郭冰濤，韓 琪，惠 進(jìn)，張衛(wèi)國

（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[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。因此，開展紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗證方法研究具有十分重要的意義和應(yīng)用價值。

目前，紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗證的主要方式是對比紅外系統(tǒng)成像仿真模型和實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)者提出了通過對比仿真圖像和實測圖像的圖像特征（如直方圖，對比度，信息熵等）對仿真模型準(zhǔn)確度進(jìn)行評價[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)成像仿真模型驗證過程中，需要考評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，還需要考評人眼視覺對仿真圖像和實測圖像的判別能力的差異。如果紅外圖像用于機(jī)器視覺，如自動識別、自動跟蹤，還需要考評機(jī)器視覺對仿真圖像和實測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價方法都沒有考慮人眼視覺對仿真圖像和實測圖像的判別能力的差異。

針對上述問題，本文提出了一種基于識別距離的紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗證方法。以識別距離作為紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度評價因子，不僅可以考評仿真圖像與實測圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等方面的綜合差異，還可以考評人眼視覺對仿真圖像和實測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)勢所在。目前，作者所在團(tuán)隊已經(jīng)提出一種利用實測圖像實現(xiàn)紅外系統(tǒng)成像仿真方法[9-10]?，F(xiàn)需要針對仿真模型進(jìn)行驗證。

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)該考慮人眼視覺對圖像的判讀能力。即使仿真圖像與實測圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小等方面完全一致，人眼對仿真圖像與實測圖像的判讀結(jié)果（如識別距離、探測概率）也有可能不一致[11-12]。圖1(a)為實測紅外圖像，來自文獻(xiàn)[5]。圖1(b)為“仿真”圖像。假設(shè)“仿真”圖像與實測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)有評價方法的話，該“仿真”方法準(zhǔn)確度為100%。但是，顯然這種評價結(jié)果是令人難以置信的，因為對人眼判讀來說，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證因子，僅能評價仿真結(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。而利用識別距離/概率評價仿真結(jié)果則不存在這一問題。本文將利用識別距離實現(xiàn)紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗證，具體方法如圖2 所示。

圖 1 紅外圖像仿真效果驗證示例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)信號響應(yīng)、空間傳遞函數(shù)MTF、噪聲等各因素對系統(tǒng)性能的綜合影響，需要設(shè)計不同大小、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)對黑體靶標(biāo)進(jìn)行成像，并選擇多名觀察人員對圖像判讀，統(tǒng)計判讀結(jié)果期望值和方差；

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

步驟4：將步驟2 和步驟3 統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行對比，計算紅外系統(tǒng)成像仿真模型置信度。

2 紅外系統(tǒng)成像仿真模型的驗證評價指標(biāo)

為實現(xiàn)對紅外成像仿真模型進(jìn)行綜合評價，必須對指標(biāo)進(jìn)行合理的選擇，且評價指標(biāo)得到的結(jié)果應(yīng)與人類視覺感受相符。本文通過設(shè)計不同形狀、尺寸、溫差（總計X個）的靶標(biāo)進(jìn)行試驗。

1）實物試驗

每次試驗開始前記錄系統(tǒng)狀態(tài)（包括焦距、觀測方向、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，觀察員無法識別靶標(biāo)形狀時，記錄觀察員對靶標(biāo)的識別距離。

對多名觀察員的試驗結(jié)果統(tǒng)計平均值，得到系統(tǒng)對靶標(biāo)的識別距離。

針對每一個靶標(biāo)進(jìn)行試驗，得到系統(tǒng)對每一個靶標(biāo)的識別距離R10，R20，...，RX0。

2）仿真試驗

將實物試驗記錄的系統(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)成像仿真模型對靶標(biāo)進(jìn)行成像仿真。

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

3）紅外系統(tǒng)成像仿真模型的驗證

根據(jù)實物試驗結(jié)果和仿真試驗結(jié)果，計算每一組試驗結(jié)果的相對誤差Δi。例如，針對第1 組靶標(biāo)，仿真結(jié)果相對誤差為

根據(jù)每一組試驗結(jié)果的相對誤差，計算紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度η：

