CN102645321B - 基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动近红外摄像机作用距离评价系统，该评价系统包括主动近红外摄像机、漫反射板、近红外CCD、散射角解算模块、辐照度连续可调的光源、辐照度计、辐射功率解算模块、无穷远目标发生器、辐照度计算模块、对比度计算模块、辐照度修正模块、分辨角解算模块及判断模块；其中主动近红外摄像机为待检产品，且光源出射光的波长与近红外灯波长相同。本发明利用等效照明原理，在实验室环境下实现对摄像机作用距离的评价，避免了室外测试种种不可控因素带来的影响，且实现过程简单且测试成本低，其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。

Description

基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价系统

技术领域

本发明涉及一种基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价系统，属于光学测试距离领域。

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，厂家所宣称的远距离、高精度监控，如何真实地评价该系统作用距离是否合格，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。目前普遍所采取的是室外实测手段，即在室外通过实地观测来确定仪器的作用距离，但是这往往又受到测试条件(当天的天气状况、测试时段、目标种类、背景等等)的限制。如何在实验室内有效地评价待检产品作用距离是否合格的设备还没有见诸于市场和文献资料。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价系统，该系统可在实验室环境下实现对主动近红外摄像机作用距离评价，实现简单且评价效果好。

实现本发明的技术方案如下：

一种主动近红外摄像机作用距离评价系统，该评价系统包括主动近红外摄像机、漫反射板、近红外CCD、散射角解算模块、辐照度连续可调的光源、辐照度计、辐射功率解算模块、无穷远目标发生器、辐照度计算模块、对比度计算模块、辐照度修正模块、分辨角解算模块及判断模块；其中主动近红外摄像机为待检产品，且光源出射光的波长与近红外灯波长相同；

利用该系统测试摄像机上红外灯出射光束的散射角α时，所使用的器件为：主动近红外摄像机、漫反射板、近红外CCD及散射角解算模块；在暗室环境下，漫反射板位于摄像机上红外灯出射光束的光路上，近红外CCD位于漫反射板附近；

漫反射板用于承载主动近红外摄像机上的红外灯出射光束形成的光斑；

近红外CCD用于采集漫反射板上光斑；

散射角解算模块根据外部输入的、当漫反射板距摄像机为l₁时近红外CCD所采集光斑的半径R₁和当漫反射板距摄像机为l₂时近红外CCD所采集光斑的半径R₂，解算出红外灯出射光束的散射角α；

$\tan \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{R_2{-R}_1}{l_2-l_1}$

利用该系统测试摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀时，所使用的器件为：光源、辐照度计、漫反射板、近红外CCD及辐射功率解算模块；在暗室环境下，辐照度计位于光源的出光口，漫反射板位于光源出射光束的光路上，同时漫反射板也位于摄像机上红外灯出射光束的光路上，近红外CCD位于光源附近；

光源根据外部的输入，出射N种不同辐照度的光束；

辐照度计用于测量光源上出射光束的辐照度；

漫反射板用于承载光源出射光束形成的光斑以及主动近红外摄像机上的红外灯出射光束形成的光斑，该承载光斑的过程为分时进行；

近红外CCD用于采集漫反射板上的光斑；

辐射功率解算模块一方面用于根据辐照度计上测量的N种辐照度值和外部输入的、近红外CCD上采集光斑的N种灰度值进行曲线拟合，另一方面接收外部输入的、近红外CCD采集的漫反射板上摄像机的红外灯出射光斑的灰度值Q，进一步在该曲线上确定灰度值Q所对应的辐照度E_Q，根据灰度值Q和灰度值Q所对应的光斑半径R_Q，获取光源的总辐射功率，并将该辐射功率定义为摄像机上红外灯的总辐射功率Φ₀；

${\mathrm{\Φ}}_0=E_Q\×\mathrm{\π}{R}_Q^2$

利用该系统对摄像机的作用距离进行评估时，所使用的器件包括光源、主动近红外摄像机、无穷远目标发生器、辐照度计算模块、对比度计算模块、辐照度修正模块、分辨角解算模块及判断模块；其中光源位于无穷远目标发生器的入射端，摄像机位于无穷远目标发生器的出射端，且摄像机的光轴与目标发生器的平行光管的光轴重合；

