一種基于視音頻信息提取的熱成像系統(tǒng)性能評價方法

一種基于視音頻信息提取的熱成像系統(tǒng)性能評價方法

光電成像系統(tǒng)匹配研究視野中的視野是重要的組成部分。傳統(tǒng)的性能評價模型沒有充分考慮人類視覺的影響，因此很難解釋或評估實際應用中的一些問題。在實踐中，有鑒定思想表明，光學成像系統(tǒng)和視野之間存在最兼容的問題。在最佳角落大率方面，為了確保眼睛和oeo組件（光學，相機）達到最合適的配置狀態(tài)，有必要考慮陰影增強系統(tǒng)的評估。為了適應眼角視覺和光刻成像系統(tǒng)，國內外已經提出了一些研究思想和評價方法。j.m.loyd討論了熱成像系統(tǒng)的最佳角度放大率。meeter研究了視覺閾值的特性。在這項研究中，提出了基于平方根積分法的評估方法，并分析了其與主觀評估的一致性。1994年，d.lyerson根據信息科學原理研究了觀察者的環(huán)境響應特征對tis性能模型的影響。余康新等人提出了基于信息理論的采樣成像系統(tǒng)匹配方法。金偉啟、周燕等研究提出了光成像系統(tǒng)輸出的最佳振幅評價方法，并研究了光成像系統(tǒng)的最佳角度放大率和最佳觀察距離。分析結果與實際情況一致。在光電成像系統(tǒng)信道寬度評價方法中,采用了MTF信道寬度,但對于諸如熱成像系統(tǒng)的低信噪比光電成像系統(tǒng),其性能不僅受限于系統(tǒng)的傳遞特性,而且還受限于系統(tǒng)的信噪比.因此,本文將從基于信噪比的熱成像系統(tǒng)最小可分辨溫差MRTD出發(fā),研究新的熱成像系統(tǒng)性能評價理論,探討熱成像系統(tǒng)最佳角放大率和最佳觀察距離等問題.1熱成像系統(tǒng)的傳送函數(shù)1.1角放大率圖1為直視型和電視型光電成像系統(tǒng)的示意圖,系統(tǒng)的角放大率Γ可表為式中,f′0為物鏡焦距;β為探測器到顯示器(即光學?電子?光學,簡稱OEO組件)的橫向放大率;f′e為直視目鏡焦距;R為電視觀察距離.1.2變量12基于帶通濾波器的人眼視覺模型為ΜΤFeye(f)=Μ1Κ√Τ2{[1ηsΡΙ+Φ0(1-F(f))2〗[1ω2+1X2e+(fΝe)2〗}-0.5Μopt(f),(2)式中具體參數(shù)的含義可參見文獻.1.3與特征系統(tǒng)匹配關系光電成像系統(tǒng)與人眼視覺系統(tǒng)構成的綜合系統(tǒng)傳遞函數(shù)MTFH(f)為MTFH(f)=MTFs(f)MTFeye(f/Γ),(3)ΜΤFs(f)=Ν∏i=1ΜΤFi(f)=ΜΤFo(f)·MTFd(f)·MTFe(f)·MTFm(f),(4)其中,MTFs(f)為光電成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù),主要包括光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)MTFo(f),探測器傳遞函數(shù)MTFd(f),電子線路傳遞函數(shù)MTFe(f),顯示器傳遞函數(shù)MTFm(f)等.視覺系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的匹配關系如圖2所示.由于人眼視覺頻率響應的帶通性質,存在最佳角放大率Γm,使綜合系統(tǒng)達到最佳匹配.1.4道寬度n光電成像系統(tǒng)的信道寬度N為N=∫∞0MTF2s(f)df.(5)定義綜合系統(tǒng)的信道寬度N′為N′=∫∞0MTF2Η(f)=∫∞0MTF2eye(f/Γ)·MTF2s(f)df.(6)按照信道寬度評價理論,光電成像系統(tǒng)與人眼視覺的匹配用匹配效率η表示η=N′/N.(7)光電成像系統(tǒng)性能越好,η→max,存在一個最佳角放大率Γm.2基于mrtd通道寬度的“最佳”熱成像系統(tǒng)的性能評估2.1mrtd的參數(shù)最小可分辨溫差MRTD是基于熱成像系統(tǒng)信噪比得到的主要性能參量之一,是綜合評價系統(tǒng)溫度分辨力和空間分辨力的重要參數(shù),不僅包括系統(tǒng)特性,也包括了觀察者的主觀因素.MRTD簡化模型為ΜRΤD(f)=π24√14ΝEΤD?SΝRDΤΜΤFΗ(f)f?(αβτdfpΔfnte),(8)式中,具體參數(shù)的含義可參見文獻.圖3是典型熱成像系統(tǒng)的MRTD(f)曲線.其以f=f0=1/α為漸近線,對于非光學衍射限系統(tǒng),α為探測器單元尺寸.2.2實驗條件和計算機模擬MRTD給出了熱成像系統(tǒng)對于不同頻率7∶1四條目標圖案的溫度分辨特性,數(shù)值越小性能越高,即圖3中曲線越低性能越好.計算機模擬以及實際觀察均表明:隨著系統(tǒng)角放大率Γ的變化,MRTD曲線存在一定程度的上下移動變化,即存在最佳的角放大率Γm,使MRTD(f)曲線下的面積最小.