电视制导中图像处理算法和信息安全问题研究

摘要

电视制导系统中，导引头采集的战场上的实时图像，经上行信道传送给控制中心，由操控人员根据获得的图像决定攻击目标，并由下行信道发送指令信息控制导弹的飞行方向，直至击中目标。由于无线信道带宽受限，图像信息的数据量巨大，在高的压缩比下图像的失真变得严重，影响制导操作人员对疑似目标的判断；同时由于系统应用在军事对抗领域，所以如何快速清晰的显示疑似目标以及如何保证信息传输过程中的安全是值得关注的问题。
　　在此要求下，本文以基于小波变换的JPEG2000图像压缩标准为基础，根据电视制导系统的自身特点，结合JPEG2000标准中的感兴趣区域(ROI)编码技术、容错机制和码流结构，对快速定位攻击目标、提高图像显示实时性和信息保密通信三个方面内容进行了研究，解决了系统应用中的技术难题。
　　首先，通过分析电视制导图像的特点，提出了一种改进的基于率失真优化的感兴趣区域编码算法。在 JPEG2000压缩码流中，包括了来自每个子带的每个编码块的嵌入码流的贡献，当确定感兴趣区域后，在有些编码块中可能只包含很小的ROI区域，其他大部分都是背景区域，但是整个块内的系数都被赋予了和ROI区域一样高的优先级，对于无线信道带宽严重受限的可视制导系统来说，会明显降低ROI图像的质量。通过判读是否属于ROI掩模把ROI编码块中的背景区域和ROI分离开，采用一个系数调整两者的优先级，同时根据实际操作需要，对此系数的调整进行分级操作，新算法在基本不增加算法复杂度的情况下降低ROI编码块中背景区域的系数优先级，有好的重建ROI图像质量，达到在低信道速率下对疑似目标进行高质量显示的目的。
　　其次，针对配备红外导引头导弹，提出了一种简单实用的基于灰度的提取感兴趣区域算法。因为目标区域的灰度总是高于背景的灰度，并且目标周围的背景往往具有比较均匀的分布。根据以上特点，把图像在空域分割成块，计算各图像块的灰度均值，通过排序找到最大值所在块，以最大值块作为中心扩展确定感兴趣区域，实现了对感兴趣区域的快速自动定位。此种算法产生的ROI掩模为矩形，不需要传输所有掩模信息，只要传输左上和右下两点值就可在收端得到ROI掩模信息。
　　然后，基于JPEG2000的容错机制，结合信道采用的LDPC纠错码，在电视制导系统中采用了一种信源信道联合解码算法。信道解码采用对数和积迭代译码，每次迭代的结果送给 JPEG2000解码器，解码器通过错误恢复机制发现每个编码块中的第一个错误比特，把每个码块在此比特前的信息反馈回信道解码，对每次迭代的信道码字的先验概率进行选择性修正更新，并提出了一种能实时应用的反馈因子确定方法。仿真结果表明，和分立解码方法相比，信源信道联合解码算法可以提高解码效率和接收信噪比。
　　最后，对信息传输安全问题进行了研究。基于椭圆曲线公钥加密算法，提出了对电视制导指令和图像信息进行保护的方案。目前系统安全主要还是靠扩频通信系统来保障，单纯依靠扩频技术进行保密通信已经不再绝对安全，为此把椭圆曲线公钥加密算法引入电视制导系统。指令信息采用导弹的公钥进行全程加密，在导弹接收到信息后用导弹的私钥解密，保证了指令信息的安全；图像信息根据 JPEG2000码流特点部分加密，从图像中提取部分信息和重要参数信息一起加密传输，加解密方式是指令加解密的逆过程。此种方案可以对信息发送的主体进行确认，防止了信息被截获和伪造。

目录

电视制导中图像处理算法和信息安全问题研究

Research on Image Processing Algorithms and Communication Security for Video-guided Missile System

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题的来源及研究目的和意义

1.2 电视制导导弹的发展历程

1.3 图像压缩技术发展和现状

1.3.1 图像压缩算法的研究进展

1.3.2 现有的图像压缩标准概述

1.3.3 电视制导中图像压缩算法选择

1.4 军事保密通信技术发展和现状

1.5 本文主要研究内容和结构

第2章 基于小波变换的JPEG2000图像压缩算法

2.1 引言

2.2 JPEG2000核心编码系统结构

2.3 小波变换在JPEG2000标准中的应用

2.4 优化截断块编码

2.5 JPEG2000标准算法压缩性能分析

2.6 本章小结

第3章 目标搜索中ROI提取和编码算法研究

3.1 引言

3.2 ROI编码方法综述

3.3 ROI掩模生成方法

3.4 JPEG2000标准中ROI编码算法和改进算法

3.5 基于率失真优化的ROI编码算法

3.6 红外目标图像ROI自动提取方法

3.7 本章小结

第4章 基于LDPC码的联合译码算法

4.1 引言

4.2 JPEG2000中容错模式

4.3 LDPC码概述

4.4 LDPC码的译码算法

4.5 信源信道联合解码算法

4.6 本章小结

第5章 基于公钥体制的信息安全传输

5.1 引言

5.2 基于密钥的加密算法

5.3 ECC加密原理

5.4 指令信息加密

5.5 图像信息加密

5.6 密钥管理

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