3 試驗與結(jié)果分析

1）試驗用紅外系統(tǒng)介紹

利用上述方法，針對紅外系統(tǒng)成像仿真方法[9-10]開展了驗證試驗。試驗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

在試驗過程中，紅外成像系統(tǒng)需要對靶標(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，可實現(xiàn)靶標(biāo)溫度精確控制。

實驗過程中，設(shè)計4 種形狀靶標(biāo)，每種形狀靶標(biāo)設(shè)計有3 種尺寸，如圖4 所示。其中，正方形目標(biāo)A1、A2、A3的邊長分別為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上底邊長分別為5 mm、10 mm、20 mm，下底邊長和高相同，分別為10 mm、20 mm、40 mm。

圖 3 靶標(biāo)設(shè)計示意圖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。圖5 為紅外熱像儀對不同靶標(biāo)（A1～D3）在靶標(biāo)溫度300.7 K 時，圖像采集結(jié)果。

圖 5 靶標(biāo)溫度為26.0 ℃時系統(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，觀察員無法識別靶標(biāo)形狀時，記錄觀察員對靶標(biāo)的識別距離。結(jié)果如圖6～圖8 所示。

圖 6 靶標(biāo)溫度26.0 ℃時觀測員對紅外系統(tǒng)識別距離實物試驗測試結(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 ℃時觀測員對紅外系統(tǒng)識別距離實物試驗測試結(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 ℃時觀測員對紅外系統(tǒng)識別距離實物試驗測試結(jié)果Fig.8 Test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 42.0 ℃ from measured images

針對多名觀察員的試驗結(jié)果，統(tǒng)計平均值，得到系統(tǒng)對靶標(biāo)的識別距離，結(jié)果如表2 所示。

表 2 紅外系統(tǒng)對靶標(biāo)的識別距離實物試驗統(tǒng)計結(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

將實物試驗記錄的系統(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)成像仿真模型對靶標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像仿真。根據(jù)上述試驗流程，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。圖9 為對不同靶標(biāo)（A1～D3）在靶標(biāo)溫度26.0 ℃時，紅外熱像儀成像仿真結(jié)果。

根據(jù)每一個靶標(biāo)的紅外仿真圖像，組織與實物試驗相同的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，觀察員無法識別靶標(biāo)形狀時，記錄觀察員對靶標(biāo)的識別距離。結(jié)果如圖10～圖12 所示。

圖 9 靶標(biāo)溫度為26.0 ℃時紅外系統(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 ℃時觀測員對紅外系統(tǒng)識別距離仿真試驗測試結(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 ℃時觀測員對紅外系統(tǒng)識別距離仿真試驗測試結(jié)果Fig.11 Simulation test results of infrared system recognition range of each observer at target temperature of 34.0 ℃ from simulated images

針對多名觀察員的試驗結(jié)果，統(tǒng)計平均值，得到系統(tǒng)對靶標(biāo)的識別距離，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)實物試驗結(jié)果和仿真試驗結(jié)果，計算每一組試驗結(jié)果的相對誤差。根據(jù)每一組試驗結(jié)果的相對誤差，可計算紅外系統(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)對靶標(biāo)的識別距離仿真試驗統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistical results of simulation test of infrared system recognition range for targets

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

綜合考慮仿真圖像與實測圖像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小、人眼判讀能力等多個方面的差異，根據(jù)每一組試驗結(jié)果的相對誤差，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 ℃時觀測員對紅外系統(tǒng)識別距離仿真試驗測試結(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

針對現(xiàn)有紅外成像仿真驗證方法未考慮人眼視覺的影響這一問題，提出了基于識別距離的紅外系統(tǒng)成像仿真模型驗證方法。以識別距離作為紅外系統(tǒng)成像仿真模型的準(zhǔn)確度評價因子，可以考評仿真圖像與實測圖像在灰度分布、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。試驗結(jié)果表明，本文提出的驗證方法結(jié)果更符合客觀事實。然而，該方法受人的主觀因素影響較大，針對這一問題，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證方法。此外，本文僅考慮了靜態(tài)場景，未開展平臺運(yùn)動或目標(biāo)運(yùn)動情況下的紅外成像仿真驗證工作，這將是后續(xù)工作重點(diǎn)。