Содержание материала

    1. Визуальная чувствительность

к пространственной частоте случайного шума
Случайные шумы влияют на работу тепловизионной системы двояким образом. Во-первых, случайный шум влияет на способность наблюдателя обнаруживать и опознавать объект на экране индикатора. Во-вторых, некоторые виды шумов настолько неприятны сами по себе, что вообще не позволяют наблюдателю рассматривать экран индикатора. Поэтому важно знать, как воспринимается шум.
На различное восприятие глазом шумов, по-разному распределенных по пространственным частотам, первыми указали Мерц [30] и Болдуин [31]. Болдуин провел субъективные измерения восприятия различных по спектру телевизионных шумов, а Мерц по результатам этих измерений определил весовую функцию глаза применительно к восприятию шумов, т. е. чувствительность к пространственно-частотным составляющим случайного шума. Болдуин наблюдал своеобразный эффект независимости восприятия белого шума с резкой отсечкой граничной частоты /с от величины/с. По-видимому, это объясняется тем, что невосприимчивость высокочастотных шумов компенсирует увеличение амплитуды шумов, вызванное расширением полосы. Кольтман и Андерсон [32] проверили эти наблюдения, измеряя условия обнаружения телевизионных тест-объектов при наличии шумов. Полученные результаты они подытожили следующим образом: маскирующее действие белого шума зависит только от мощности шума на единицу полосы и не зависит от верхней предельной частоты спектра шума при условии, что эта частота превышает граничную частоту, определяемую свойствами глаза. Последняя равна ~0,3 мрад”1.
Барстоу и Кристофер [33, 34] исследовали видимость шумов, используя телевизионный экран размером 150 X 200 мм, рассматриваемый с расстояния 0,6 м; при наличии шумов наблюдались объекты яркостью 1—2 кд/м2 на фоне~10~2 кд/м2. Они обнаружили, что мощность шума, сосредоточенная в узком спектральном диапазоне, оказывает более неприятное воздействие, чем та же мощность, распределенная в более широкой полосе с той же центральной частотой. Шум в узком спектральном диапазоне на низкой частоте также более неприятен, чем шум той же мощности в высокочастотной области.
Барстоу и Кристофер дали яркое описание видимой картины шумов различного типа. На очень низких частотах шумы проявляются в виде раздражающих черточек и полосок. При увеличении частоты шума картина похожа на мелкозернистый фотографический шум, но «зерна» случайным образом перемещаются в пространстве, причем видимый размер зерен уменьшается с ростом частоты. Шум в узкой полосе напоминает «елочку». Сравнивая влияние шумов в различных узких полосах, они получили кривую чувствительности глаза к телевизионным шумам (фиг. 4.9). Эти исследования проводились в 1962 г. при соответствующем уровне телевизионной техники. Брейнард и др. [35] провели аналогичные эксперименты для изображения в 225 строк с частотой 30 кадр/с.
Брейнард [36] провел также измерения весовой функции шумов, используя телевизионное изображение со 160 строками в кадре и кадровой частотой 60 Гц для квадратного кадра размером 110 X X 110 мм, наблюдаемого с расстояния 0,8 м. Он обнаружил некоторые дополнительные тонкости по сравнению с результатами, полученными в работах [30, 33—35]. Брейнард установил, что глаз более чувствителен к шумам в узких полосах, центрированных на частотах, кратных строчной частоте, чем к шумам между этими частотами. Этот эффект наблюдается только в сканирующих системах телевизионного типа. Возможное использование этого факта применительно к системам FLIR заключается в следующем: шум на кратных строчной частоте частотах проявляется как изменение уровня яркости от строки к строке; в пределах одной строки этот уровень приблизительно постоянен. Тот же эффект будет наблюдаться, если от строки к строке меняется уровень по постоянному току или усиление по переменному току, что характерно для систем, в которых каждая строка формируется отдельным приемником излучения. Нежелательность наличия таких шумов при переходе от строки к строке очевидна из данных Брейнарда, обнаруживающих повышенную чувствительность глаза к такого рода шумам.

Фиг. 4.9. Кривая восприятия шумов по данным Барстоу и Кристофера [34].
ному току или усиление по переменному току, что характерно для систем, в которых каждая строка формируется отдельным приемником излучения. Нежелательность наличия таких шумов при переходе от строки к строке очевидна из данных Брейнарда, обнаруживающих повышенную чувствительность глаза к такого рода шумам.
Одно из наиболее интересных и всесторонних исследований влияния шумов было проведено Хуангом [37]. Хуанг рассматривал три неподвижные черно-белые картины (лицо, человека в рост, группу людей), к которым он добавлял характеризуемые гауссовым распределением резко ограниченные со стороны высоких частот аддитивные шумы, независимые в горизонтальном и вертикальном направлениях. Регулируя полосу независимо в каждом направлении, он мог получать кривые «равного качества», соответствующие различным комбинациям величин вертикальных и горизонтальных шумов, при которых наблюдалось одинаковое ухудшение изображения. Используя фотографии размером 90 X 90 мм с отношениями сигнала к шуму 26, 22 и 18 дБ (что соответствует линейным отношениям 19,95, 12,59 и 7,94) и с полосами шума в горизонтальном и вертикальном направлениях Nx и в диапазоне 1,076—1,908 мрад-1, наблюдатели классифицировали изображения при освещенности 320 лк. На фиг. 4.10 и 4.11 показана разница между кривыми равного качества для картин с умеренным (человек в рост) и большим (группа людей) числом деталей. По результатам обработки данных Хуанг установил, что весовая функция шума имеет такой же характер, как РСВ.

На основании своих исследований Хуанг сделал следующие основные выводы:

Фиг. 4.10. Кривые равного качества изображения на карте шумов для картины с умеренным числом деталей (человек в рост) [37].


Фиг. 4.11. Кривые равного качества изображения на карте шумов для картины с большим числом деталей (группа людей) [371.

  1. Шум определенной мощности в резко ограниченной полосе особенно неприятен, когда ширина полосы приблизительно равна 0,7 мрад-1; раздражающее действие шума уменьшается при сужении или расширении полосы. Таким образом, при постоянной мощности шума равномерное расширение полосы в обоих направлениях приводит к увеличению раздражающего действия шума, которое достигает максимума при
  2. 7 мрад-1, а затем уменьшается.
  3. Шум в виде горизонтальных штрихов менее неприятен, чем шум в виде вертикальных штрихов х).
  4. Шумы, частотный состав которых похож на частотный состав сигнала, оказывают меньшее раздражающее действие, чем другие шумы.