CN102636336B - 基于等效照明和mrc的主动近红外摄像机作用距离测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法，该方法可以在实验室条件下测量主动近红外摄像机的作用距离，具体的过程为：在暗室环境下测量摄像机上红外灯出射光束的散射角α；计算出摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀；描绘出主动近红外摄像机的最小可分辨对比度MRC曲线；计算最小空间频率f和目标与背景的表观对比度C；根据步骤七中计算的f和C，查MRC曲线得到辐照度值，并计算在距离l′下红外灯的光辐射功率Φ′₀，根据Φ′₀对红外灯的总辐射功率Φ₀进行对比，更新目标距离l′直至找到满足条件的l′。采用本方法对主动近红外摄像机作用距离测试，其实现简单且评价效果好。

Description

基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于等效照明和最小可分辨对比度（MRC）的主动近红外摄像机作用距离测试方法，尤其涉及一种利用等效照明原理并结合成像系统MRC作用距离预测模型暗室内测量主动近红外摄像机作用距离的方法。

背景技术

连续照明工作模式的主动近红外成像技术作为最早的夜视技术模式，具有技术成熟性高，成本相对较低，作用距离远、图像质量好等特点，在早期夜间战场侦察、观瞄领域发挥了重要的作用。近年来，随着激光器技术以及CCD/CMOS成像技术的发展，利用近红外辅助照明的CCD/CMOS成像技术在夜间边海防监视、安全监控、车辆辅助驾驶等领域获得了成功的应用，其中最具代表性的就是用于交通监控和夜间安全监控的主动近红外一体摄像机。面对市场上种类繁多的主动近红外摄像机，如何测试其作用距离，规范制造商标称的性能指标，就成为摆在仪器测试人员面前的难题。

发明内容

本发明提供一种基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法，该方法可以在实验室条件下测量主动近红外摄像机的作用距离，该方法实现简单且评价效果好。

实现本发明的技术方案如下：

步骤一、在暗室环境下测量摄像机上红外灯出射光束的散射角α；

步骤二、选取与所述红外灯出射波波长相同的、辐照度可调的光源，在暗室环境下测量出所述光源的辐照度与该辐照度下光斑图像灰度值之间的对应关系；根据选定灰度值所对应的辐照度，以及该辐照度下光斑图像的面积，计算出摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀；

步骤三、将α代入大气透过率经验公式，得到辐照度、辐射功率与辐射距离之间的计算关系；

步骤四、将所述光源设置于无穷远目标发生器的入射端，将摄像机放在无穷远目标发生器的出射端，并使摄像机的光轴与目标发生器的平行光管的光轴重合；并根据所述平行光管的透过率τ_c，获取目标与背景的表观对比度C与距离之间的关系；

步骤五、调节所述光源出射光的辐照度，使其按照不同辐照度出射，针对每一辐照度的出射光，通过摄像机对多块分辨率靶进行观测，针对每一块分辨率靶确定所能分辨的最小对比度，并记录该分辨率靶的空间频率与最小对比度之间的对应关系；其中每块所述分辨率靶包括多个空间频率相同、对比度不同的条纹组，且不同分辨率靶之间的条纹组的空间频率互不相同；此步骤中摄像机与各分辨率靶之间的距离相同，并将该距离记为l′；

