基于識(shí)別距離的紅外成像仿真驗(yàn)證方法

郭冰濤，韓 琪，惠 進(jìn)，張衛(wèi)國(guó)

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，紅外系統(tǒng)成像仿真技術(shù)越來(lái)越受到重視。目前，紅外系統(tǒng)成像仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1-2]。高仿真置信度能夠確保紅外成像系統(tǒng)仿真技術(shù)得以發(fā)揮其迭代速度快、研發(fā)成本低的優(yōu)勢(shì)。因此，開展紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證方法研究具有十分重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

目前，紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證的主要方式是對(duì)比紅外系統(tǒng)成像仿真模型和實(shí)際的成像傳感器的性能特征參數(shù)，或是特征性能曲線（如信噪比、分辨率、成像像素等）之間的差異[3-6]。還有一部分學(xué)者提出了通過對(duì)比仿真圖像和實(shí)測(cè)圖像的圖像特征（如直方圖，對(duì)比度，信息熵等）對(duì)仿真模型準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)[7-8]。

現(xiàn)有研究成果為紅外成像仿真技術(shù)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是仍存在一定的問題。在紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證過程中，需要考評(píng)仿真圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等方面的準(zhǔn)確性。如果紅外圖像用于人眼觀測(cè)，還需要考評(píng)人眼視覺對(duì)仿真圖像和實(shí)測(cè)圖像的判別能力的差異。如果紅外圖像用于機(jī)器視覺，如自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)跟蹤，還需要考評(píng)機(jī)器視覺對(duì)仿真圖像和實(shí)測(cè)圖像的判別能力的差異。需要指出的是，本文僅考慮紅外圖像是給人看的這一情況。然而，現(xiàn)有的紅外成像仿真模型評(píng)價(jià)方法都沒有考慮人眼視覺對(duì)仿真圖像和實(shí)測(cè)圖像的判別能力的差異。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于識(shí)別距離的紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證方法。以識(shí)別距離作為紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)因子，不僅可以考評(píng)仿真圖像與實(shí)測(cè)圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等方面的綜合差異，還可以考評(píng)人眼視覺對(duì)仿真圖像和實(shí)測(cè)圖像的判別能力的差異。

1 基于作戰(zhàn)效能的紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證方法

高仿真置信度是確保紅外成像系統(tǒng)仿真模型得以發(fā)揮其迭代速度快、研發(fā)成本低的優(yōu)勢(shì)所在。目前，作者所在團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出一種利用實(shí)測(cè)圖像實(shí)現(xiàn)紅外系統(tǒng)成像仿真方法[9-10]。現(xiàn)需要針對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

在紅外系統(tǒng)成像仿真過程中，需考慮圖像灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等因素。除此之外，還應(yīng)該考慮人眼視覺對(duì)圖像的判讀能力。即使仿真圖像與實(shí)測(cè)圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等方面完全一致，人眼對(duì)仿真圖像與實(shí)測(cè)圖像的判讀結(jié)果（如識(shí)別距離、探測(cè)概率）也有可能不一致[11-12]。圖1(a)為實(shí)測(cè)紅外圖像，來(lái)自文獻(xiàn)[5]。圖1(b)為“仿真”圖像。假設(shè)“仿真”圖像與實(shí)測(cè)圖像的差異只是一部分目標(biāo)區(qū)域位置不同，如圖1(c)所示。這樣，圖1(a)和圖1(b)在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等方面完全一致，如果用現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法的話，該“仿真”方法準(zhǔn)確度為100%。但是，顯然這種評(píng)價(jià)結(jié)果是令人難以置信的，因?yàn)閷?duì)人眼判讀來(lái)說，圖1(a)和圖1(b)在目標(biāo)區(qū)域的差異非常大。

紅外系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能（如識(shí)別距離、發(fā)現(xiàn)概率等）與圖像灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等各種因素有關(guān)，而且能夠反映人眼視覺對(duì)圖像的判讀能力[13-14]。目前，紅外系統(tǒng)常用的作戰(zhàn)效能指標(biāo)主要是識(shí)別距離/概率、發(fā)現(xiàn)距離/概率[15]。如果以發(fā)現(xiàn)概率或距離做為紅外成像仿真模型驗(yàn)證因子，僅能評(píng)價(jià)仿真結(jié)果在圖像灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小、人眼視覺判讀等的準(zhǔn)確度，很難體現(xiàn)目標(biāo)位置、形狀仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。而利用識(shí)別距離/概率評(píng)價(jià)仿真結(jié)果則不存在這一問題。本文將利用識(shí)別距離實(shí)現(xiàn)紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證，具體方法如圖2 所示。

圖 1 紅外圖像仿真效果驗(yàn)證示例Fig.1 Example of simulation effect validation for infrared images

圖 2 紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證方法Fig.2 Validation method of simulation model for infrared system imaging

步驟1：考慮系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能受目標(biāo)背景的輻射、大氣傳輸、系統(tǒng)信號(hào)響應(yīng)、空間傳遞函數(shù)MTF、噪聲等各因素對(duì)系統(tǒng)性能的綜合影響，需要設(shè)計(jì)不同大小、形狀、溫差的黑體靶標(biāo)，并放置在不同距離處；

