何永強(qiáng)，唐德帥，胡文剛，元 雄，耿 達(dá)

（軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003）

引 言

目前，紅外場景仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，根據(jù)紅外圖像生成原理不同可以分為直接輻射型和輻射調(diào)制型，采用的主要技術(shù)有：電阻陣列、光二極管陣列、Bly Cell、液晶光閥、數(shù)字微鏡器件（DMD）等［1］。其中，基于DMD的紅外場景仿真系統(tǒng)以其高圖像分辨率、高光效效率以及全數(shù)字化控制等優(yōu)勢得到越來越多的重視和應(yīng)用。它以光源溫度可調(diào)、顯示幀頻可調(diào)等特點(diǎn)可以適用于多種凝視型紅外探測設(shè)備。

紅外場景仿真系統(tǒng)的最終目的是投影出感興趣的紅外目標(biāo)和背景信息，為紅外成像設(shè)備提供信息源。場景仿真系統(tǒng)所產(chǎn)生的紅外圖像的質(zhì)量直接關(guān)系到仿真實(shí)驗(yàn)的效果，因此，選擇合適的方法對場景仿真系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)具有重要的意義。目前，對場景仿真系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的相關(guān)研究較少，李卓等人提出了紅外場景生成裝置的主要技術(shù)指標(biāo)評測體系［2－4］，對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行包括時(shí)間特性、空間分辨率、空間均勻性、幾何畸變等指標(biāo)在內(nèi)的定量評價(jià)。為了在實(shí)際應(yīng)用過程中迅速、簡潔地確定仿真系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，本文提出一種利用客觀評價(jià)方法，通過采用標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備對實(shí)物場景進(jìn)行探測成像，與場景生成器產(chǎn)生的原始圖像進(jìn)行相似度對比，實(shí)現(xiàn)場景仿真系統(tǒng)的定性評價(jià)，對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可以快速確定仿真系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)評價(jià)測試指標(biāo)

通過對紅外場景仿真系統(tǒng)成像質(zhì)量的測試與評價(jià)能夠?qū)Ψ抡嫦到y(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展提出具體要求，具有學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。紅外場景生成裝置的主要技術(shù)指標(biāo)包括：時(shí)間特性、空間分辨率、空間均勻性、幾何畸變、動態(tài)范圍、最大輻射功率密度、最小可分辨溫差、串?dāng)_和輻射對比度等。其中又以均勻性、對比度、幾何畸變和空間分辨率最為重要，為圖像性能評測中優(yōu)先考慮的評測指標(biāo)。

時(shí)間特性是描述像元輻射或調(diào)制紅外輻射通量變化速度的特征量。它的測量主要包括幀頻、上升時(shí)間、保持時(shí)間和下降時(shí)間的測量。空間分辨率是指系統(tǒng)單位寬度范圍內(nèi)可識別的線對數(shù)，單位是lp／mm?？梢杂谜{(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）表示，表征了仿真系統(tǒng)傳遞不同頻率信號調(diào)制度的傳遞特性，即經(jīng)過場景仿真系統(tǒng)成像前后像的調(diào)制度與物的調(diào)制度之比。空間均勻性是指當(dāng)輸入均勻強(qiáng)度分布的圖像時(shí)，場景仿真系統(tǒng)上不同區(qū)域的強(qiáng)度差異。幾何畸變反映場景仿真系統(tǒng)生成圖像相對于理想圖像的變形程度，定義實(shí)際圖像上某點(diǎn)到圖像中心點(diǎn)的徑向距離與理想徑向距離之差為圖像上此點(diǎn)的絕對畸變。絕對畸變與理想徑向距離的比值為相對畸變。

上述指標(biāo)比較全面地反映了場景仿真系統(tǒng)的成像質(zhì)量，通過對上述指標(biāo)的測試，可以完整地描述出仿真系統(tǒng)的性能，對仿真系統(tǒng)的改進(jìn)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，但具體測試過程相對復(fù)雜，比如，空間分辨率和空間均勻性的測量需要利用點(diǎn)源掃描輻射計(jì)逐點(diǎn)掃描得到，其他指標(biāo)的測量也需要多次重復(fù)測量、比較得出，實(shí)施起來具有一定的難度。

2 成像質(zhì)量評價(jià)方法

為了在實(shí)際應(yīng)用過程中迅速、簡便地確定仿真系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，本文提出一種利用客觀評價(jià)方法。通過采用標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備對某一實(shí)物場景進(jìn)行探測成像，然后利用場景生成器模擬實(shí)物場景，用紅外成像設(shè)備對其探測成像；通過調(diào)整仿真系統(tǒng)工作參數(shù)，得到多幅圖像，分別與實(shí)物場景所成的圖像進(jìn)行相似度對比，實(shí)現(xiàn)對場景仿真系統(tǒng)的定性評價(jià)，并對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

圖像質(zhì)量評價(jià)的方法可以分為兩種［5］：（1）主觀評價(jià)方法：通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由觀察者對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)；（2）客觀評價(jià)方法：采用某種算法對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。其中主觀評價(jià)方法和人的主觀感受聯(lián)系緊密，但它費(fèi)時(shí)、復(fù)雜，對觀察者的專業(yè)背景要求較高，并且不能結(jié)合到其它算法中使用；客觀評價(jià)方法方便、快捷，但它和人的主觀感受有一定出入。通常提到的圖像質(zhì)量評價(jià)算法指客觀評價(jià)算法，其目的是獲得和主觀評價(jià)結(jié)果一致的評價(jià)值。

