CN103400005B - 一种强光源干扰微光系统成像的特征量化方法 - Google Patents

Abstract

一种强光源干扰微光系统成像的特征量化方法，其步骤为：(1)利用3dMax软件生成目标及背景三维模型，导入基于OGRE三维场景仿真程序生成特定环境景象；(2)建立强光源作用下的目标表面辐射特性模型，每一帧图像根据强光源位置、观测位置、目标表面面元位置和法线方向向量实时计算强光源和环境光在目标表面面元产生的辐射照度；结合目标表面反射特性模型，实时计算目标反射强光源和环境光在观测方向产生的光亮度；(3)建立强光源作用前后的微光系统成像信号响应特性模型；(4)结合强光源作用下的目标表面辐射特性模型和微光成像系统信号响应特性模型，模拟目标位于强光源干扰光照范围内外不同位置时目标的成像结果并对结果进行分析。

Description

一种强光源干扰微光系统成像的特征量化方法

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，涉及强光干扰源对微光环境中目标表面辐射特性的仿真研究，具体是一种基于强光源干扰微光系统成像特征量化的仿真方法，可用于微光成像系统的特征量化评估与性能分析。

背景技术

在复杂战场环境中，强光源(如照明弹)已成为干扰微光系统成像质量的重要因素。为实现复杂战场环境中微光成像系统抗强光干扰能力防护，开展强光源干扰后微光系统成像特征量化模型与性能分析将具有重要的理论意义和应用价值。

从国内外公开的文献来看，目前主要从以下三方面开展强光源影响微光系统成像的研究：(1)通过实验分析强光辐照对系统调制传递函数的影响，研究强光对系统成像质量的影响；(2)通过分析强光辐照对目标亮度及其周围背景亮度的影响，研究强光对目标成像对比度的影响；(3)通过实验分析不同光源能量对微光成像光晕大小的影响，研究强光对系统最小分辨率的影响。在这些文献中，还没有涉及微光成像系统中自动亮度控制对系统强光适应性的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足之处，在微光环境中，针对照明弹强光干扰源的作用，提供一种强光源干扰微光系统成像的特征量化方法，用于研究微光系统中目标的成像结果。

实现本发明目的的技术原理是：根据干扰源(照明弹)的空间辐射特性，和干扰源作用下的微光系统响应特性，研究了在干扰源的作用下，目标位于干扰源光照范围外以及干扰源光照范围内不同位置时目标的成像结果，其技术方案包括如下步骤：

(1)利用3dMax软件生成目标及其背景的三维模型，并导入基于OGRE的三维场景仿真程序中，生成特定环境景象；

(2)建立强光源作用下的目标表面辐射特性模型，在图像渲染的每一帧，根据强光源的位置、观测位置以及目标表面面元的位置和法线方向向量这些参数实时计算强光源和环境光在目标表面面元处产生的辐射照度；

(3)计算目标反射强光源和环境光在观测方向产生的光亮度；

(4)建立强光源作用前的微光系统成像的信号响应特性模型；

(5)建立强光源作用后的微光系统成像的信号响应特性模型；

(6)结合强光源作用下的目标表面辐射特性模型和微光系统成像的信号响应特性模型，模拟了在强光干扰源下，目标位于干扰源光照范围外以及干扰源光照范围内不同位置时目标的成像结果，并对结果进行了分析；当强光源位于系统视场内和视场外时，导致系统输出图像质量变化的主要因素不同，为实现强光源干扰微光系统成像的特征量化，需要根据强光源位置考虑不同导致图像质量变化的因素。

本发明与现有的强光源影响微光系统成像的研究方法相比，具有如下显著优点：

(1)本发明采用Schlick双向反射率模型(BRDF)描述目标表面反射特性，分析了强光源辐射对目标表面空间辐射特性的影响，物理真实性高；

(2)本发明结合微光系统增益特性，定量分析了强光干扰前后信号响应特性的变化，客观反映真实微光系统的成像过程，仿真真实感强。

附图说明

图1为本发明的总流程图；

图2为本发明生成的无强光源干扰时，系统输出的图像模拟结果；

图3为本发明生成的强光源位于系统视场内，位置为(2990，100，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果；