辐照度计算模块用于根据所述散射角α和总辐射功率Φ₀，计算出摄像机标称距离L_b处的辐照度E，并将该辐照度E传输给辐照度修正模块；

对比度计算模块用于计算出目标与背景的表观对比度C，并将该表观对比度C传输给辐照度修正模块；

$C=C_0\frac{1}{1+K\left({1-\mathrm{\τ}}_a\right)/{\mathrm{\τ}}_a}$

${\mathrm{\&tau;}}_a\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\exp (-\frac{3.912}{R_V}{\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{q}L),$ $q=\left\{\begin{array}{cc}0.{585R}_V^{1/3},& R_V<6\mathrm{km}\\ 1.3,& R_V~10\mathrm{km}\\ 1.6,& R_V>50\mathrm{km}\end{array}\right.$

其中R_V为大气能见距离，λ₀＝0.55μm或λ₀＝0.61μm，K为地平天空亮度与背景亮度之比，C₀为目标与背景的实际对比度，λ为光源出射光的波长，L为观测距离；

辐照度修正模块用于根据所述E和C计算出达摄像机入射面上的辐照度E′；

E′＝Eτ_cC²

光源用于为无穷远目标发生器上分辨率靶提供辐照度为E′的入射光；

分辨角解算模块根据最小可分辨条带的宽度计算出在该辐照度下摄像机的极限分辨角σ，其中最小可分辨条带的宽度为操作人员通过摄像机观测无穷远目标发生器上的分辨率靶确定；

$\tan \left(\mathrm{\&sigma;}\right)=\&PartialD;/f_0---\left(6\right)$

其中，f₀为平行光管的焦距；

判断模块根据所述判断出摄像机上的标称距L_b是否合格，其中当L_b满足公式(7)时，则判定摄像机上的标称距离合格，否则判定其不合格；

$\frac{H}{{\mathrm{nL}}_b}\&GreaterEqual;\tan \left(\mathrm{\&sigma;}\right)---\left(7\right)$

其中H为事先给定且与L_b相对应的目标高度，n为识别等级约翰逊准则所需的电视线数。

有益效果

本发明利用等效照明原理，在实验室环境下实现对摄像机作用距离的评价，避免了室外测试种种不可控因素带来的影响，且实现过程简单且测试成本低，其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为利用本发明系统测试散射角时所用器件组成的示意图。

图2为利用本发明系统测试摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率时所用器件组成的示意图。

图3为利用本发明系统对摄像机的作用距离进行评估时所用器件组成的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价系统，该评价系统包括主动近红外摄像机、漫反射板、近红外CCD、散射角解算模块、辐照度连续可调的光源、辐照度计、辐射功率解算模块、无穷远目标发生器、辐照度计算模块、对比度计算模块、辐照度修正模块、分辨角解算模块及判断模块；其中主动近红外摄像机为待检产品，且光源出射光的波长与近红外灯波长相同。

如图1所示，利用该系统测试摄像机上红外灯出射光束的散射角α时，所使用的器件为：主动近红外摄像机、漫反射板、近红外CCD及散射角解算模块；在暗室环境下，漫反射板位于摄像机上红外灯出射光束的光路上，近红外CCD位于漫反射板附近。

漫反射板用于承载主动近红外摄像机上的红外灯出射光束形成的光斑；

近红外CCD用于采集漫反射板上光斑；

散射角解算模块根据外部输入的、当漫反射板距摄像机为l₁时近红外CCD所采集光斑的半径R₁和当漫反射板距摄像机为l₂时近红外CCD所采集光斑的半径R₂，解算出红外灯出射光束的散射角α；

$\tan \left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{R_2{-R}_1}{l_2-l_1}$