步骤六、在每一辐照度值下，根据步骤五中记录的对应关系，描绘出在该辐照度下主动近红外摄像机的最小可分辨对比度MRC曲线；

步骤七、给定初始时目标相对于主动近红外摄像机的距离l′；根据公式（7）计算出所需的最小空间频率f；

$\frac{d}{{\mathrm{Nl}}^{\′}}\≥\frac{1}{f}---\left(7\right)$

其中N为给定的目标条带的周期数，d为目标的高度；

同时利用步骤四中确定的表观对比度与距离之间的关系，确定在距离l′下目标与背景的表观对比度C；

步骤八、根据步骤七中计算的f和C，查MRC曲线得到辐照度值，并将此时获得的辐照度定义为到达摄像机入射面上的辐照度E′，依据公式（6）计算出E

E'＝Eτ_cC² （6）

其中τ_c为平行光管的透过率；

并依据辐照度E利用步骤三中确定的关系，计算在距离l′下红外灯的光辐射功率Φ′₀；

步骤九、将所述辐射功率Φ′₀与步骤二中测量的红外灯的总辐射功率Φ₀进行对比，计算出Φ′₀与Φ₀之间的偏离度当时，则将当前目标距离确定为主动近红外成像系统对目标完成指定视觉任务条件下的作用距离，否则，若Φ′₀＜Φ₀时，则增大目标距离l′并返回步骤七，若Φ′₀＞Φ₀时，则减小目标距离l′并返回步骤七，ξ为事先设定的参数。

有益效果

本发明由于采用了照明等效的原理，实现了室内测试主动近红外摄像机性能的目标，在此基础上，采用MRC作用距离预测模型预测了主动近红外摄像机的作用距离，解决了室外测试的不方便和种种不可控因素带来的不稳定因素，为应用广泛的主动近红外摄像机性能测试提供了有效的手段。

附图说明

图1为本发明基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施例对本发明进行详细说明。

在光学领域中，对于扩展源目标，通过光电成像系统能够探测、识别和认清目标的条件是：①目标具有足够的张角；②目标/背景的表观对比度应大于等于光电成像系统可分辨对比度MRC。即

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d}{\mathrm{Nl}}\≥\frac{1}{f}---\left(1a\right)\\ C(\mathrm{\λ},l)\≥{\mathrm{MRC}}_a[f,L_m\left(l\right)]---\left(1b\right)\end{array}\right.$

式中，L_m(l)＝L_m0·τ_a(l)景物表观平均亮度，L_m0＝(L_t+L_b)/2，L_t为目标的亮度，L_b为背景的亮度；τ_a为大气透过率；l为目标的距离；d为目标等效尺寸；目标条带图案的周期数N，其由视觉任务及概率要求确定，根据Johnson准则，在50%概率条件下的条带周期数为N₅₀（探测为1，识别为4，认清为6.4）。f为按照视觉任务下所需的系统空间频率，λ为光波的波长。

测试分两部分：(1)测试摄像机在给定照射距离处的等效辐照度；(2)测试在等效辐照度、以及给定大气条件K和目标对比度C₀条件下，主动近红外摄像机的最小可分辨对比度MRC曲线，并在此基础上，采用逐步逼近的方法预测主动近红外摄像机的作用距离。

如图1所示，本发明基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法，具体步骤为：

步骤一、在暗室环境下测量摄像机上红外灯出射光束的散射角α。

步骤101、将实验室内的灯关闭，使实验室内处于暗室环境中；将待测摄像机上自带的红外灯打开，选取一块漫反射板放在红外灯出射光束的光路上，且使漫反射板与摄像机之间的间距为l₁，此时采集漫反射板上得到的圆形光斑，并将此时光斑的半径记为R₁；在光学领域中，通常情况下光斑的半径为光斑的有效半径，即指忽略光斑边缘照度分布较均匀的亮斑半径，其汇集了总辐射能的90%左右，光斑半径可以通过尺寸标定、图像处理以及直接测量获得，该获得的过程属于现有常规技术，在此不进行累述。

步骤102、更新漫反射板的位置，使其位于红外灯所出射光束的光路上，且与摄像机相距l₂，将此时获取光斑的半径记为R₂。

步骤103、根据两个半径不同的光斑和两次实验漫反射板之间的距离，得到该红外灯出射时的散射角α，即

$\tan \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{R_2-R_1}{l_2-l_1}---\left(2\right)$

步骤二、选取与所述红外灯出射波波长相同的、辐照度可调的光源，在暗室环境下测量出所述光源的辐照度与该辐照度下光斑图像灰度值之间的对应关系；根据选定灰度值所对应的辐照度，以及该辐照度下光斑图像的面积，计算出摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀。