图4表示本发明生成的强光源位于系统视场内，位置为(2990，125，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果；

图5表示本发明生成的强光源位于系统视场外，位置为(2990，150，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果；

图6表示本发明生成的强光源位于系统视场外，位置为(2990，200，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施过程如下：

步骤1，利用3dMax软件生成目标及其背景的三维模型，并导入基于OGRE的三维场景仿真程序中，生成特定环境景象；

步骤2，建立强光源作用下的目标表面辐射特性模型，在图像渲染的每一帧，根据强光源的位置、观测位置以及目标表面面元的位置和法线方向向量这些参数，实时计算强光源和环境光在目标表面面元处产生的辐射照度和目标反射强光源和环境光在观测方向产生的光亮度：

(2a)本发明根据立体角投影理论建立了照明弹的空间辐射模型，用于计算照明弹在目标表面面元产生的辐射照度，其表达式为：

$E_d=\frac{{\mathrm{\πL}}_d{R_d}^2{\mathrm{cos\α\τ}}_d}{{l_d}^2},$

式中，照明弹燃烧火焰半径为R_d，产生的辐射亮度为L_d，α表示环境表面面元法线与入射光之间的夹角，l_d表示环境表面面元与照明弹之间的距离，τ_d表示照明弹与环境表面面元之间大气的透过率；

(2b)本发明选用简化的Schlick BRDF反射模型描述地物表面的反射特性，计算目标反射强光源和环境光在观测方向产生的光亮度，其表达式为：

$R_{\mathrm{\λ}}(t,u,v,v^{\′},w)=\[C_{\mathrm{\λ}}+(1-C_{\mathrm{\λ}}){(1-u)}^5\]\[\frac{1-G\left(v\right)G\left(v^{\′}\right)}{\mathrm{\π}}A\left(w\right)+\frac{G\left(v\right)G\left(v^{\′}\right)}{4{\mathrm{\πvv}}^{\′}}Z\left(t\right)A\left(w\right)\],$

式中，t＝cos(α)，u＝cos(β)，v＝cos(θ)，v′＝cos(θ′)，θ为太阳入射光线与材质表面法线的夹角，θ′为视点方向与材质表面法线的夹角，α为材质表面法线与半角向量的夹角，为材质表面的切向量与半角向量在平面内的投影向量的夹角，C_λ∈[0，1]，表示波长λ下的反射因子；

其中

G(v)＝v/(r-rv+v)，

G(v′)＝v/(r-rv′+v′)，

Z(t)＝r/(1+rt²-t²)²，

$A\left(w\right)=\sqrt{p/(p^2-p^2{w}^2+w^2)},$

r∈[0，1]表示物体表面粗糙度因子，当r＝0时，表示纯镜面反射；当r＝1时，表示纯漫反射；p∈[0，1]表示物体表面各向同性因子，当p＝0时，表示纯各向异性；当p＝1时，表示纯各向同性；

然后，计算强光源作用后目标表面面元在观测方向产生的光亮度为：

$L_o=R_{\mathrm{\λ}}(t,u,v,v^{\′},w)(\frac{L_l{A}_l{\mathrm{cos\θ}}_t}{d^2}+E_e),$

式中，L_l表示强光源产生的光亮度，A_l表示强光源在入射光方向有效面积，θ_t表示入射光与目标表面面元之间的夹角，d表示强光源与目标表面面元之间的距离，E_e表示环境光在目标表面面元处产生的光照度。