该红外灯出射光束的散射角α测试的具体过程为：

步骤101、将实验室内的灯关闭，使实验室内处于暗室环境中；在摄像机上自带的红外灯打开，选取一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，此时利用近红外CCD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、工作人员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，将此时利用近红外CCD采集漫反射板上的光斑，并将此时采集到光斑的半径记为R₂。

步骤103、散射角解算模块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

$\tan \left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{R_2{-R}_1}{l_2-l_1}---\left(1\right)$

如图2所示，利用该系统测试摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀时，所使用的器件为：光源、辐照度计、漫反射板、近红外CCD及辐射功率解算模块；在暗室环境下，辐照度计位于光源的出光口，漫反射板位于光源出射光束的光路上，同时漫反射板也位于摄像机上红外灯出射光束的光路上，近红外CCD位于光源附近。

光源根据外部的输入，出射N种不同辐照度的光束；外部输入为工作人员手动地对光源进行调整实现。

辐照度计用于测量光源上出射光束的辐照度；

漫反射板用于承载光源出射光束形成的光斑以及主动近红外摄像机上的红外灯出射光束形成的光斑，该承载光斑的过程为分时进行；

近红外CCD用于采集漫反射板上的光斑；

辐射功率解算模块一方面用于根据辐照度计上测量的N种辐照度值和外部输入的、近红外CCD上采集光斑的N种灰度值进行曲线拟合，另一方面接收外部输入的、近红外CCD采集的漫反射板上摄像机的红外灯出射光斑的灰度值Q，进一步在该曲线上确定灰度值Q所对应的辐照度E_Q，根据灰度值Q和灰度值Q所对应的光斑半径R_Q，获取光源的总辐射功率，并将该辐射功率定义为摄像机上红外灯的总辐射功率Φ₀。计算光斑图像的灰度值可以根据现有外不少设备实现，在此不进一步累述。

${\mathrm{\&Phi;}}_0=E_Q\&times;\mathrm{\&pi;}{R}_Q^2$

该红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀测试的具体过程为：

步骤201、将实验室中的灯关闭，使实验室处于暗室环境中，将光源处于该暗室环境中，同时将漫反射板设置于光源的正前方，此时用近红外CCD采集漫反射板上的光斑图像，并用辐照度计标定光源上出射光的辐照度值，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，通常情况下N取值范围为95-105，其可保证步骤203中所拟合曲线的精度即可。

步骤202、获取每一幅近红外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)，辐射功率解算模块根据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203、辐射功率解算模块利用所述对应关系，选定摄像机上红外灯出射光束所形成的光斑图像灰度值为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。

如图3所示，利用该系统对摄像机的作用距离进行评估时，所使用的器件包括光源、主动近红外摄像机、无穷远目标发生器、辐照度计算模块、对比度计算模块、辐照度修正模块、分辨角解算模块及判断模块；其中光源位于无穷远目标发生器的入射端，摄像机位于无穷远目标发生器的出射端，且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。

辐照度计算模块用于根据所述散射角α和总辐射功率Φ₀，计算出摄像机标称距离L_b处的辐照度E，并将该辐照度E传输给辐照度修正模块；

对比度计算模块用于计算出目标与背景的表观对比度C，并将该表观对比度C传输给辐照度修正模块；

辐照度计算模块用于根据所述散射角α和总辐射功率Φ₀，计算出摄像机标称距离L_b处的辐照度E。

在该模块中当已知红外灯的散射角为α，红外灯的总辐射功率为Φ₀时，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(2)或用LOWTRAN软件，计算大气衰减系数设为τ_a，

${\mathrm{\&tau;}}_a\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\exp (-\frac{3.912}{R_V}{\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{q}L),$ $q=\left\{\begin{array}{cc}0.{585R}_V^{1/3},& R_V<6\mathrm{km}\\ 1.3,& R_V~10\mathrm{km}\\ 1.6,& R_V>50\mathrm{km}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中R_V为大气能见距离，λ₀＝0.55μm或λ₀＝0.61μm，K为地平天空亮度与背景亮度之比，C₀为目标与背景的实际对比度，λ为光源出射光的波长，L为观测距离；

