Системы тепловидения - Визуальное восприятие объектов

Глава 10 Визуальное восприятие объектов
10.1. Основные положения
Процесс поиска объекта на экране индикатора оптико-электронной системы включает четыре взаимосвязанные стадии: обнаружение, классификацию, различение и опознавание. Под обнаружением подразумевается выделение объекта на фоне и отнесение его к классам объектов, представляющих потенциальный интерес. Классификация означает отнесение обнаруженного объекта к одному из широких классов, таких, как сухопутные транспортные средства или военные корабли. Различение означает отнесение наблюдаемых объектов к более узким подклассам, как, например, танки или самоходные орудия. Наконец, на стадии опознавания можно установить тип объекта, например определить, что наблюдается танк М-60 Х).
При использовании системы тепловидения она обычно характеризуется единой вероятностью восприятия Рв0Спр> которая определяет вероятность выполнения данной задачи. Можно представить Рвоспр как произведение условных вероятностей, если ввести следующие обозначения:
п —объект появляется в поле зрения;
виз —наблюдатель визирует объект (смотрит на него);
обн —наблюдатель обнаруживает объект;
кл —наблюдатель классифицирует объект;
разл —наблюдатель различает объект;
опозн — наблюдатель опознает объект.
Тогда
(10.1)
Вероятность того, что объект находится в поле зрения, является сложной функцией метода нацеливания на объект, априорных
г) В отечественной литературе используются только две стадии — обнаружение и опознавание, причем под опознаванием понимается возможность отнесения объекта к узкому классу, и в этом смысле опознавание соответствует различению по определению автора.— Прим. ред.
сведений, точности решения навигационных задач и выбранного алгоритма поиска. Обычно полагают Рп = 1. Принимают также, что задачи, решаемые при поиске, взаимно независимы, так что условные вероятности могут быть заменены безусловными вероятностями
(10.2)
Сложность процесса поиска объекта можно оценить на основании составленного по опубликованным данным перечня факторов, влияющих на этот процесс.
Характеристики объекта: отношение сигнала к шуму С/Ш; контраст относительно фона С; критический угловой размер 0С; градиенты изменения яркости на краях крупных деталей изображения; сложность контуров; место в общей рассматриваемой картине; положение на экране индикатора; форма; ориентация; перспектива; размер по отношению к размеру экрана; скорость движения по картине У; яркость; режим работы.
Характеристики картины: яркость фона Lb; плотность помех или ложных сигналов; скорость движения картины по экрану; соотношение ширины и высоты картины.
Характеристики системы: оптическая передаточная функция и связанные с ней критерии разрешения; частота выборки во времени F; частота выборки в пространстве (число строк сканирования L на критический угловой размер объекта); угловой размер экрана индикаторного устройства А'; передача серой шкалы градаций яркости; динамический диапазон.
Характеристики наблюдателя: тренированность; мотивировка действий; утомление; получение предварительного инструктажа; возраст; коэффициент интеллекта; индивидуальные особенности; рабочая нагрузка; метод поиска; число наблюдателей и степень связи между ними; периферическая острота зрения.
Разнородные, в том числе тактические, факторы: требуемая площадь зоны поиска; освещенность в кабине наблюдателя; шумы и вибрации транспортного средства, на котором установлена система; вибрации изображения или наблюдателя; допустимое время поиска.
К общему числу перечисленных факторов, равному 40, можно добавить многие другие. Все эти факторы в той или иной мере исследовались, и в последующих разделах подытожены некоторые из наиболее полезных экспериментальных результатов. Любая статья, посвященная исследованию процессов восприятия, описывает эксперименты, в которых для получения поддающихся обработке результатов выделено только несколько факторов из всего их многообразия. Поэтому, хотя в этой области имеется множество статей, невозможно найти точно совпадающие результаты двух аналогичных экспериментов разных авторов. Самое большее, на что
можно надеяться, это извлечь из имеющейся противоречивой массы данных некоторые общие эмпирические положения, которые могут помочь продвинуться в нужном направлении.
В большинстве экспериментов, которые будут здесь рассматриваться, выбирается некоторый переменный показатель качества изображения F, фиксируются все другие возможные показатели качества и затем изменяется величина F, чтобы определить влияние этого показателя на вероятность решения определенной задачи Т, т. е. отыскивается зависимость Pv [Т] от V. В этих экспериментах обычно предполагается, что влияние таких параметров, как шумы, разрешение, характер выборки, тип объекта, в первом приближении можно разделить. В этом случае максимальное значение Pv [Г] может не быть равно единице, поскольку максимально достижимая вероятность может быть ограничена фиксированными параметрами.
По мнению автора, предварительная оценка поведения системы в реальных условиях полезна для общего понимания влияния переменных на Pv [Г], но попытка точно предсказать результаты натурных испытаний — пустая трата времени. Лучший подход к проблеме определения характеристик заключается в проведении грамотно спланированных испытаний в натурных условиях и на моделях, а также в экстраполяции результатов на основе общих принципов для других условий.
Именно в этом духе построены последующие разделы главы. В них описаны некоторые заслуживающие доверия экспериментальные результаты, иллюстрирующие общие принципы поиска объектов. Известно немного публикаций, относящихся к исследованию тепловизионных систем, однако имеется множество описаний экспериментов в области фотографии и телевидения с использованием изображений, достаточно похожих на тепловые, чтобы представить для нас интерес. Прежде чем рассматривать исследования собственно тепловых изображений, рассмотрим результаты этих экспериментов в видимой области спектра. Лучшим источником информации о визуальном восприятии объектов является монография [1].