步骤3，建立强光源作用前后的微光成像系统的信号响应特性模型：

(3a)建立强光源作用前微光成像系统信号响应特性模型，

假设目标反射强光源能量在系统光阴极面上产生的光照度为Et，根据亮度增益G的定义可知，荧光屏的输出亮度为：

L₁＝GE_t，

式中，光照度E_t和亮度增益G分别可表示为：

$E_t=\frac{\mathrm{\π}}{4f_o^2}{\mathrm{\τ}}_o{L}_o{\mathrm{\τ}}_a,$

G＝S_k(V₁+V₂)G_MCPK_p/m²

式中，f_o表示光学系统f数，τ_o表示光学系统透过率，L_o表示目标反射强光源能量在观测方向产生的光亮度，τ_a表示大气透过率，S_k表示光电阴极灵敏度，V₁和V₂分别表示电子透镜1和电子透镜2的工作电压，G_MCP表示微通道板(micro-channel plate，简称MCP)的增益，K_p表示荧光屏的光视效能，m为系统的电子光学放大倍数；

再经耦合透镜、微光电荷耦合器件(CCD)响应、视频电路处理，得到输出电压为：

$V_t=\frac{\mathrm{\π}}{4f_e^2}{\mathrm{\τ}}_e{L}_t{R}_{CCD}{A}_{CCD}{G}_v,$

式中，f_e表示目镜的f数，τ_e表示目镜或耦合透镜的透过率，R_CCD表示探测器响应率，A_CCD表示系统有效光敏元面积，G_v表示视频信号放大倍数；

然后，对系统的输出电压进行量化，得到系统输出图像的灰度表达式为：

式中，V_m和V_n分别表示系统电压信号量化范围最大值与最小值；

(3b)建立强光源作用后微光成像系统信号响应特性模型，

假设某典型场景产生的最大光亮度为L_m，最小光亮度为L_n，场景某局部区域光亮度为L_ij，强光辐射源亮度为L₁，最大灰度量化电压为V_m，最小灰度量化电压为V_n，无强光作用时系统微通道板增益值为G_MCP，依据系统信号响应度函数，无强光源干扰时红外成像转换电压及灰度值的表达式为：

$V_{ij}={\left(\frac{\mathrm{\π}}{4{\mathrm{mf}}_o{f}_e}\right)}^2{\mathrm{\τ}}_e{R}_{CCD}{A}_{CCD}{G}_v{S}_k(V_1+V_2)G_{MCP}{k}_p{\mathrm{\τ}}_o{\mathrm{\τ}}_a{L}_{ij},$

$T_{ij}=\frac{255}{V_m-V_n}{V}_{ij},$

当强光源出现在视场内时候，为满足场景高动态范围显示，系统自动调整微通道增益档位，其调整的幅度与强光光亮度L_l密切相关，表达式为：

$V_l={\left(\frac{\mathrm{\π}}{4{\mathrm{mf}}_o{f}_e}\right)}^2{\mathrm{\τ}}_e{R}_{CCD}{A}_{CCD}{G}_V{S}_k(V_1+V_2)G_{MCP}{k}_p{\mathrm{\τ}}_o{\mathrm{\τ}}_a{L}_l,$

假设(V_l-V_m)/(V_m-V_n)＝x，强光源作用后系统微光道板增益自动调整为G′_MCP＝G_MCP/x，此时场景不同像素转换的图像电压的表达式变为：

$V_{ij}^{\′}={\left(\frac{\mathrm{\π}}{4{\mathrm{mf}}_o{f}_e}\right)}^2{\mathrm{\τ}}_e{R}_{CCD}{A}_{CCD}{G}_V{S}_k(V_1+V_2)G_{MCP}^{\′}{k}_p{\mathrm{\τ}}_o{\mathrm{\τ}}_a{L}_{ij}.$

步骤4，根据目标成像对比度表达式：

$C_b=\frac{|\stackrel{\‾}{T_t}-\stackrel{\‾}{T_b}|}{\stackrel{\‾}{T_t}+\stackrel{\‾}{T_b}},$

