一种基于视音频信息提取的热成像系统性能评价方法

一种基于视音频信息提取的热成像系统性能评价方法

光电成像系统匹配研究视野中的视野是重要的组成部分。传统的性能评价模型没有充分考虑人类视觉的影响，因此很难解释或评估实际应用中的一些问题。在实践中，有鉴定思想表明，光学成像系统和视野之间存在最兼容的问题。在最佳角落大率方面，为了确保眼睛和oeo组件（光学，相机）达到最合适的配置状态，有必要考虑阴影增强系统的评估。为了适应眼角视觉和光刻成像系统，国内外已经提出了一些研究思想和评价方法。j.m.loyd讨论了热成像系统的最佳角度放大率。meeter研究了视觉阈值的特性。在这项研究中，提出了基于平方根积分法的评估方法，并分析了其与主观评估的一致性。1994年，d.lyerson根据信息科学原理研究了观察者的环境响应特征对tis性能模型的影响。余康新等人提出了基于信息理论的采样成像系统匹配方法。金伟启、周燕等研究提出了光成像系统输出的最佳振幅评价方法，并研究了光成像系统的最佳角度放大率和最佳观察距离。分析结果与实际情况一致。在光电成像系统信道宽度评价方法中,采用了MTF信道宽度,但对于诸如热成像系统的低信噪比光电成像系统,其性能不仅受限于系统的传递特性,而且还受限于系统的信噪比.因此,本文将从基于信噪比的热成像系统最小可分辨温差MRTD出发,研究新的热成像系统性能评价理论,探讨热成像系统最佳角放大率和最佳观察距离等问题.1热成像系统的传送函数1.1角放大率图1为直视型和电视型光电成像系统的示意图,系统的角放大率Γ可表为式中,f′0为物镜焦距;β为探测器到显示器(即光学⇒电子⇒光学,简称OEO组件)的横向放大率;f′e为直视目镜焦距;R为电视观察距离.1.2变量12基于带通滤波器的人眼视觉模型为ΜΤFeye(f)=Μ1Κ√Τ2{[1ηsΡΙ+Φ0(1-F(f))2〗[1ω2+1X2e+(fΝe)2〗}-0.5Μopt(f),(2)式中具体参数的含义可参见文献.1.3与特征系统匹配关系光电成像系统与人眼视觉系统构成的综合系统传递函数MTFH(f)为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)为光电成像系统的传递函数,主要包括光学系统传递函数MTFo(f),探测器传递函数MTFd(f),电子线路传递函数MTFe(f),显示器传递函数MTFm(f)等.视觉系统与成像系统的匹配关系如图2所示.由于人眼视觉频率响应的带通性质,存在最佳角放大率Γm,使综合系统达到最佳匹配.1.4道宽度n光电成像系统的信道宽度N为N=∫∞0MTF2s(f)df.(5)定义综合系统的信道宽度N′为N′=∫∞0MTF2Η(f)=∫∞0MTF2eye(f/Γ)·MTF2s(f)df.(6)按照信道宽度评价理论,光电成像系统与人眼视觉的匹配用匹配效率η表示η=N′/N.(7)光电成像系统性能越好,η→max,存在一个最佳角放大率Γm.2基于mrtd通道宽度的“最佳”热成像系统的性能评估2.1mrtd的参数最小可分辨温差MRTD是基于热成像系统信噪比得到的主要性能参量之一,是综合评价系统温度分辨力和空间分辨力的重要参数,不仅包括系统特性,也包括了观察者的主观因素.MRTD简化模型为ΜRΤD(f)=π24√14ΝEΤD⋅SΝRDΤΜΤFΗ(f)f⋅(αβτdfpΔfnte),(8)式中,具体参数的含义可参见文献.图3是典型热成像系统的MRTD(f)曲线.其以f=f0=1/α为渐近线,对于非光学衍射限系统,α为探测器单元尺寸.2.2实验条件和计算机模拟MRTD给出了热成像系统对于不同频率7∶1四条目标图案的温度分辨特性,数值越小性能越高,即图3中曲线越低性能越好.计算机模拟以及实际观察均表明:随着系统角放大率Γ的变化,MRTD曲线存在一定程度的上下移动变化,即存在最佳的角放大率Γm,使MRTD(f)曲线下的面积最小.考虑到实际景物热图像的低频和中频信息一般占据主要比例,且MRTD随f逼近f0的无穷趋势,可采用1/MRTD(f)的形式来突出中低频的影响.