最小可分辨對比度在機載電視系統(tǒng)中的應用研究

卜紀偉，王建霞

(中航工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009)

0 引言

傳統(tǒng)的可見光成像系統(tǒng)的綜合性能評價有分辨力、調制傳遞函數(shù)(MTF)和分辨灰度等級等，由于以上評價測試條件的局限性、單一性，這些評價結果僅代表在實驗室條件下目標背景單一狀態(tài)的成像質量，不能全面反映可見光成像系統(tǒng)處在復雜外界場景中的探測能力。最小可分辨對比度(MRC)不僅給出在某亮度等級能看到的最小細節(jié)能力，并且能給出看見的物體細節(jié)的極限對比度。

可見光成像系統(tǒng)的綜合性能受空中環(huán)境及傳感器成像鏈路各種因素的影響，所探測到的目標強度、紋理、對比度都有改變，因此，不是所有的有用信息都能被成像系統(tǒng)俘獲、傳遞。由于各種環(huán)節(jié)衰減的存在，一個CCD成像系統(tǒng)輸出的圖像質量會因此而損失，飛行員最終所能感知到的圖像質量是經(jīng)過了眼睛、CCD探測器、光學系統(tǒng)、大氣傳輸、顯示器等環(huán)節(jié)衰減后的圖像。在對用于機載條件下探測、跟蹤、瞄準的可見光成像系統(tǒng)進行性能評價時，僅限于實驗室條件下的光學鑒別率、MTF、調光范圍、灰度等級等項目測試是不夠的，這些測試所得到的數(shù)據(jù)沒有一項能作為系統(tǒng)綜合性能評價依據(jù)，也不能預估產(chǎn)品是否能達到要求的作用距離。為了解決軍用目的可見光和微光夜視成像系統(tǒng)的綜合性能評價和作用距離的預測，20世紀90年代國外科技工作者開始對最小可分辨對比度MRC進行了大量的研究［1－4］。國內于20世紀90年代后期也開始對可見光成像系統(tǒng)綜合性能的相關理論研究［5－7］，并在近幾年開展了 MRC 應用和測試技術研究［7－13］，MRC作為可見光成像系統(tǒng)綜合性能評價指標已得到光電技術領域科技工作者認可。

1 MRC理論

一個可見光成像系統(tǒng)的MRC結果涉及到多方面因素的貢獻量，如人眼的閾值視力、傳感器的調制傳遞函數(shù)、大氣對目標背景對比度的衰減、顯示器的影響等，因此MRC仿真計算的數(shù)學模型建立比較復雜，經(jīng)過了大量的實驗室和戰(zhàn)場的實際試驗數(shù)據(jù)來擬合。

1.1 對比度

對比度指目標與背景的亮度之比，在機載探測跟蹤的實際場景中，目標背景對比度是千變萬化的，對不同對比度條件下的探測效果各不相同，對比度越高越容易被發(fā)現(xiàn)、識別，對用于探測、瞄準的CCD成像系統(tǒng)，一定要設一個考核用的對比度指標，系統(tǒng)的設計、測試、考核都會以這個指標為參考。

對比度有若干個定義，表觀對比度、固有對比度和調制對比度［14－15］，由于目標、背景在經(jīng)過大氣傳輸后，呈現(xiàn)在傳感器之前的對比度是經(jīng)過調制的，在MRC中所采用的是調制對比度，調制對比度定義為

1.2 對比度閾值函數(shù)CTF

真實外界物體很少有完全反射或吸收，外界場景中也很少有對比度完全一致的，一個典型場景中有無窮多對比等級組成，將這些不同的亮度不同空間頻率對應的對比度閾值繪制成圖，可以找到某個亮度等級的 CTF，見圖1。

圖1 CTF曲線圖Fig.1 Curves of CTF

在每個亮度等級對應的極限分辨率是CTF曲線與對比度的交叉，極限分辨率只能給出在某亮度等級能看到的最小細節(jié)，并且這個細節(jié)是在最好的對比度看見的細節(jié)，一般實驗室測試分辨率靶板的對比度是1∶1。CTF可提供比極限分辨率更多的信息，能給出所有空間頻率的閾值對比度。

CTF曲線隨著亮度等級降低而上升，CTF曲線上升意味著極限分辨率下降，并且也意味著在不同頻率能看到最小對比細節(jié)能力的損失。

1.3 裸眼的極限視力

眼睛能看到最小對比度差別的能力稱為臨界品質視力，CTF代表眼睛所能看到目標背景極限情況下的對比度。

圖2為CTF的測試圖，當使照度均勻到人眼的常值時，降低桿圖的對比度直到觀察者要較長時間才能看到它，即黑桿變亮，亮桿變黑，再平均到正常值，直到桿－空間－桿出現(xiàn)，然后增加對比度，直到桿再次出現(xiàn)。在桿圖出現(xiàn)和再次出現(xiàn)之間的平均對比度定義為桿圖在修改照明條件下的閾值對比度。以不同的空間頻率，重復上述的程序即可得到不同空間的頻率在每個亮度等級的閾值對比度曲線，每條曲線即代表在那個亮度等級的CTF。