该步骤的具体过程如下：

步骤201、选取与摄像机上红外灯出射光波的波长相同的、辐照度可调的光源，并将该光源与积分球的光线入口相连，这样就可以保证从积分球出口出射的光束的光照度均匀。

步骤202、将实验室中的灯关闭，使实验室处于暗室环境中，将连接积分球的光源处于该暗室环境中，同时将漫反射板放置于光源的正前方，此时用CCD采集漫反射板上的光斑图像，并用辐照度计标定积分球上出射光束的辐照度值，按照设定的步长ΔE调节光源的辐照度，直至采集N′幅光斑图像为止，通常情况所采集的N′需要保证步骤203中所拟合曲线的精度，通过多次试验N′取值范围为95-105即可以满足要求。

步骤203、获取每一幅CCD采集到图像的灰度值（即图像上各像素点的进行平均后的灰度值），根据N′幅光斑图像所对应的灰度值和辐照度值进行曲线拟合，该曲线上横坐标为灰度值，纵坐标为辐照度值；进而可以从该曲线获得在所述光源可调的辐照度范围内，灰度值与辐照度值之间的对应关系。

步骤204、利用所述对应关系，选定摄像机上红外灯出射光束形成光斑图像的灰度值为Q时所对应的辐照度E_Q，以及确定在E_Q下光斑半径R_Q，令并将Φ₀记为所述红外灯的总辐射功率。本步骤中为了简化试验步骤直接使用在步骤101中获取的光斑图像的灰度值，并将Q定为步骤101或步骤102所获得光斑图像的平均灰度值，则可以在步骤101或102中在进一步测量出获取光斑的灰度值；当利用的灰度值为步骤101中获取光斑的灰度值，则R_Q=R₁；当利用的灰度值为步骤102中获取光斑的灰度值，则R_Q=R₂；但是在该步骤中重新获取一光斑图像也是可以的。

步骤三、将α代入大气透过率经验公式，得到辐照度、辐射功率与辐射距离之间的计算关系。

具体过程为：

若实际观测目标和摄像机的距离为L，则红外灯在目标上形成一个半径为R＝Ltanα的光斑，该光斑的面积为S＝πR²；用式（3）或用LOWTRAN软件，计算大气衰减系数设为τ_a，

${\mathrm{\&tau;}}_a\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\exp (-\frac{3.912}{R_V}{\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{q}L),q=\left\{\begin{array}{cc}0.585R_V^{1/3},& R_V<6\mathrm{km}\\ 1.3,& R_V~10\mathrm{km}\\ 1.6,& R_V>50\mathrm{km}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，R_V为大气能见距离，其可根据实际的使用环境查表得到，通常取λ₀=0.55μm或λ₀=0.61μm。

则照射到目标上的近红外灯的辐射功率为Φ＝Φ₀τ_a，目标上的辐照度为 $E=\frac{\mathrm{\&Phi;}}{S}$

即：

其中R_V，q，λ₀，α，λ（红外灯的波长）都为常数，公式（4）确定了Φ₀、L及E之间的关系，只需获取其中任意两个参数并可根据公式（4）求出第三个参数。

步骤四、将所述光源设置于无穷远目标发生器的入射端，将摄像机放在无穷远目标发生器的出射端，并使摄像机的光轴与目标发生器的平行光管的光轴重合；为保证测试精度，平行光管通光口径应大于被测摄像机镜头通光口径的20%，平行光管焦距应是被测摄像机镜头焦距的2倍以上。

进一步根据所述平行光管的透过率τ_c，获取目标与背景的表观对比度C与观测距离之间的关系；

由于受到大气衰减的影响，目标与背景实际的表观对比度为：

$C=C_0\frac{1}{1+K(1-{\mathrm{\&tau;}}_a)/{\mathrm{\&tau;}}_a}---\left(5\right)$

其中K为地平天空亮度与背景亮度之比，C₀目标与背景的实际对比度，这两参数都可以根据观测环境进行设定。

则到达摄像机入射面上的照度为，

E'＝Eτ_cC² （6）

其中，τ_c为平行光管的透过率。

步骤五、调节所述光源出射光的辐照度，使其按照不同辐照度出射，针对每一辐照度的出射光，通过摄像机对多块分辨率靶进行观测，针对每一块分辨率靶确定所能分辨的最小对比度的条纹组，并记录分辨率靶的空间频率与最小对比度之间的对应关系；其中每块所述分辨率靶包括若干空间频率相同、对比度不同的条纹组，且不同分辨率靶之间的条纹组的空间频率互不相同；此步骤中摄像机与各分辨率靶之间的距离相同，并将该距离记为l′。