步驟2：利用紅外系統(tǒng)對(duì)黑體靶標(biāo)進(jìn)行成像，并選擇多名觀察人員對(duì)圖像判讀，統(tǒng)計(jì)判讀結(jié)果期望值和方差；

步驟3：通過黑體靶標(biāo)輻射計(jì)算、紅外系統(tǒng)成像仿真模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)紅外圖像仿真，并讓上述觀察人員對(duì)圖像判讀，統(tǒng)計(jì)判讀結(jié)果期望值和方差；

步驟4：將步驟2 和步驟3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算紅外系統(tǒng)成像仿真模型置信度。

2 紅外系統(tǒng)成像仿真模型的驗(yàn)證評(píng)價(jià)指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外成像仿真模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，必須對(duì)指標(biāo)進(jìn)行合理的選擇，且評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的結(jié)果應(yīng)與人類視覺感受相符。本文通過設(shè)計(jì)不同形狀、尺寸、溫差（總計(jì)X個(gè)）的靶標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

1）實(shí)物試驗(yàn)

每次試驗(yàn)開始前記錄系統(tǒng)狀態(tài)（包括焦距、觀測(cè)方向、位置等）、環(huán)境條件（包括空氣濕度、風(fēng)速等）、靶標(biāo)位置等。

利用紅外系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行成像，并采集紅外圖像。組織N名觀察員進(jìn)行判讀：當(dāng)靶標(biāo)處于某一位置，觀察員恰好能夠從采集圖像中識(shí)別出靶標(biāo)形狀，即增大靶標(biāo)與紅外系統(tǒng)之間的距離，觀察員無(wú)法識(shí)別靶標(biāo)形狀時(shí)，記錄觀察員對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離。

對(duì)多名觀察員的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)平均值，得到系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離。

針對(duì)每一個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，得到系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)靶標(biāo)的識(shí)別距離R10，R20，...，RX0。

2）仿真試驗(yàn)

將實(shí)物試驗(yàn)記錄的系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境條件、靶標(biāo)位置等信息錄入仿真模型，并利用紅外系統(tǒng)成像仿真模型對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行成像仿真。

針對(duì)每一個(gè)靶標(biāo)的成像仿真圖像，參考實(shí)物試驗(yàn)方式，組織多名觀察員進(jìn)行判讀，并記錄系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)靶標(biāo)的識(shí)別距離R11，R21，...，RX1。

3）紅外系統(tǒng)成像仿真模型的驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果和仿真試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算每一組試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差Δi。例如，針對(duì)第1 組靶標(biāo)，仿真結(jié)果相對(duì)誤差為

根據(jù)每一組試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差，計(jì)算紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度η：

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

1）試驗(yàn)用紅外系統(tǒng)介紹

利用上述方法，針對(duì)紅外系統(tǒng)成像仿真方法[9-10]開展了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中用到的紅外成像系統(tǒng)為GUIDE MODEL No.:IR928+紅外成像系統(tǒng)，具體系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表 1 試驗(yàn)用紅外成像系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of infrared imaging system for test

2）靶標(biāo)及熱源

在試驗(yàn)過程中，紅外成像系統(tǒng)需要對(duì)靶標(biāo)成像。為了準(zhǔn)確控制靶標(biāo)溫差，采用黑體控制靶標(biāo)溫度，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖3 所示。在厚紙板上制作靶標(biāo)形狀，并將靶標(biāo)區(qū)域鏤空。將厚紙板緊貼黑體，并將靶標(biāo)置于黑體窗口中心位置。通過調(diào)節(jié)靶標(biāo)溫度，可實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)溫度精確控制。

實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)計(jì)4 種形狀靶標(biāo)，每種形狀靶標(biāo)設(shè)計(jì)有3 種尺寸，如圖4 所示。其中，正方形目標(biāo)A1、A2、A3的邊長(zhǎng)分別為10 mm、20 mm、40 mm；三角形目標(biāo)B1、B2、B3為等邊三角形，邊長(zhǎng)分別為10 mm、20 mm、40 mm；半圓形目標(biāo)C1、C2、C3半徑分別為5 mm、10 mm、20 mm；梯形目標(biāo)D1、D2、D3上底邊長(zhǎng)分別為5 mm、10 mm、20 mm，下底邊長(zhǎng)和高相同，分別為10 mm、20 mm、40 mm。

圖 3 靶標(biāo)設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of target design

3）圖像采集結(jié)果

圖 4 不同尺寸、形狀的靶標(biāo)示意圖Fig.4 Schematic of target with different sizes and shapes

根據(jù)上述試驗(yàn)流程，本文通過設(shè)置不同靶標(biāo)溫度（26.0 ℃、34.0 ℃和42.0 ℃），開展了多次試驗(yàn)。圖5 為紅外熱像儀對(duì)不同靶標(biāo)（A1～D3）在靶標(biāo)溫度300.7 K 時(shí)，圖像采集結(jié)果。

圖 5 靶標(biāo)溫度為26.0 ℃時(shí)系統(tǒng)圖像采集結(jié)果Fig.5 Results of system image acquisition at target temperature of 26.0 ℃

