CN102661851B - 基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明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、确定摄像机上红外灯出射光束的总辐射功率Φ₀；步骤三、根据大气透过率经验公式确定所述红外灯辐照度与其正前方的辐射距离L之间的关系；步骤四、确定摄像机与目标发生器的位置关系；步骤五、获取摄像机入射面上的辐照度E′；步骤六、确定在该辐照度下摄像机的极限分辨角σ；步骤七、根据所述σ判定摄像机上的标称距L_b是否合格；本发明所述的方法可以在实验室内完成，其不受室外客观因素的影响，其评价效果好。

Description

基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价方法

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方法，尤其涉及一种利用等效照明原理在暗室内内测试主动近红外摄像机的实际作用距离对其进行评价的方法。

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。目前普遍所采取的是室外实测手段，至于在实验室内如何有效的检测待检产品的作用距离还没有见诸于文献资料。

发明内容

本发明的目的为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方法，该方法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，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：

一种基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价方法，其特征在于，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，在暗室环境下获得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、利用大气透过率经验公式，根据所述α和Φ₀，确定所述红外灯的辐照度与其正前方的辐射距离L之间的关系；

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；

步骤五、根据步骤三所确定的关系获取距离为L_b处目标的辐照度E₀，并利用地平天空亮度与背景亮度之比K、以及目标与背景的对比度C₀对E₀进行修正，获得摄像机入射面上的辐照度E′，其中L_b为摄像机上的标称距离；

步骤六、调节所述光源，使其出射光的辐照度为E'，确定在该辐照度下摄像机的极限分辨角σ；

步骤七、根据所述σ判定摄像机上的标称距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；

$\frac{H}{{\mathrm{mL}}_b}\≥\tan \left(\mathrm{\σ}\right)---\left(7\right)$

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。

进一步地，本发明可以采用以下步骤测试红外灯出射光束的散射角α；

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。

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

进一步地，本发明可以根据如下步骤确定红外鞥出射光束在某一灰度值下的总功率Φ₀；

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；

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，获取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。

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。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

本发明基于等效照明原理，结合约翰逊准则，并同时考虑不同的观测环境的影响，在暗室内实现对主动近红外摄像机的实际作用距离进行测量，通过所测作用距离与摄像机标称距离(L_b)进行对比，进而实现在实验室环境内对主动近红外摄像机的评价。

本发明基于等效照明的主动近红外摄像机作用距离评价方法，具体步骤如下：

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

$\tan \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{R_2-R_1}{l_2-l_1}---\left(1\right)$

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，同时将漫反射板设置于光源的正前方，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。

步骤三、利用大气透过率经验公式，根据所述α和Φ₀，确定所述红外灯辐照度E与其正前方的辐射距离L之间的关系。

具体过程为：

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，

${\mathrm{\&tau;}}_a\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\exp (-\frac{3.912}{R_V}{\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{q}L),q=\left\{\begin{array}{c}{0.585R}_V^{1/3},R_V<6\mathrm{km}\\ 1.3,R_V~10\mathrm{km}\\ 1.6,R_V>50\mathrm{km}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，R_V为大气能见距离，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。

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。

步骤五、根据公式(3)计算出在红外灯照射下标称距离L_b处目标受到的辐照度E₀，并利用地平天空亮度与背景亮度之比K、以及目标与背景的对比度C₀对E₀进行修正，获得摄像机入射面上的照度E′，其中L_b为摄像机上的标称距离。

由于受到大气衰减的影响，目标与背景实际的对比度为C：

$C=C_0\frac{1}{1+K(1-{\mathrm{\&tau;}}_a)/{\mathrm{\&tau;}}_a}---\left(4\right)$

则到达摄像机入射面上的照度为，

E'＝E₀τ_cC²                   (5)

其中，τ_c为平行光管的透过率。

步骤六、调节所述光源，使其出射光的辐照度为E'，通过摄像机进行目视观测，确定能够识别的最高分辨率的条带宽度为确定在该辐照度下摄像机的极限分辨角σ；

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

其中，f₀为平行光管的焦距。

步骤七、根据所述σ判定摄像机上的标称距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。

综上所述，本发明提供的室内评价主动近红外摄像机作用距离的方法，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手段，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。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的主动近红外摄像机作用距离评价方法，其特征在于，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，在暗室环境下获得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、利用大气透过率经验公式，根据所述α和Φ₀，确定所述红外灯的辐照度与其正前方的辐射距离L之间的关系；

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；

步骤五、根据步骤三所确定的关系获取距离为L_b处目标的辐照度E₀，并利用地平天空亮度与背景亮度之比K、以及目标与背景的对比度C₀对E₀进行修正，获得摄像机入射面上的照度E′，其中L_b为摄像机上的标称距离；

步骤六、调节所述光源，使其出射光的辐照度为E'，确定在该辐照度下摄像机的极限分辨角σ；

步骤七、根据所述σ判定摄像机上的标称距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；

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

2.根据权利要求1所述主动近红外摄像机作用距离评价方法，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所述主动近红外摄像机作用距离评价方法，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。

4.根据权利要求3所述主动近红外摄像机作用距离评价方法，其特征在于，所述N的取值范围位于95-105之间。