由于仿真系統(tǒng)投影的圖像是以圖像產(chǎn)生器產(chǎn)生的圖像為信號源，所以本文利用一款經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備，對場景仿真系統(tǒng)探測成像，并將所成的像與所仿真的實(shí)物場景進(jìn)行相似度比較，通過多幅圖像對比，定性評價(jià)場景仿真系統(tǒng)的成像質(zhì)量。評價(jià)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖像相似度的測量通常是用恢復(fù)圖像與原圖像之間的統(tǒng)計(jì)誤差來衡量恢復(fù)圖像的質(zhì)量，若誤差越小，則差異越小。常用的圖像逼真度測量參數(shù)有平均絕對誤差（MAE）、均方誤差（MSE）、歸一化均方誤差（NMSE）、信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）［6］。

2.1 平均絕對誤差（MAE）

把被評價(jià)圖像與原始圖像各點(diǎn)灰度差的絕對值之和除以圖像的大小，其值越小表示與原圖像的偏差越小，圖像質(zhì)量越好。計(jì)算表達(dá)式如下：

其中，M和N 分別是圖像長度和寬度上的像素個(gè)數(shù)，g（i，j）和（i，j）分別是原始圖像和被評價(jià)圖像在點(diǎn)（i，j）處的灰度值。

圖1 評價(jià)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the structure of the evaluation system

2.2 均方誤差（MSE）

是判斷圖像質(zhì)量最常用的方法之一，值越小表示圖像質(zhì)量越好。計(jì)算表達(dá)式如下：

2.3 歸一化均方誤差（NMSE）

是一種基于能量歸一化的測量方法，它相對均方誤差是將分母的圖像大小變成了原始圖像各個(gè)像素灰度的平方和，值越小表示圖像質(zhì)量越好。計(jì)算表達(dá)式如下：

2.4 信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）

信噪比和峰值信噪比也是用來測量圖像質(zhì)量的常用參數(shù)，不同的是前幾個(gè)參數(shù)是越小越好，但信噪比和峰值信噪比是值越大代表圖像質(zhì)量越好。計(jì)算表達(dá)式分別如下：

由于圖形質(zhì)量評價(jià)方法吸引越來越多學(xué)者的關(guān)注，出現(xiàn)了大量的評價(jià)方法，評價(jià)對象各有不同，經(jīng)常采用的指標(biāo)為MSE和PSNR，它們都是基于統(tǒng)計(jì)特性的圖形質(zhì)量評價(jià)方法，計(jì)算比較直觀、嚴(yán)格，使得它們一直得到廣泛應(yīng)用，但也存在缺點(diǎn)，對于嚴(yán)格質(zhì)量要求的場合不宜使用，原因是它們都是基于逐像素點(diǎn)比較圖形差別，只能近似反映圖形質(zhì)量。由于紅外場景仿真系統(tǒng)所成圖形本身質(zhì)量存在一定缺陷，使用上述方法進(jìn)行評價(jià)完全可以表征圖像質(zhì)量好壞。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對于圖像質(zhì)量區(qū)別明顯的圖像可以通過人眼直接分辨出像質(zhì)的好壞，而對于圖像質(zhì)量十分接近的圖像則需要借助評價(jià)函數(shù)來區(qū)分，如圖2所示。

圖2 圖像質(zhì)量評價(jià)示例Fig.2 Examples of image quality

圖2（b）、（c）、（d）像質(zhì)接近，僅僅通過人眼無法立即判別圖像質(zhì)量的好壞，需要通過評價(jià)函數(shù)來區(qū)分。經(jīng)過采用上述評價(jià)算法與圖2（a）比較之后，得到數(shù)據(jù)如下：

通過分析評價(jià)結(jié)果可以得出，場景仿真系統(tǒng)工作在圖2（b）工作狀態(tài)時(shí)比工作在其它兩個(gè)狀態(tài)時(shí)成像效果要好。利用上述算法進(jìn)行成像質(zhì)量的比較判斷，在實(shí)際應(yīng)用中，便于每次使用之前進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，可以快速、便捷確定仿真系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)。

開發(fā)了系統(tǒng)工作狀態(tài)尋優(yōu)軟件，工作界面如圖3所示。

表1 評價(jià)算法結(jié)果Tab.1 Results of the evaluating algorithm

圖3 評價(jià)軟件界面Fig.3 Interface of the evaluating software

4 結(jié) 論

介紹了紅外場景仿真系統(tǒng)成像質(zhì)量定量測評的技術(shù)指標(biāo)，以及圖像質(zhì)量評價(jià)的方法和算法比較。

利用一種客觀評價(jià)方法，通過采用標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備對某一實(shí)物場景進(jìn)行探測成像，然后利用場景生成器實(shí)物場景，用紅外成像設(shè)備對其探測成像，將所成的兩幅圖像進(jìn)行相似度對比，實(shí)現(xiàn)場景仿真系統(tǒng)的定性評價(jià)，并對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可以快速確定仿真系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)。

［1］唐德帥，何永強(qiáng)，黃富瑜，等.基于DMD的動態(tài)紅外場景仿真技術(shù)研究［J］.紅外技術(shù)，2012，34（8）：476－481.

［2］李 卓，李 平，單 偉.紅外動態(tài)場景測試評價(jià)技術(shù)［J］.紅外與激光工程，2008，37（3）：406－410.

［3］錢麗勛，李 卓，范增明，等.紅外動態(tài)場景圖像質(zhì)量評價(jià)理論概述［J］.紅外與激光工程，2011，40（10）：1835－1840.

［4］錢麗勛，李 卓，范增明，等.一種紅外動態(tài)場景圖像評價(jià)裝置的性能測試［J］.紅外與激光工程，2012，41（9）：2311－2316.

［5］蔣剛毅，黃大江，王 旭，等.圖像質(zhì)量評價(jià)方法研究進(jìn)展［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32（1）：219－226.

［6］謝風(fēng)英，趙丹培.Visual C＋＋數(shù)字圖像處理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.