计算强光源位于不同位置目标成像对比度的变化，其中，分别表示目标及其背景成像的平均灰度。

步骤5，设置微光成像系统参数如下：光学系统f数f_o＝1.7，光学系统透过率τ_o＝0.9；光电阴极灵敏度为S_k＝700μA/lm；电子透镜1的工作电压为V₁＝800V；电子透镜2的工作电压为V₂＝6000V；荧光屏的光视效能K_p＝40lm/W；电子光学放大率为m＝0.85；目镜f数f_e＝3，目镜透过率τ_e＝0.78；视频信号放大倍数G_v＝5×104；探测器响应率R_CCD＝5×104V/W，系统有效光敏元面积A_CCD＝100μm²；系统电压信号量化范围V_m＝0V，V_n＝5V。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

设置夜天光在地面产生的光照度为0.001 1x；目标位置为(3000，20，1570)，观测位置为(3000，170，1400)，单位为m。

无强光源干扰时，系统输出图像模拟结果如图2所示。

设置强光源光亮度为500cd/m²，表面面积为1.131m²。强光源干扰后系统输出图像模拟结果如图3～6所示。

图3表示强光源位于系统视场内，位置为(2990，100，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果。

图4表示强光源位于系统视场内，位置为(2990，125，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果。

图5表示强光源位于系统视场外，位置为(2990，150，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果。

图6表示强光源位于系统视场外，位置为(2990，200，1526)(单位：m)时系统输出图像模拟结果。

根据目标成像对比度的计算公式，计算结果如表1所示：

表1强光源位于不同位置时目标成像对比度

强光源高度	/	100	125	150	200
						是否在系统视场内	/	是	是	否	否
目标成像对比度	0.299	0.224	0.289	0.023	0.125

从计算结果可以看出：当强光源位于系统视场内时，尽管强光源与目标距离较近、对目标表面空间辐射特性影响较大，但目标成像对比度变化比较小，其主要原因是此时强光源对系统增益的影响占主导地位；当强光源位于系统视场外时，尽管强光源与目标距离较远、对目标表面空间辐射特性影响较小，但目标成像对比度变化比较大，其主要原因是此时强光源对目标表面空间辐射特性的影响占主导地位。

Claims (1)

1.一种强光源干扰微光系统成像的特征量化方法，包括如下步骤：

(1)利用3dMax软件生成目标及其背景的三维模型，并导入基于OGRE的三维场景仿真程序中，生成特定环境景象；

(2)建立强光源作用下的目标表面辐射特性模型，在图像渲染的每一帧，根据强光源的位置、观测位置、目标表面面元的位置和法线方向向量实时计算强光源和环境光在目标表面面元处产生的辐射照度，用立体角投影理论建立照明弹的空间辐射模型，强光源在目标表面面元处产生的辐射照度，其计算式为：

式中，照明弹燃烧火焰半径为R_d，产生的辐射亮度为L_d，α表示环境表面面元法线与入射光之间的夹角；l_d表示环境表面面元与照明弹之间的距离，τ_d表示照明弹与环境表面面元之间大气的透过率；

(3)计算目标反射强光源和环境光在观测方向产生的光亮度，其特征在于：用简化的Schlick BRDF反射模型描述目标表面的反射特性，目标反射强光源和环境光在观测方向产生的光亮度，其计算式为：

式中，t＝cos(α)，u＝cos(β)，v＝cos(θ)，v′＝cos(θ′)，θ为太阳入射光线与材质表面法线的夹角，β为太阳入射光方向的反方向与半角向量的夹角，θ′为视点方向与材质表面法线的夹角，α为材质表面法线与半角向量的夹角，为材质表面的切向量与半角向量在平面内的投影向量的夹角，C_λ∈[0，1]，表示波长λ下的反射因子；

其中

G(v)＝v/(r-rv+v)，

G(v′)＝v/(r-rv′+v′)，

Z(t)＝r/(1+rt²-t²)²，

r∈[0，1]表示物体表面粗糙度因子，当r＝0时，表示纯镜面反射，当r＝1时，表示纯漫反射，p∈[0，1]表示物体表面各向同性因子，当p＝0时，表示纯各向异性，当p＝1时，表示纯各向同性；