1. Движения глаза во время визуального поиска

Процесс визуального поиска объекта в пределах поля зрения в значительной мере определяется ограничениями скорости и частоты движений глаз. При свободном поиске центр поля зрения останавливается на короткий период, быстро перемещается в другую точку, вновь фиксируется и процесс повторяется, пока глаз не обнаруживает объект. Скорость, с которой может перемещаться поле зрения глаза, ограничивается числом возможных фиксаций в секунду и траекторией поиска, которая обычно выбирается полу.
бессознательно. Дальнейшее рассмотрение относится именно к этим проблемам, причем сначала рассматривается механизм поиска, а затем приводятся соответствующие уравнения. Основные статьи, в которых описывается механизм поиска, [2—4].
Энох [2] использовал круглые аэрофотоснимки углового размера 3, 6, 9, 1В и 24° на дистанции наблюдения 55 см и 51°18' на дистанции 34 см. Максимальная яркость картины составляла ~200 кд/м2. Энох регистрировал движения глаз наблюдателей в процессе поиска колец Ландольта на фоне этих снимков и пришел к следующим выводам:

1. Максимальное число точек фиксации приходится на центр картины.
2. Большее число точек фиксации сосредоточено в правой и нижней частях картины, в остальных участках точек меньше.
3. Время фиксации уменьшается, а расстояние между точками фиксации увеличивается с увеличением углового размера картины, как следует из приведенной ниже таблицы:

1. При угловом размере, меньшем 9°, эффективность поиска резко снижается, поскольку увеличивается число точек фиксации, лежащих за пределами картины, что следует из приведенных ниже данных:

1. При угловом размере картины, большем 9°, число точек фиксации в центре возрастает за счет точек на периферии и соответствующим образом уменьшается эффективность поиска.
2. Верхний левый угол картины обследуется реже всего.