步骤六、在每一辐照度下，步骤五中记录的对应关系，描绘出在该辐照度下主动近红外摄像机的最小可分辨对比度MRC曲线。

下面针对步骤五和步骤六，列举实例进行具体说明：

调节光源使按[E₁,E₂,E₃,…,E₁₀]这10种辐照度依次出射，并设定20块分辨率靶的条纹组的空间频率分别为[f₁,f₂,f₃,…,f₂₀]，每块分辨率靶包括15种对比度的条纹组，分别为[C₁,C₂,C₃,…,C₁₅]。即每块分辨率靶对应一种空间频率的15组条纹，共20块分辨率靶。

当调节光源使其出射光的辐照度为E₁，此时通过摄像机观测空间频率为f₁的分辨率靶，通过摄像机观测确定此时可以分辨的最小对比度。

然后通过摄像机观测空间频率为f₂的分辨率靶，通过摄像机再次确定所能分辨的最小对比度，并依次类推，直至对多组分辨率靶皆观测完毕为止。

最后在辐照度为E₁的情况下，针对每一块分辨率靶，皆获得一个最小对比度；令横坐标为空间频率，纵坐标为最小对比度，此时可以在坐标系中拟出C-f曲线。

当以上10个辐照度都进行与E₁相同的操作时，则可以拟出10条C-f曲线。

为了使得获得的曲线更为精确，则可以在光源辐照度可调的范围内，按照较小的辐照度调节步长进行调节，这样可以使得拟出的C-f曲线尽可能多。

步骤七、给定初始时目标相对于主动近红外摄像机的距离l′(即观测距离)；根据公式（7）计算出所需的最小空间频率f，即公式（7）中取等号时的f；

$\frac{d}{{\mathrm{Nl}}^{\&prime;}}\&GreaterEqual;\frac{1}{f}---\left(7\right)$

采用式（3）或现有大气传输模拟软件包(如LOWTRAN、MODTRAN)计算路径大气传输特性，并按式（5）计算在距离l′下目标场景的表观对比度C。

步骤八、根据步骤七中计算的f和C，查MRC曲线得到辐照度值，并将此时获得的辐照度定义为到达摄像机入射面上的辐照度E′；利用公式（6）计算出E，并将E和l′带入公式(4)中，确定该辐照度E下所对应的红外灯的辐射功率Φ′₀；

步骤九、将所述辐射功率Φ′₀与步骤二中测量的红外灯的总辐射功率Φ₀进行对比，计算出Φ′₀与Φ₀之间的偏离度，当则将当前目标距离确定为主动近红外成像系统对目标完成指定视觉任务条件下的作用距离，否则，若Φ′₀＜Φ₀时，则增大目标距离l′并返回步骤七，若Φ′₀＞Φ₀时，则减小目标距离l′并返回步骤七；ξ为事先设定的参数，本步骤中令ξ=0.1。

综上所述，本发明提供了一种室内测试主动近红外摄像机作用距离的方法，可以用于主动近红外摄像机或功能相近产品的作用距离的测试。针对厂家生产的主动近红外摄像机，在测试其自带光源性能的基础上，采用等效照明的原理在室内模拟远距离处目标上的辐照度分布情况，并测定该条件下待测系统的最小可辨对比度曲线，结合MRC作用距离预测模型得到待测系统的最佳作用距离。可以为当前产品种类繁多、技术指标不一的主动近红外摄像机市场提供一种有效的定量检测手段，也可用于产品出厂检测、用户定期性能维护等。该方法对功能相近的摄像机类产品都适用，为仪器性能检测提供了一种新的技术手段。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法，具体步骤为：

步骤一、在暗室环境下测量摄像机上红外灯出射光束的散射角α；

步骤二、选取与所述红外灯出射波波长相同的、辐照度可调的光源，在暗室环境下测量出所述光源的辐照度与该辐照度下光斑图像灰度值之间的对应关系；根据选定灰度值所对应的辐照度，以及该辐照度下光斑图像的面积，计算出摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀；