则照射到目标上的近红外灯的功率为Φ＝Φ₀τ_a，目标上的辐照度为即：

$E=\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_0\&CenterDot;\exp (-\frac{3.912}{R_V}{\left({\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}}}_0\right)}^{q}L)}{\mathrm{\&pi;}{(L\&CenterDot;\tan \mathrm{\&alpha;})}^2}---\left(3\right)$

其中，Φ₀，R_V，q，λ₀，α，λ(红外灯的波长)都为常数，目标上的辐照度只是距离L的函数。

因此通过式(3)，可以得到目标上的辐照度E和照射距离L之间的关系。

对比度计算模块用于计算出目标与背景的表观对比度C；

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

辐照度修正模块用于根据所述E和C计算出达摄像机入射面上的辐照度E′；

E′＝Eτ_cC²

光源用于为无穷远目标发生器上分辨率靶提供辐照度为E′的入射光；

分辨角解算模块根据最小可分辨条带的宽度计算出在该辐照度下摄像机的极限分辨角σ，其中最小可分辨条带的宽度为操作人员通过摄像机观测无穷远目标发生器上的分辨率靶确定的；

$\tan \left(\mathrm{\&sigma;}\right)=\&PartialD;/f_0---\left(6\right)$

其中，f₀为平行光管的焦距。

判断模块根据所述判断出摄像机上的标称距L_b是否合格，其中当L_b满足公式(7)时，则判定摄像机上的标称距离合格，否则判定其不合格；

$\frac{H}{{\mathrm{nL}}_b}\&GreaterEqual;\tan \left(\mathrm{\&sigma;}\right)---\left(7\right)$

其中H为事先给定且与L_b相对应的目标高度，n为识别等级(约翰逊准则)所需的电视线数。通常情况下，给定摄像机的任一标称距离都会对应给在该距离所探测、识别或者认清目标的大小，也即目标的高度，所以说H为事先给定的并与L_b相对应的目标高度。

以下对本实施例上述部分器件的型号或类型进行说明。

本实施例中涉及的主动近红外摄像机为市场上流通的用于交通和区域安全监控的普通摄像机，所选用的近红外CCD的响应波长的范围为400nm-1700nm；所选用的漫反射板为胶质、涂黑、边长为1m的正方形平面板；所选用的辐照度计为匹配近红外CCD的数字辐照度计；所选用的光源为市场上可直接买到，该光源其由积分球，溴钨灯，直流稳流稳压电源、滤光片和可调光阑组成，其出射光束的辐照度均匀，其中积分球直径为200mm、开孔直径20mm，溴钨灯标定色温为2856K、功率50W、光谱峰值波长850nm左右，光源供电电源由稳流电源供电，输入电压AC220V，输入电流0～5A连续可调，稳流精度±1％，工作环境温度：0℃-40℃，滤光片透过峰值与本实施例中选择的近红外摄像机上红外灯出射光束的波长相匹配，可调光阑调控精度为1lx；所选用的平行光管的型号为FPG-1000。

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测试系统，通过照明等效原理在室内模拟待测主动近红外摄像机自带光源在远距离处目标上的辐照度分布情况，并测试该条件下待测系统的极限分辨能力，结合约翰逊准则，对厂家标定的作用距离值进行评判，给出不同约翰逊探测等级下的检测结果(合格或不合格)。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半定量检测设备，也可用于产品出厂检测、用户定期性能维护、质量管理部门质检等。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，同样适用于一般的摄像机作用距离检测，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 (1)

1.一种主动近红外摄像机作用距离评价系统，其特征在于，该评价系统包括主动近红外摄像机、漫反射板、近红外CCD、散射角解算模块、辐照度连续可调的光源、辐照度计、辐射功率解算模块、无穷远目标发生器、辐照度计算模块、对比度计算模块、辐照度修正模块、分辨角解算模块及判断模块；其中主动近红外摄像机为待检产品，且光源出射光的波长与主动近红外摄像机上的红外灯波长相同；