В соответствии с выводами Эноха оптимальный угловой размер картины составляет 9°, а уменьшение и увеличение этого размера приводят к уменьшению эффективности поиска по причинам, указанным в пп. 4 и 5. Отсюда следует, что увеличение углового размера экрана индикатора сверх 9° оправдано лишь в тех случаях, когда избыточные участки экрана используются* для ориентации и навигации.
Форд и др. [3] провели эксперимент по визуальному поиску с целью определения частоты фиксаций глаза, продолжительности фиксаций и расстояния между точками фиксации. Производя поиск небольшого объекта, диаметром Змм, близкого к порогу восприятия, в поле 30° диаметром 305 мм при яркости 8,5 кд/м2 в течение 5 с, авторы установили, что частота фиксации заключена в диапазоне 2,2—4,4 с”1 со средним значением 3,1 с-1. Средняя продолжительность фиксаций 0,28 с, т. е. фиксация занимает 85% времени. Среднее время движения 0,04[с, т. е. движение занимает 15% времени. Среднее расстояние между точками фиксации составляло 8,6°. Форд и др. [3] установили также, что имеется*тенденция пренебрегать центральным и внешним участками поля. Обобщающие соображения относительно движения глаза во время поиска приведены Уайтом [5], который утверждает, что время фиксации возрастает для более сложных картин и более жесткихгтребований.

Фиг. 10.2. Используемая в исследованиях классификация положений объекта на экране [4].
Бэйкер и др. [4] провели эксперименты по наблюдению на экранах индикаторов неподвижных изображений произвольной формы. Плотность помех, или относительное число мешающих изображений, была постоянной, так что общее число помех было

Фиг. 10.1. Время поиска в зависимости от площади экрана индикаторного устройства [4]. 1 — среднеарифметическое время; 2 — среднегеометрическое время.;

Положение одъеша
Фиг. 10.3. Время поиска в зависимости от положения объекта [4].
пропорционально площади экрана. Авторы установили, что зависимость времени поиска от площади экрана имеет вид, показанный на фиг. 10.1. Напротив, если число помех не зависит от размера экрана, время поиска с увеличением площади экрана остается неизменным. Эти авторы разделили также круглый экран с неподвижными изображениями на пять кольцевых зон равной ширины (фиг. 10.2) и установили, что при поиске объекты быстрее всего отыскиваются в зоне 3 (фиг. 10.3.)

1. Теории свободного поиска

Применим теперь представление о чередовании быстрого перевода взгляда и его фиксации в зрительном процессе для расчета вероятности видения одиночного объекта на экране индикатора.
Наиболее эффективный возможный процесс поиска можно в принципе представить как такой, при котором движение глаз обеспечивает периодический осмотр всего изображения на экране без перекрытий и без пропусков. Уравнение поиска для этого случая выводится следующим образом. Пусть телесный угол, соответствующий однократной фиксации взгляда, равен Qg, а телесный угол, соответствующий всей площади экрана индикатора, равен Qs. Тогда один полный цикл поиска будет содержать Qs/Qg фиксаций взгляда. Число результативных действий, в процессе которых мы увидели объект, равно единице, а число нерезультативных действий равно (Qs/Qg) — 1.
Задача в том виде, как она здесь сформулирована, эквивалентна, таким образом, определению вероятности выбора черного шара в п попытках без пополнения шаров из сосуда, содержащего а черных шаров и b белых шаров. Возможное число нежелательных

событий равно Ь. Для такого биномиального распределения вероятность п — г результативных событий в п попытках равна

(10.3)

где р и q — вероятности результативного и нерезультативного исходов одной попытки. Величины р и q связаны саиб соотношениями
(10.4)
(10.5)
В этой простой модели поиска общее число попыток п равно отношению полного времени t, отведенного на поиск, ко времени tg одного скачка (движения и фиксации) глаза

(10.6)
Поскольку имеется только один результативный исход попытки, можно оценить вероятность Р (1) не по уравнению (10.9), а проще:


(10.7)
(10.8)
(10.9)
В том случае, когда объект обнаруживается при первом взгляде на него, требуемое число результативных событий п — г равно 1 и
Недостатки этой простой модели заключаются в том, что свободный поиск такого типа невозможно реализовать, а также в том, что при взгляде на объект он не обязательно обнаруживается с первого раза. Лучшие модели были предложены или обоснованы в трех фундаментальных статьях по теории поиска: Кренделя и Водинского [6], Вильямса и Бороу [7], а также Вильямса [8].

