام پیکسل تشکیلشدهاند که با سطوح مجزایی از روشنایی مقداردهی میشوند. بهعنوانمثال اگر دقت رادیومتریک به ازای هر پیکسل 8 بیت باشد سطوح روشنایی به 256 سطح مجزا برای هر باند طیفی تقسیم میشوند. بهطوریکه میتوان برای هر پیکسل یک بردار طیفی که بیانگر پاسخ یک نقطه فضایی و یکسان به طولموجهای گوناگون است نسبت داد. شکل 4 شمای کلی یک تصویر سنجشازدور چند طیفی و بردار یک پیکسل در تصویر را نشان میدهد. با این دید، تصویر سنجشازدور چند طیفی، به یک ماتریس از اعداد تبدیل میشود.[7]
شکل :4 مفهوم بردار طیفی پیکسل در یک تصویر چند طیفی
بردارهای طیفی، کاربرد فراوانی در پردازش تصاویر چند طیفی دارند بهطوریکه با اندازهگیری فاصله طیفی - فاصله نسبی بین بردارهای طیفی - و محاسبه زاویه طیفی میتوان شباهت بین طیفها را قضاوت کرد[3]؛ بنابراین اگر بتوانیم ساختار ترکیب مواد را تغییر دهیم و یا بردارهای طیفی را دستکاری کنیم - برآیند بردارهای طیفی - خواهیم دید که درنهایت طیف بازتابندگی تغییر میکند و می توانیم از طریق دستکاری بردارهای طیفی - برآیند بردارهای طیفی - به خواسته موردنظر، دستیابیم.
تشخیص هدف
اصطلاح هدف میتواند در مورد اشیاء بسیار متنوع ساخت بشر از قبیل جادهها، ساختمانها و از این نوع به کار رود، اما به لحاظ تاریخی در زمینهی کاربردهای نظامی برای تشخیص تانکها، هواپیماها، کشتیها، سایتهای رادار و غیره بهکاررفته است. در کاربرد تشخیص هدف سعی بر این است که مشخص شود آیا یک پیکسل، حاوی هدف موردنظر هست یا نه؟ این پردازش با محاسبه میزان شباهت یا همسانی طیفی پیکسل موردنظر با امضای طیفی هدف، انجام میگیرد. بهطورکلی، مشکل اصلی تشخیص هدف مربوط به تهیه یا ایجاد کتابخانه طیفی اهداف است، زیرا تنها با داشتن امضای طیفی اهداف میتوان آنها را شناسایی نمود. از پیشپردازشهای اصلی تشخیص هدف، تصحیحهای رادیومتری و اتمسفری و نیز انتخاب باندها یا ویژگیهای طیفی بهینه است. الگوریتمهای تشخیص هدف در دو سطح پیکسل کامل و زیر پیکسل ارائهشدهاند.[8]
آشکارسازی ناهنجاری
آشکارسازی ناهنجاری یکی از مسائل اساسی درزمینهی شناسایی و پایش اهداف است که از خصوصیات بارز آن میتوان به عدم نیاز به امضای طیفی مواد اهداف و نیز عدم نیاز به اعمال تصحیحات رادیومتریک و اتمسفری اشاره کرد. هدف این پردازش، تعیین محل اشیاء غیرعادی بر روی تصویر، بدون داشتن هیچگونه اطلاعات از پیش معلوم است. ازجمله کاربردها در حوزه شناسایی، میتوان به آشکارسازی مینهای زمینی - سطحی یا پنهانشده - ، اهداف نظامی استتار شده و ماکتهای فریب اشاره نمود. ازنظر دیگر، آشکارسازی ناهنجاری میتواند بهعنوان مرحله اول تشخیص خودکار هدف در نظر گرفته شود که این کار با مشخص نمودن مناطقی که ممکن است شامل اهداف بالقوه باشند صورت میگیرد . الگوریتمهای مختلفی برای پردازش ناهنجاری ارائهشدهاند که یکی از آنها روش RX است و روشی شناختهشده و کارآمد در آشکارسازی ناهنجاری است.
پایه و اساس این الگوریتم که یک روش آماری جهت آشکارسازی ناهنجاری محسوب میگردد، یک آزمون فرضیه دودویی است. در فرضیه اول که پیکسل را هدف در نظر نمیگیرد، فرض بر این است که در یک همسایگی مشخص - زمینه اطراف پیکسل موردنظر - ، دادهها دارای توزیع نرمال صفر با میانگین صفر هستند، اما در فرضیه دوم که پیکسل را هدف در نظر میگیرد، فرض این است که توزیع نرمال دادهها دارای میانگین صفر نیست. این الگوریتم آشکارساز ناهنجاری بهطور گسترده در کاربردهای تصویربرداری مورداستفاده قرار میگیرد. بهصورت رابطه 2 است. - 2 - که x بردار طیفی پیکسل ورودی، بردار میانگین طیفی پیکسلهای زمینه برای یک همسایگی حول پیکسل x و Γ ماتریس کواریانس است. چنانچه ZRX از یک حد آستانه مشخص بزرگتر باشد، نشاندهنده آن است که پیکسل موردنظر یک ناهنجاری است.[8]
