一種紅外成像傳感器典型效應(yīng)仿真的驗證方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬紅外成像精確制導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，用于紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)性能評估仿真。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著紅外成像制導(dǎo)武器的發(fā)展和應(yīng)用，紅外成像制導(dǎo)仿真技術(shù)發(fā)展的要求越來越 迫切，紅外成像制導(dǎo)仿真對于檢驗紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的信號處理算法以及系統(tǒng)整體性能等 方面具有巨大的經(jīng)濟和軍事效益。紅外成像制導(dǎo)仿真目前主要采用景象投影法與信號注入 式法兩種半實物仿真方法，在信號注入式仿真評估模式下，由于被試驗裝備的紅外成像傳 感器系統(tǒng)不直接參與仿真試驗，考慮大氣傳輸后的目標(biāo)、背景場景生成圖像并不能直接注 入到紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的信號處理部分，因而需要對其紅外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)進行 建模與仿真。紅外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)建模與仿真的真實性和逼真度決定著紅外成像 傳感器系統(tǒng)建模與仿真的有效性，因此紅外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)建模與仿真的真實性 和逼真度的驗證方法具有十分重要的意義。
[0003]目前，對于紅外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)建模與仿真的研究很少，而建模與仿真 準(zhǔn)確性和真實性的驗證至今沒有行之有效的方法和公認(rèn)的評價指標(biāo)。一種方法是將實際 拍攝圖像與仿真結(jié)果圖像逐像素進行比較，但這種方法太精確而不切合實際，并且沒有合 適的評價指標(biāo)；另外一種方法是整幅圖像的統(tǒng)計比較，包括灰度一維直方圖、局部能量直方 圖等，但只是利用的單幀圖像統(tǒng)計信息，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)，因為統(tǒng)計信息只是圖像整體的統(tǒng)計 量，兩幅不同的圖像可能統(tǒng)計信息相同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決紅外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)仿真的驗證評價問題，本發(fā)明提供一種紅 外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)仿真準(zhǔn)確性和真實性的驗證方法，基于全參考圖像質(zhì)量評價方 法，在紅外實拍圖像與紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像的基礎(chǔ)上，采用逐像素比較和統(tǒng)計比較相 結(jié)合的分析方法，利用一維、二維直方圖統(tǒng)計、結(jié)構(gòu)相似度、保真度等綜合評價指標(biāo)進行全 面驗證評價，有效克服單一分析方法只能驗證部分效應(yīng)仿真結(jié)果的缺陷。
[0005] 本發(fā)明方法解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：首先利用紅外成像系統(tǒng)對黑體 靶標(biāo)成像，并針對不同黑體溫度、溫差分別輸出紅外實拍圖像；其次，根據(jù)黑體溫度、溫差及 靶標(biāo)類別，計算黑體靶標(biāo)的輻射亮度并量化為灰度，采用計算機仿真技術(shù)生成黑體靶標(biāo)的 紅外理想仿真圖像，并將紅外理想仿真圖像經(jīng)過紅外成像系統(tǒng)各模塊的退化效應(yīng)作用，最 終得到黑體靶標(biāo)的紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像；最后，采用逐像素比較和統(tǒng)計比較相結(jié)合的 分析方法，選取合適評價指標(biāo)因子，形成綜合評價指標(biāo)，對紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像和紅外 實拍圖像進行比較，并給出可信度評價。
[0006] 此方法有益效果是，采用紅外實拍圖像與紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像分析比較的方 法，綜合了逐像素比較和統(tǒng)計比較兩種分析方法，評價指標(biāo)全面、客觀，準(zhǔn)確性和可信性高。
【附圖說明】
[0007] 圖1是紅外成像傳感器典型效應(yīng)仿真的驗證方法框圖。