考慮到實際景物熱圖像的低頻和中頻信息一般占據主要比例,且MRTD隨f逼近f0的無窮趨勢,可采用1/MRTD(f)的形式來突出中低頻的影響.參照MTF信道寬度評價理論的匹配效率定義式(7),我們定義熱成像系統(tǒng)+人眼系統(tǒng)綜合系統(tǒng)基于MRTD信道寬度的匹配效率ρ(Γ)為ρ(Γ)=1S0∫f00[1ΜRΤD(f)qdf,(9)式中,指數(shù)q為常數(shù);f0為熱成像系統(tǒng)的截止頻率;S0為與Γ無關的歸一化參數(shù),這里采用以下定義S0=∫f00[1ΜRΤD0(f)qdf,(10)其中,MRTD0(f)是不包含人眼環(huán)節(jié)的熱成像系統(tǒng)MRTD,即式(8)中用MTFs(f)代替MTFH(f)的MRTD表達式.模擬計算表明:隨著q在[1,3]之間取值,ρ(Γ)均呈單峰函數(shù),即存在一個最佳角放大率Γm,使ρ→max.為了確定模型中q的取值,我們采用實驗和計算機模擬結合的方法進行研究分析.·實驗儀器采用M600型非制冷焦平面熱像儀,探測器單元數(shù)320×240,單元尺寸45μm×45μm,探測器陣列尺寸14.4mm×10.8mm;光學物鏡焦距f′0=50mm,F=1;等效噪聲溫差NETD≤100mK;模擬計算的MRTD曲線如圖3所示.采用黑白視頻監(jiān)視器,對角線尺寸為22.7cm,高寬比3∶4,水平分辨率800TVL.·實驗原理根據式(1),對于實驗用熱像儀,在觀察距離R處觀察顯示器上的熱圖像,熱成像系統(tǒng)的角放大率為式中,H為顯示器的高度,h為探測器陣列的高度(=10.8mm),k為觀察距離R相對顯示器對角線尺寸L的倍數(shù).觀察者通過監(jiān)視器觀察熱像儀對不同場景的成像,觀察者變化觀察距離確定最佳觀察距離Rm以及k,由式(9)計算不同q值下對應的最佳角放大率Γm,使其與式(11)對比,確定模型應選擇的q值.·實驗結果及其分析若觀察者正常觀察實驗圖像的最遠、最近和適察距離分別為Rf、Rn和Rm.我們選擇了15個視力正?；虺C正正常的實驗觀察者,按照實驗方法進行一系列場景的觀察.表1和表2給出觀察圖4兩幅視頻場景圖像的實驗結果,表中Ra=(Rf+Rn)/2為平均觀察距離;k1=L/Ra,k2=L/Rm.可以看出:雖然不同觀察者對不同場景的觀察距離有所波動,但最佳觀察距離的k2值平均值ˉk2約為2.48,平均觀察距離的k1值平均值ˉk1約為2.46～2.51.因此,下面取對應最佳觀察距離的km=2.5,由式(11)得到最佳放大率Γm≈1.11.同時按照式(9),取不同的q值得到如圖5所示的熱像儀的匹配效率ρ(Γ)曲線.可以看出:對應q=2的ρ(Γ)曲線最佳匹配峰值點對應的最佳放大率Γm在1.1左右.因此,綜合比較式(7)的模型,可確定常數(shù)q值為2.2.3焦距對最佳觀察距離的影響為考核基于MRTD信道寬度評價理論的適應性,對其它幾種系統(tǒng)進行進一步的模擬計算分析.A.熱成像系統(tǒng)1對同一非制冷焦平面熱成像組件,將光學系統(tǒng)改為f′0=100mm,則對應q=2的Γm約在2.2左右,結合式(11)可推知:在系統(tǒng)部件性能變化不大的情況下,單純改變系統(tǒng)的焦距并不影響最佳觀察距離,這與實際觀察情況是一致的.B.熱成像系統(tǒng)2基于長波制冷型288×4焦平面探測器的掃描型熱成像系統(tǒng),探測器單元尺寸為25μm×28μm,光學系統(tǒng)焦距f′0=205mm,模擬的系統(tǒng)MRTD曲線如圖6所示.按照本評價理論,模擬得到的系統(tǒng)匹配效率ρ(Γ)曲線如圖7,其峰值點在Γm≈5.1附近.類似式(11),由系統(tǒng)參量可得Γ=15.25/k,即對應的最佳觀察距離約為k≈3倍顯示器對角線.這與實際觀察效果是基本一致的.C.熱成像系統(tǒng)3基于中波制冷焦平面探測器的凝視型熱成像系統(tǒng),探測器規(guī)模320×240,探測器單元尺寸25μm×25μm,光學系統(tǒng)焦距f′0=100mm,模擬的系統(tǒng)MRTD曲線如圖8所示.同理,模擬得到的系統(tǒng)匹配效率ρ(Γ)曲線如圖9,其峰值點在Γm≈5附近,由系統(tǒng)參量可得Γ=10.0/k,即對應的最佳觀察距離約為k≈2倍顯示器對角線.這也與實際觀察效果是基本一致的.3.本評價理論在實際熱成像系統(tǒng)性能測試中的應用.根據本評價理論的特征.對于本評價理論的評價,在后續(xù)本文從基于信噪比的MRTD出發(fā),研究了熱成像系統(tǒng)性能的評價方法,提出了一種新的基于MRTD信道寬度匹配效率的評價理論,不僅可以評價熱成像系統(tǒng)與人眼視覺的匹配狀態(tài),而且可定量地確定熱成像系統(tǒng)的最佳放大率或最佳觀察距離.實驗結果表明:根據該理論獲得的最佳觀察距離與