圖2 CTF測試圖Fig.2 Test of CTF

CTF數(shù)學表達式為

其中:ELBAR為亮條照度;EDBAR為暗條照度;EAVERAGE為平均照度。

圖3為對應不同亮度眼睛CTF曲線，橫坐標是空間頻率，縱坐標是對比度閾值。每根曲線代表不同亮度等級對應眼睛的CTF。這些曲線用調制紀錄來描述對比度，因此對比度表示為

圖3 眼睛在不同顯示亮度等級不同空間頻率的CTFFig.3 CTFs at different brightness levels and different space frequencies

眼睛能看到最小對比度差別的能力是臨界品質視力。從圖3中可以看到眼睛看到最小對比度的能力隨視力的損失而改變，CTF曲線隨著亮度等級減少而上升。CTF曲線的上升導致極限分辨率下降，并且也使在任意頻率所看到最小對比細節(jié)的能力減弱。從圖3還可以看出人眼在高亮度等級條件下，觀察中等空間頻率目標比低空間頻率目標時視力閾值要好。

1.4 具有成像傳感器的閾值視力

在通過成像系統(tǒng)觀察圖像時，成像傳感器和顯示器將使圖像模糊，并且噪聲增加，人眼從顯示器上觀察圖像閾值視力將下降。MRC，MTF，CTF對應關系表達為

考慮噪聲對MRC的影響，設kcal是修正系數(shù)，α(f)是濾波傳感器桿圖頻率f噪聲對峰值信號的比值，則:

沒有噪聲時，方程(5)簡化為方程(4)。

1.5 完整的MRC

在實際通過傳感器觀察圖像時，所得到的圖像效果包含了探測器、顯示器和眼睛的各種衰減和影響，數(shù)學表達式［1－3］為

式中:H(f)為系統(tǒng)調制傳遞函數(shù);kcal為修正系數(shù);BL，BW為在靶條積分寬度和長度方向的噪聲帶寬;SL為測試靶條長度方向的積分信號振幅;te為眼睛積分時間(低亮度級在200 ms左右，高亮度級在50 ms左右);Eav為測試靶上的電子通量;f為測試靶的空間頻率。

2 利用MRC進行作用距離預計

可見光電視成像系統(tǒng)作用距離可以通過幾何方法來估算，但那僅僅能計算出滿足探測作用距離的傳感器的幾何參數(shù)，沒有考慮目標背景對比度、大氣傳輸衰減、傳感器光學像差和電子線路的噪聲等因素的影響，實際的機載電視成像系統(tǒng)受這些因素影響后，作用距離要比幾何計算有所下降。美國陸軍通訊與電子指揮中心夜視和傳感器董事會在進行大量實驗室和戰(zhàn)場試驗后推出SSCAM(The Solid State Camera)模型，可在設計階段仿真計算出CCD或其他凝視型光電成像系統(tǒng)的MRC，并以MRC為基礎預算設計的傳感器所能達到的作用距離。

在產(chǎn)品研制完成后，對系統(tǒng)性能的評估是進行試飛評價前的重要環(huán)節(jié)，可以通過實驗室評價及早發(fā)現(xiàn)問題，減少盲目飛行試驗造成的人力財力浪費，并可以縮短研制周期。CCD成像系統(tǒng)性能測試儀提供了對CCD成像系統(tǒng)MRC測試功能，通過實際測試得出電視成像系統(tǒng)的探測能力。

2.1 目標對應的空間頻率

當通過成像系統(tǒng)觀察目標時，目標的尺寸、距離和成像系統(tǒng)的分辨率即決定了所觀察目標的空間頻率。MRC測試圖是用U.S空軍1951標準三桿圖(見圖4)，觀察者能確定的背景上最小的可探測周數(shù)(靶條周數(shù))是系統(tǒng)在這種目標、背景對比度下的分辨率。

圖4 U.S空軍1951標準三桿圖Fig.4 Standard“three bar”chart of U.S.Army

根據(jù)約翰遜準則，用目標等效條帶圖案可分辨能力來確定成像系統(tǒng)對目標的識別能力。在50%概率時，各探測水平的空間頻率如下:探測/發(fā)現(xiàn)，1.0±0.25 lp;識別，4.0 ±0.8 線對;辯認，6.0 ±1 線對。

用MRC預計作用距離首先要確定目標在要求的作用距離上對應的空間頻率，根據(jù)目標尺寸、作用距離和應該具有的識別等級對應的空間頻率，計算MRC測試時目標的空間頻率方程為