然后，计算强光源作用后目标表面面元在观测方向产生的光亮度：

式中，L_l表示强光源产生的光亮度，A_l表示强光源在入射光方向有效面积，θ_t表示入射光与目标表面面元之间的夹角，d表示强光源与目标表面面元之间的距离，E_e表示环境光在目标表面面元处产生的光照度；

(4)建立强光源作用前的微光系统成像的信号响应特性模型，其特征在于：建立强光源作用前微光成像系统的信号响应特性模型为：

假设目标反射强光源能量在系统光阴极面上产生的光照度为E_t，根据亮度增益G的定义可知，荧光屏的输出亮度为：

L_t＝GE_t，

式中，光照度E_t和亮度增益G分别表示为：

G＝S_k(V₁+V₂)G_MCPK_p/m²，

式中，f_o表示光学系统f数，τ_o表示光学系统透过率，L_o表示目标反射强光源能量在观测方向产生的光亮度，τ_a表示大气透过率，S_k表示光电阴极灵敏度，V₁和V₂分别表示电子透镜1和电子透镜2的工作电压，G_MCP表示微通道板MCP的增益，K_p表示荧光屏的光视效能，m为系统的电子光学放大倍数，经耦合透镜、微光电荷耦合器件响应和视频电路处理，得到输出电压为：

式中，f_e表示目镜的f数，τ_e表示目镜或耦合透镜的透过率，R_CCD表示探测器响应率，A_CCD表示系统有效光敏元面积，G_v表示视频信号放大倍数；

然后，对系统的输出电压进行量化，得到系统输出图像的灰度为：

式中，V_m和V_n分别表示系统电压信号量化范围最大值与最小值；

(5)建立强光源作用后的微光系统成像的信号响应特性模型，其特征在于：建立强光源作用后微光成像系统的信号响应特性模型如下：

假设某典型场景产生的最大光亮度为L_m，最小光亮度为L_n，场景某局部区域光亮度为L_ij，强光辐射源亮度为L_l，最大灰度量化电压为V_m，最小灰度量化电压为V_n，无强光作用时系统微通道板增益值为G_MCP；依据系统信号响应度函数，无强光源干扰时红外成像转换电压及灰度值可表示为：

式中，f_o表示光学系统f数，f_e表示目镜的f数，τ_o表示光学系统透过率，τ_e表示目镜或耦合透镜的透过率，R_CCD表示探测器响应率，A_CCD表示系统有效光敏元面积，G_v表示视频信号放大倍数；τ_a表示大气透过率，S_k表示光电阴极灵敏度，V₁和V₂分别表示电子透镜1和电子透镜2的工作电压，G_MCP表示微通道板MCP的增益，K_p表示荧光屏的光视效能，m为系统的电子光学放大倍数。

当强光源出现在视场内时候，为满足场景高动态范围显示，系统自动调整微通道增益档位，其调整的幅度与强光光亮度L_l密切相关，可表示为：

假设(V_l-V_m)/(V_m-V_n)＝x，则强光作用后系统微通道板增益自动调整为G′_MCP＝G_MCP/x那么，此时场景不同像素转换的图像电压变为：

(6)结合强光源作用下的目标表面辐射特性模型和微光系统成像的信号响应特性模型，模拟了在强光干扰源下，目标位于干扰源光照范围外以及干扰源光照范围内不 同位置时目标的成像结果，并对结果进行分析；当强光源位于系统视场内和视场外时，导致系统输出图像质量变化的主要因素不同，为实现强光源干扰微光系统成像的特征量化，需要根据强光源位置考虑不同导致图像质量变化的因素，其特征在于：计算强光源位于不同位置目标成像对比度的变化的表达式为：

其中，分别表示目标及其背景成像平均灰度。