步骤三、将α代入大气透过率经验公式，得到辐照度、辐射功率与辐射距离之间的计算关系；

步骤四、将所述光源设置于无穷远目标发生器的入射端，将摄像机放在无穷远目标发生器的出射端，并使摄像机的光轴与目标发生器的平行光管的光轴重合；并根据所述平行光管的透过率τ_c，获取目标与背景的表观对比度C与距离之间的关系；

步骤五、调节所述光源出射光的辐照度，使其按照不同辐照度出射，针对每一辐照度的出射光，通过摄像机对多块分辨率靶进行观测，针对每一块分辨率靶确定所能分辨的最小对比度，并记录该分辨率靶的空间频率与最小对比度之间的对应关系；其中每块所述分辨率靶包括多个空间频率相同、对比度不同的条纹组，且不同分辨率靶之间的条纹组的空间频率互不相同；此步骤中摄像机与各分辨率靶之间的距离相同，并将该距离记为l′；

步骤六、在每一辐照度值下，根据步骤五中记录的对应关系，描绘出在该辐照度下主动近红外摄像机的最小可分辨对比度MRC曲线；

步骤七、给定初始时目标相对于主动近红外摄像机的距离l′；根据公式（7）计算出所需的最小空间频率f；

$\frac{d}{{\mathrm{Nl}}^{\&prime;}}\&GreaterEqual;\frac{1}{f}---\left(7\right)$

其中N为给定的目标条带的周期数，d为目标的高度；

同时利用步骤四中确定的表观对比度与距离之间的关系，确定在距离l′下目标与背景的表观对比度C；

步骤八、根据步骤七中计算的f和C，查MRC曲线得到辐照度值，并将此时获得的辐照度定义为到达摄像机入射面上的辐照度E′，依据公式（6）计算出E

E'＝Eτ_cC² （6）

其中τ_c为平行光管的透过率；

并依据该辐照度利用步骤三中确定的关系，计算在距离l′下红外灯的辐射功率Φ′₀；

步骤九、将所述辐射功率Φ′₀与步骤二中测量的红外灯的总辐射功率Φ₀进行对比，计算出Φ′₀与Φ₀之间的偏离度当时，则将当前目标距离确定为主动近红外成像系统对目标完成指定视觉任务条件下的作用距离，否则，若Φ′₀＜Φ₀时，则增大目标距离l′并返回步骤七，若Φ′₀＞Φ₀时，则减小目标距离l′并返回步骤七，ξ为事先设定的参数。

2.根据权利要求1所述基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：

步骤101、在暗室环境中，在漫反射板上获取摄像机上红外灯出射的光斑，其中漫反射板位于红外灯所出射光束的光路上，且与摄像机相距l₁，将此时获取光斑的半径记为R₁；

步骤102、更新漫反射板的位置，使其位于红外灯所出射光束的光路上，且与摄像机相距l₂，将此时获取光斑的半径记为R₂；

步骤103、获取所述红外灯出射光束的散射角α

$\tan \left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{R_2-R_1}{l_2-l_1}.$

3.根据权利要求1所述基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

步骤201、选取与所述红外灯出射波波长相同的、辐照度可调的光源，并将该光源与积分球连接；

步骤202、令所述光源处于暗室环境中，按照设定的步长ΔE调节光源的辐照度，采集N′幅光源正前方漫反射板上的光斑图像，其中N′为事先设定的常数；

步骤203、针对每一幅图像获取其对应的平均灰度值，并根据N′幅光斑图像所对应的灰度值和辐照度值进行曲线拟合，进而得到灰度值与辐照度值之间的对应关系；

步骤204、利用所述对应关系，选定摄像机上红外灯出射光束形成的光斑图像的灰度值为Q时所对应的辐照度E_Q，以及确定在E_Q下光斑半径R_Q，令并将Φ₀记为所述红外灯的总辐射功率。

4.根据权利要求3所述基于等效照明和MRC的主动近红外摄像机作用距离测试方法，其特征在于，所述N′的取值范围为95-105。