[0008] 圖2是紅外實拍圖像。
[0009] 圖3是紅外理想仿真圖像。
[0010] 圖4是紅外成像傳感器典型效應(yīng)退化作用框圖。
[0011] 圖5是紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像。
【具體實施方式】
[0012] 針對黑體靶標(biāo)圖像具有規(guī)律性的特點，利用計算機仿真技術(shù)生成黑體靶標(biāo)的紅外 傳感器效應(yīng)仿真圖像，在黑體靶標(biāo)的紅外實拍圖像與紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像的基礎(chǔ)上， 采用逐像素比較和統(tǒng)計比較相結(jié)合的分析方法，選取保真度、信息熵、偏離度、結(jié)構(gòu)相似度 為驗證指標(biāo)因子進行分析，并形成綜合驗證評價指標(biāo)。具體框圖見圖1。
[0013] 1.紅外成像制導(dǎo)圖像仿真
[0014] 對于一定溫度Tk的黑體目標(biāo)，其某一波段內(nèi)零視距離輻射亮度為：
[0015]
[0016] 式中ε是黑體目標(biāo)的實際發(fā)射率，1^是絕對黑體的光譜輻射出射度，可由普朗克 公式給出：
[0017]
[0018] 其中Q，C2為輻射常數(shù)，C 3· 74Χ1012W·cm2,C2= 1. 438cm·Κ，λ是波長。
[0019] 由于紅外仿真圖像上各像素灰度值反映的是目標(biāo)各部位紅外輻射能量，因此需要 將計算得到的黑體靶標(biāo)輻射亮度值量化為灰度等級，一般采用線性均勻量化方法，量化時 需根據(jù)實拍圖像的灰度范圍設(shè)置仿真圖像合理的灰度范圍。目標(biāo)各部分輻射亮度量化為灰 度等級之后，根據(jù)黑體靶標(biāo)成像幾何形狀及在視場所處的位置，對于圖像中黑體目標(biāo)區(qū)域 賦予對應(yīng)的灰度級，可實現(xiàn)黑體靶標(biāo)的紅外理想仿真圖像，紅外實拍圖像及紅外理想仿真 圖像分別如圖2、3所示。
[0020] 紅外理想仿真圖像是沒有經(jīng)過紅外傳感器各種退化效應(yīng)作用的仿真圖像，實際紅 外圖像形成過程中必然受到紅外光學(xué)系統(tǒng)、探測器及信號處理電路各種退化效應(yīng)的影響， 包括紅外光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)能量傳輸衰減、漸暈、衍射、像差、畸變等，紅外探測器陣列時間及 空間采樣效應(yīng)、非均勻性、噪聲等，信號處理電路濾波、噪聲等影響。針對具體紅外成像系 統(tǒng)，將紅外理想仿真圖像經(jīng)過一系列退化效應(yīng)作用后，得到紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像，處理 框圖如圖4所示，紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像如圖5所示。
[0021] 2.逐像素比較和統(tǒng)計比較相結(jié)合的驗證方法
[0022] 以紅外實拍圖像為參考圖像，將紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像與紅外實拍圖像逐像素 灰度值進行比較，選取保真度作為驗證評價指標(biāo)因子。保真度指標(biāo)因子既考慮圖像灰度分 布特征，也考慮圖像像素之間的幾何結(jié)構(gòu)特征，能全面評價影響光電系統(tǒng)成像質(zhì)量的絕大 多數(shù)因素，如分辨率、能量衰減以及信號處理對圖像退化的影響，具有很強的客觀性。
[0023]
[0024] 式中，/仏/)是紅外實拍圖像中像素灰度值，f(i，j)為紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像 中像素灰度值，MN為MXN圖像的總像素數(shù)。
[0025] 針對紅外實拍圖像和紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像，分別統(tǒng)計圖像的信息熵、均值、方 差等信息，以信息熵、偏離度、結(jié)構(gòu)相似度為驗證指標(biāo)因子，比較兩幅圖像各指標(biāo)數(shù)據(jù)的差 異。
[0026] 信息熵反映了圖像中有意義的灰度層次的豐富程度，圖像的信息熵定義為：
[0027]
[0028] 式中sk為圖像f(X，y)的第k級灰度值，P(sk)為概率密度函數(shù)。
[0029] 偏離度的物理意義是整幅圖像相鄰像素灰度層次的平均差別，偏離度定義為：
[0030]
[0031] GjP 別表示該圖像內(nèi)相鄰左右像素灰度值61^=f(x，y)，GR=f(x+l，y)， P(Q，GR)為圖像中相鄰像素灰度（Q，Gr)同時發(fā)生的統(tǒng)計次數(shù)。
[0032] SS頂評價指標(biāo)因子分別提取圖像亮度、對比度等統(tǒng)計信息，然后綜合比較紅外實 拍圖像和紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像在這些結(jié)構(gòu)信息間的差異，定義為：
[0033]