参照MTF信道宽度评价理论的匹配效率定义式(7),我们定义热成像系统+人眼系统综合系统基于MRTD信道宽度的匹配效率ρ(Γ)为ρ(Γ)=1S0∫f00[1ΜRΤD(f)qdf,(9)式中,指数q为常数;f0为热成像系统的截止频率;S0为与Γ无关的归一化参数,这里采用以下定义S0=∫f00[1ΜRΤD0(f)qdf,(10)其中,MRTD0(f)是不包含人眼环节的热成像系统MRTD,即式(8)中用MTFs(f)代替MTFH(f)的MRTD表达式.模拟计算表明:随着q在[1,3]之间取值,ρ(Γ)均呈单峰函数,即存在一个最佳角放大率Γm,使ρ→max.为了确定模型中q的取值,我们采用实验和计算机模拟结合的方法进行研究分析.·实验仪器采用M600型非制冷焦平面热像仪,探测器单元数320×240,单元尺寸45μm×45μm,探测器阵列尺寸14.4mm×10.8mm;光学物镜焦距f′0=50mm,F=1;等效噪声温差NETD≤100mK;模拟计算的MRTD曲线如图3所示.采用黑白视频监视器,对角线尺寸为22.7cm,高宽比3∶4,水平分辨率800TVL.·实验原理根据式(1),对于实验用热像仪,在观察距离R处观察显示器上的热图像,热成像系统的角放大率为式中,H为显示器的高度,h为探测器阵列的高度(=10.8mm),k为观察距离R相对显示器对角线尺寸L的倍数.观察者通过监视器观察热像仪对不同场景的成像,观察者变化观察距离确定最佳观察距离Rm以及k,由式(9)计算不同q值下对应的最佳角放大率Γm,使其与式(11)对比,确定模型应选择的q值.·实验结果及其分析若观察者正常观察实验图像的最远、最近和适察距离分别为Rf、Rn和Rm.我们选择了15个视力正常或矫正正常的实验观察者,按照实验方法进行一系列场景的观察.表1和表2给出观察图4两幅视频场景图像的实验结果,表中Ra=(Rf+Rn)/2为平均观察距离;k1=L/Ra,k2=L/Rm.可以看出:虽然不同观察者对不同场景的观察距离有所波动,但最佳观察距离的k2值平均值ˉk2约为2.48,平均观察距离的k1值平均值ˉk1约为2.46～2.51.因此,下面取对应最佳观察距离的km=2.5,由式(11)得到最佳放大率Γm≈1.11.同时按照式(9),取不同的q值得到如图5所示的热像仪的匹配效率ρ(Γ)曲线.可以看出:对应q=2的ρ(Γ)曲线最佳匹配峰值点对应的最佳放大率Γm在1.1左右.因此,综合比较式(7)的模型,可确定常数q值为2.2.3焦距对最佳观察距离的影响为考核基于MRTD信道宽度评价理论的适应性,对其它几种系统进行进一步的模拟计算分析.A.热成像系统1对同一非制冷焦平面热成像组件,将光学系统改为f′0=100mm,则对应q=2的Γm约在2.2左右,结合式(11)可推知:在系统部件性能变化不大的情况下,单纯改变系统的焦距并不影响最佳观察距离,这与实际观察情况是一致的.B.热成像系统2基于长波制冷型288×4焦平面探测器的扫描型热成像系统,探测器单元尺寸为25μm×28μm,光学系统焦距f′0=205mm,模拟的系统MRTD曲线如图6所示.按照本评价理论,模拟得到的系统匹配效率ρ(Γ)曲线如图7,其峰值点在Γm≈5.1附近.类似式(11),由系统参量可得Γ=15.25/k,即对应的最佳观察距离约为k≈3倍显示器对角线.这与实际观察效果是基本一致的.C.热成像系统3基于中波制冷焦平面探测器的凝视型热成像系统,探测器规模320×240,探测器单元尺寸25μm×25μm,光学系统焦距f′0=100mm,模拟的系统MRTD曲线如图8所示.同理,模拟得到的系统匹配效率ρ(Γ)曲线如图9,其峰值点在Γm≈5附近,由系统参量可得Γ=10.0/k,即对应的最佳观察距离约为k≈2倍显示器对角线.这也与实际观察效果是基本一致的.3.本评价理论在实际热成像系统性能测试中的应用.根据本评价理论的特征.对于本评价理论的评价,在后续本文从基于信噪比的MRTD出发,研究了热成像系统性能的评价方法,提出了一种新的基于MRTD信道宽度匹配效率的评价理论,不仅可以评价热成像系统与人眼视觉的匹配状态,而且可定量地确定热成像系统的最佳放大率或最佳观察距离.实验结果表明:根据该理论获得的最佳观察距离与