利用该系统测试摄像机上红外灯出射光束的散射角α时，所使用的器件为：主动近红外摄像机、漫反射板、近红外CCD及散射角解算模块；在暗室环境下，漫反射板位于摄像机上红外灯出射光束的光路上，近红外CCD位于漫反射板附近；

漫反射板用于承载主动近红外摄像机上的红外灯出射光束形成的光斑；

近红外CCD用于采集漫反射板上光斑；

散射角解算模块根据外部输入的、当漫反射板距摄像机为l₁时近红外CCD所采集光斑的半径R₁和当漫反射板距摄像机为l₂时近红外CCD所采集光斑的半径R₂，解算出红外灯出射光束的散射角α；

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

利用该系统测试摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀时，所使用的器件为：光源、辐照度计、漫反射板、近红外CCD及辐射功率解算模块；在暗室环境下，辐照度计位于光源的出光口，漫反射板位于光源出射光束的光路上，同时漫反射板也位于摄像机上红外灯出射光束的光路上，近红外CCD位于光源附近；

光源根据外部的输入，出射N种不同辐照度的光束；

辐照度计用于测量光源上出射光束的辐照度；

漫反射板用于承载光源出射光束形成的光斑以及主动近红外摄像机上的红外灯出射光束形成的光斑，该承载光斑的过程为分时进行；

近红外CCD用于采集漫反射板上的光斑；

辐射功率解算模块一方面用于根据辐照度计上测量的N种辐照度值和外部输入的、近红外CCD上采集光斑的N种灰度值进行曲线拟合，另一方面接收外部输入的、近红外CCD采集的漫反射板上摄像机的红外灯出射光斑的灰度值Q，进一步在该曲线上确定灰度值Q所对应的辐照度E_Q，根据灰度值Q和灰度值Q所对应的光斑半径R_Q，获取光源的总辐射功率，并将该辐射功率定义为摄像机上红外灯的总辐射功率Φ₀；

${\mathrm{\&Phi;}}_0=E_Q\&times;\mathrm{\&pi;}{R}_Q^2$

利用该系统对摄像机的作用距离进行评估时，所使用的器件包括光源、主动近红外摄像机、无穷远目标发生器、辐照度计算模块、对比度计算模块、辐照度修正模块、分辨角解算模块及判断模块；其中光源位于无穷远目标发生器的入射端，摄像机位于无穷远目标发生器的出射端，且摄像机的光轴与目标发生器的平行光管的光轴重合；

辐照度计算模块用于根据所述散射角α和总辐射功率Φ₀，计算出摄像机标称距离L_b处的辐照度E，并将该辐照度E传输给辐照度修正模块；

对比度计算模块用于计算出目标与背景的表观对比度C，并将该表观对比度C传输给辐照度修正模块；

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

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

其中R_V为大气能见距离，λ₀=0.55μm或λ₀=0.61μm，K为地平天空亮度与背景亮度之比，C₀为目标与背景的实际对比度，λ为光源出射光的波长，L为观测距离；

辐照度修正模块用于根据所述E和C计算出达摄像机入射面上的辐照度E'；

E′＝Eτ_cC²

光源用于为无穷远目标发生器上分辨率靶提供辐照度为E'的入射光；

分辨角解算模块根据最小可分辨条带的宽度计算出在该辐照度下摄像机的极限分辨角σ，其中最小可分辨条带的宽度为操作人员通过摄像机观测无穷远目标发生器上的分辨率靶确定；

$\tan \left(\mathrm{\&sigma;}\right)=\&PartialD;/f_0---\left(6\right)$ 其中，f₀为平行光管的焦距；

判断模块根据所述判断出摄像机上的标称距L_b是否合格，其中当L_b满足公式（7）时，则判定摄像机上的标称距离合格，否则判定其不合格；

$\frac{H}{n{L}_b}\&GreaterEqual;\tan \left(\mathrm{\&sigma;}\right)---\left(7\right)$ 其中H为事先给定且与L_b相对应的目标高度，n为识别等级约翰逊准则所需的电视线数。