[0034] 式中μ和兵:分別是紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像和紅外實拍圖像的亮度均值，〇和 沒分別是紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像和紅外實拍圖像的標(biāo)準(zhǔn)差，（；、(： 2是常量，σΑΒ是兩個圖 像信號的相關(guān)系數(shù)，其定義為：
[0035]
[0036] 綜合各評價指標(biāo)因子，賦予各因子合適的權(quán)重系數(shù)，形成綜合驗證評價指標(biāo)，并進 行驗證評價，綜合驗證評價指標(biāo)為：
[0037]
[0038] 式中：圖像Α、Β為紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像和紅外實拍圖像，凡與ΗΒ、ξΑξ汾 別為圖像A、Β的信息熵、偏離度，kpk2、k3、k4是權(quán)重系數(shù)，各權(quán)重系數(shù)可采用絕對比較法、 二元比較法、模糊統(tǒng)計法等方法進行分配。
【主權(quán)項】
1. 一種紅外成像傳感器典型效應(yīng)仿真的驗證方法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步，利用紅外成像系統(tǒng)對黑體靶標(biāo)成像，并針對不同黑體溫度、溫差分別輸出紅外 實拍圖像； 第二步，根據(jù)黑體溫度、溫差及靶標(biāo)類別，計算黑體的輻射亮度并量化為灰度，采用計 算機仿真技術(shù)生成黑體靶標(biāo)的紅外理想仿真圖像，并將黑體靶標(biāo)的紅外理想仿真圖像經(jīng)過 紅外成像系統(tǒng)各模塊的退化效應(yīng)作用，最終得到黑體靶標(biāo)的紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像； 第三步，采用逐像素比較和統(tǒng)計比較相結(jié)合的分析方法，選取合適評價指標(biāo)因子，形成 綜合評價指標(biāo)，對紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像和紅外實拍圖像進行比較，并給出可信度評價。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外成像傳感器典型效應(yīng)仿真的驗證方法，其特征在于，所 述第二步具體為：根據(jù)黑體溫度、溫差及靶標(biāo)類別，利用普朗克公式計算出黑體靶標(biāo)的輻射 亮度，并量化為灰度；根據(jù)黑體靶標(biāo)成像幾何形狀及在視場所處的位置，對于圖像中黑體靶 標(biāo)區(qū)域賦予對應(yīng)的灰度級，生成黑體靶標(biāo)的紅外理想仿真圖像；針對具體紅外成像系統(tǒng)，將 黑體靶標(biāo)的紅外理想仿真圖像經(jīng)過紅外成像系統(tǒng)各模塊的退化效應(yīng)作用，最終得到黑體靶 標(biāo)的紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外成像傳感器典型效應(yīng)仿真的驗證方法，其特征在于，所 述第三步具體為：以紅外實拍圖像為參考圖像，將紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像與紅外實拍圖 像逐像素灰度值進行比較，選取保真度作為驗證評價指標(biāo)因子；分別統(tǒng)計紅外實拍圖像和 紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像的信息熵、均值、方差等信息，以信息熵、偏離度、結(jié)構(gòu)相似度為驗 證指標(biāo)因子進行分析；綜合各評價指標(biāo)因子，賦予各因子合適的權(quán)重系數(shù)，形成綜合驗證評 價指標(biāo)，并進行評價。
【專利摘要】本發(fā)明是一種用于紅外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)建模與仿真準(zhǔn)確性和真實性的驗證方法。本發(fā)明針對紅外成像傳感器系統(tǒng)典型效應(yīng)建模與仿真的驗證評價問題，提出了基于全參考圖像質(zhì)量評價方法的紅外傳感器典型效應(yīng)仿真的驗證方法，以黑體靶標(biāo)的紅外實拍圖像為參考圖像，針對具體紅外成像系統(tǒng)的紅外傳感器效應(yīng)仿真圖像，采用逐像素比較和統(tǒng)計比較相結(jié)合的分析方法，綜合考慮信息熵、偏離度、結(jié)構(gòu)相似度、保真度等評價因子，形成綜合評價指標(biāo)，進行全面驗證評價。該發(fā)明的重要意義是：基于全參考圖像質(zhì)量評價方法，綜合了逐像素比較和統(tǒng)計比較兩種分析方法，有效克服單一分析方法只能驗證部分效應(yīng)仿真結(jié)果的缺陷，評價指標(biāo)全面、客觀，準(zhǔn)確性和可信性高。
【IPC分類】G06K9/62
【公開號】CN105389591
【申請?zhí)枴緾N201510767358
【發(fā)明人】婁樹理, 李召龍, 史浩然, 馬新星, 任建存, 韓艷麗, 周仁來
【申請人】中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年11月11日