式中:N為識別等級要求的線條數(shù);R為目標距離;L為目標尺寸;fr單位為c/mrad。

2.2 目標表觀對比度

到達傳感器物鏡入口處的目標背景對比度是經(jīng)過大氣衰減后的表觀對比度CT，在對產(chǎn)品進行綜合性能預計及MRC測試時對比度計算可采用方程(8)［15－16］，表達式為

式中:C0為原始目標背景對比度;e－σR為大氣透過率。

對產(chǎn)品做MRC測試時，根據(jù)式(8)計算的CT結果選擇對比度靶板。

3 MRC測試

3.1 MRC測試要素

MRC測試要素有:

1)MRC的測試設備，靶板經(jīng)準直系統(tǒng)成像為平行光，視場足以使產(chǎn)品判讀;

2)亮度設置，亮度應設在產(chǎn)品規(guī)定的工作范圍之內;

3)對比度選擇，至少選3種以上對比度靶板;

4)測試結果判讀，按照不同的識別等級判讀。

MRC的測試設備見圖5，包括:亮度可調、亮度分布均勻的積分球、平行光管、被測產(chǎn)品、計算機、監(jiān)視器。

圖5 MRC測試設備布局圖Fig.5 Layout of MRC testing equipment

3.2 MRC測試中關鍵數(shù)據(jù)處理

測試時靶板亮度選擇、對比度設置和測試結果正確判讀是得到MRC結果的關鍵，經(jīng)過多個型號產(chǎn)品測試，以上關鍵參數(shù)按照如下處理原則得到了合理的結果。

亮度:MRC測試必須設置積分球亮度，機載電視系統(tǒng)通常都具有自動調光功能，可以設置在產(chǎn)品不飽和的任意亮度范圍內。

對比度選擇:MRC測試要求至少選擇3組以上靶板。

從使用角度考慮，測試時可選擇的靶板按照如下原則:

1)100%對比度靶板，這一組可以反映系統(tǒng)不經(jīng)過大氣衰減的分辨率;

2)要求的探測距離，經(jīng)過大氣衰減后的對比度;

3)要求的識別距離，經(jīng)過大氣衰減后的對比度;

4)中間過渡點，為了使MTF曲線更平滑，可選擇一到兩個中間過度點。

測試結果判讀:目前的測試設備還是主觀評價，人眼在顯示器上看到能分辨的一組靶。按照約翰遜準則中對探測、識別、分清的定義，在觀察靶條時，能判斷出靶條的方向即為在這個對比度下能識別的組數(shù)，在觀察靶條時，能分清每個靶條即為在這個對比度下能分辨的組數(shù)。按照設備操作規(guī)程，可自動繪制出MRC曲線圖，從MRC曲線上找到不同的對比度對應的空間頻率。

4 實際應用

本文對MRC的構成，MRC理論模型，MRC預測作用距離的應用和MRC的測試方法進行了討論，本節(jié)給出MRC在工程上的應用實例。

某電視成像系統(tǒng)環(huán)境條件為:能見度20 km，目標背景對比度0.4，CCD分辨率550TVL，測試評價產(chǎn)品作用距離。計算系統(tǒng)分辨率為19.6 c/mrad。按照考核的飛行高度計算30 km、40 km的大氣透過率和等效對比度，結果見表1。

表1 對比度計算Table 1 Contrast ratio calculation

測試對比度靶板可選100%、70%、50%、30%、10%、5%。分別確定垂直和水平方向的可分辨組元數(shù)，100%對比度測試結果即系統(tǒng)的分辨率，測試結果見表2，測試的MRC曲線見圖6。

表2 MRC測試Table 2 Testing of MRC

圖6 電視成像系統(tǒng)MRC測試結果圖Fig.6 Testing result of MRC

從MRC測試圖可以直觀地得到不同的對比度所對應的分辨能力，如對比度0.05時，垂直方向可分辨9.6周的目標，水平方向可分辨10.8周的目標;對比度0.1時，垂直方向可分辨12.6周的目標，水平方向可分辨13.65周的目標，即在作用距離30 km，可識別10 m大小的目標。作用距離40 km可識別16 m大小的目標;可探測8 m大小的目標。經(jīng)過多項產(chǎn)品實際測試，結果達到設計要求并滿足使用要求，MRC測試預計作用距離滿足設計要求的產(chǎn)品，經(jīng)對真實目標探測具有較好符合性。

5 結論

該方法已經(jīng)在多項實際任務中進行了驗證，根據(jù)對目標探測識別結果看，按照文中所描述預計的可見光成像系統(tǒng)作用距離符合實際應用情況 。因此MRC作為可見光成像系統(tǒng)綜合性能評價指標是可行的，是可見光成像系統(tǒng)在實驗室評估產(chǎn)品作用距離有效的方法。MRC測試彌補了原來可見光系統(tǒng)只能用分辨率測試而不能評估作用距離的不足，作為可見光瞄準跟蹤系統(tǒng)評價指標是客觀的。

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