根據(jù)每一個(gè)靶標(biāo)的采集紅外圖像。組織10 名觀察員進(jìn)行判讀：當(dāng)靶標(biāo)處于某一位置，觀察員恰好能夠從采集圖像中識(shí)別出靶標(biāo)形狀，即增大靶標(biāo)與紅外系統(tǒng)之間的距離，觀察員無(wú)法識(shí)別靶標(biāo)形狀時(shí)，記錄觀察員對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離。結(jié)果如圖6～圖8 所示。

圖 6 靶標(biāo)溫度26.0 ℃時(shí)觀測(cè)員對(duì)紅外系統(tǒng)識(shí)別距離實(shí)物試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 26.0 ℃ from measured images

圖 7 靶標(biāo)溫度34.0 ℃時(shí)觀測(cè)員對(duì)紅外系統(tǒng)識(shí)別距離實(shí)物試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 34.0 ℃ from measured images

圖 8 靶標(biāo)溫度42.0 ℃時(shí)觀測(cè)員對(duì)紅外系統(tǒng)識(shí)別距離實(shí)物試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 42.0 ℃ from measured images

針對(duì)多名觀察員的試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)平均值，得到系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離，結(jié)果如表2 所示。

表 2 紅外系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離實(shí)物試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of infrared system recognition range for targets

4）紅外系統(tǒng)成像仿真結(jié)果

將實(shí)物試驗(yàn)記錄的系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境條件、靶標(biāo)位置等信息錄入紅外系統(tǒng)成像仿真模型，并利用紅外系統(tǒng)成像仿真模型對(duì)靶標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像仿真。根據(jù)上述試驗(yàn)流程，本文通過設(shè)置不同靶標(biāo)溫度（26.0 ℃、34.0 ℃和42.0 ℃），開展了多次試驗(yàn)。圖9 為對(duì)不同靶標(biāo)（A1～D3）在靶標(biāo)溫度26.0 ℃時(shí)，紅外熱像儀成像仿真結(jié)果。

根據(jù)每一個(gè)靶標(biāo)的紅外仿真圖像，組織與實(shí)物試驗(yàn)相同的10 名觀察員進(jìn)行判讀：當(dāng)靶標(biāo)處于某一位置，觀察員恰好能夠從采集圖像中識(shí)別出靶標(biāo)形狀，即增大靶標(biāo)與紅外系統(tǒng)之間的距離，觀察員無(wú)法識(shí)別靶標(biāo)形狀時(shí)，記錄觀察員對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離。結(jié)果如圖10～圖12 所示。

圖 9 靶標(biāo)溫度為26.0 ℃時(shí)紅外系統(tǒng)成像仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of infrared system imaging at target temperature of 26.0 ℃

圖 10 靶標(biāo)溫度26.0 ℃時(shí)觀測(cè)員對(duì)紅外系統(tǒng)識(shí)別距離仿真試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.10 Simulation test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 26.0 ℃ from simulated images

圖 11 靶標(biāo)溫度34.0 ℃時(shí)觀測(cè)員對(duì)紅外系統(tǒng)識(shí)別距離仿真試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.11 Simulation test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 34.0 ℃ from simulated images

針對(duì)多名觀察員的試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)平均值，得到系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離，結(jié)果如表3所示。

5）紅外系統(tǒng)成像仿真模型準(zhǔn)確度分析

根據(jù)實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果和仿真試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算每一組試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差。根據(jù)每一組試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差，可計(jì)算紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度，結(jié)果如表4 所示。

表 3 紅外系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)的識(shí)別距離仿真試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of simulation test of infrared system recognition range for targets

表 4 紅外系統(tǒng)成像仿真模型相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)Table 4 Relative errors statistics of imaging simulation model of infrared system

綜合考慮仿真圖像與實(shí)測(cè)圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小、人眼判讀能力等多個(gè)方面的差異，根據(jù)每一組試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差，紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度η=1-10.49%=89.51%。

圖 12 靶標(biāo)溫度42.0 ℃時(shí)觀測(cè)員對(duì)紅外系統(tǒng)識(shí)別距離仿真試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.12 Simulation test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 42.0 ℃ from simulated images

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有紅外成像仿真驗(yàn)證方法未考慮人眼視覺的影響這一問題，提出了基于識(shí)別距離的紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗(yàn)證方法。以識(shí)別距離作為紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)因子，可以考評(píng)仿真圖像與實(shí)測(cè)圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小、人眼視覺等方面的綜合差異，考慮的因素更多更全面。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的驗(yàn)證方法結(jié)果更符合客觀事實(shí)。然而，該方法受人的主觀因素影響較大，針對(duì)這一問題，下一步工作將進(jìn)一步結(jié)合人眼視覺感知機(jī)理，研究基于人眼視覺感知的紅外成像仿真驗(yàn)證方法。此外，本文僅考慮了靜態(tài)場(chǎng)景，未開展平臺(tái)運(yùn)動(dòng)或目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況下的紅外成像仿真驗(yàn)證工作，這將是后續(xù)工作重點(diǎn)。