Крендель и Водинский [6] постулировали модель случайного поиска и подтвердили ее справедливость тремя экспериментами. Они предположили, что процесс поиска случаен и что, если вероятность обнаружения объекта с первого взгляда равна Psg, вероятность обнаружения после п попыток равна

В первом эксперименте использовался экран размером 183 X X 160 см и яркостью 17 кд/м2, рассматриваемый с расстояния 3 м, что соответствовало угловому размеру экрана 34,9 X 30,4°. Объектом являлся кружок диаметром 3,87 мрад, условия видимости которого были близки к пороговым. Объект мог занимать одну из 48 позиций. Этот эксперимент очень хорошо подтвердил принятую простую модель поиска.
Во втором эксперименте использовался объект размером 1,2 мрад2 на протяженном фоне яркостью 0,03 кд/м2. Угловые размеры полей, в которых производился поиск, составляли 0,22 и 0,098 ср. Адаптированные на темноту наблюдатели отыскивали 44 случайно расположенных объекта. Полученные результаты также подтвердили справедливость данной модели.
В третьем эксперименте адаптированным на темноту наблюдателям предлагалось в течение 30 с произвести поиск в поле зрения диаметром 6,8; 18; 32 и 43° при яркости фона 42,5; 3,5; 0,35 и 0,035 кд/м2. Объектами являлись кружки с угловыми размерами 1,41; 3,81; 7,03 и 13,48 мрад, и контрасты во всех этих случаях по меньшей мере вдвое превышали пороговые значения, необходимые для обнаружения объекта с вероятностью 95% при продолжительном времени наблюдения. Эти эксперименты показали, что экспоненциальная модель поиска является удовлетворительной при выполнении следующих трех условий:

1. Время поиска не превышает 30 с.
2. Параметры изображения таковы, что контраст или размер не изменяется во время поиска.
3. Наблюдатели сознательно не применяют метода поиска, отличного от случайного.

Ко времени проведения этих исследований характер движений и фиксаций взгляда в зрительном процессе еще не был изучен, поэтому используемая модель не могла учитывать роль фиксаций. Исследования Кренделя и Водинского [6] показали также, что
тренировка (приобретение наблюдателями опыта в решении поставленной задачи поиска) в среднем не оказывает заметного влияния на получаемые результаты.
Вильямс и Бороу [7] показали для различных значений плотности помех и скорости движения элементов картины по экрану индикатора, что вероятность различения принимает простую форму Р = 1 — exp (—mt). Вильямс [8] разработал несколько отличную теорию поиска, основанную на том факте, что последовательные фиксации внутри интервала в несколько секунд имеют тенденцию группироваться, в результате чего наблюдается частично упорядоченный процесс поиска. Обозначая через N общее число циклов сканирования взглядом всего поля за время данного эксперимента и через F долю последнего цикла до момента, когда произошло обнаружение, Вильямс показал, что вероятность обнаружения объекта за N + F циклов сканирования равна
(10.14)
где Pss — вероятность обнаружения объекта за один полный цикл сканирования поля.
Поскольку полное время поиска t есть число, кратное времени одного цикла tss, Уилльямс получил
где
(10.15)
Во всех приведенных выше уравнениях время t, отведенное на поиск, может быть связано с физическими условиями поиска, такими, как скорость поворота приемного устройства или скорость самолета, высота, угол наклона и поле зрения приемного устройства, как показано в разд. 10.4.
Блумфилд [9] показал, что поиск объекта на картине с высокой: плотностью помех облегчается с увеличением контраста или размера объекта по отношению к помехам. Аналогичным образом Петерсен и Дугас [10] установили, что время поиска уменьшается, когда контраст или скорость перемещения объекта относительно фона увеличиваются. Они установили также, что в случае движения объекта в уравнение свободного поиска должен быть введен коэффициент при экспоненте. Для скорости объекта относительно картины У, меньшей 5 град/с, этот коэффициент равен С (1 + + 0,45 У2), где 0,3 < С  0,5.