Системы тепловидения - Эксперименты с обработкой на ЭВМ

10.9. Эксперименты с обработкой на ЭВМ изображений, полученных системой FLIR
Экономическая нецелесообразность создания систем FLIR с широким диапазоном изменения параметров для исследования особенностей интерпретации изображений стимулировала моделирование изменений параметров методом специальной обработки изображений. Одно из таких исследований провел Вильямс [13]г который изучал влияние числа строк, укладывающихся в размере объекта, увеличения, МПФ и отношения сигнала к шуму на точность различения.
Вильямс с сотрудниками создали цифровой формирователь изображения и использовали его вместе с термографическими изображающими системами для получения изображений с регулируемым ухудшением качества. Целью этих работ было моделирование характеристик изображения для обычных систем FLIR с растровым сканированием, использование этих изображений для количественных исследований влияния изменения параметров на способность наблюдателей различать объекты и установление обобщающих критериев характеристик изображения.
Термографическая система, на которой получалось исходное изображение, практически не имела шумов; отношение ширины к высоте картины составляло 2:1 при 250 строках на высоту кадра; МПФ имела гауссову форму со среднеквадратичным отклонением ФРЛ, равным половине расстояния между строками. Обработка фотографий производилась таким образом, что погрешности в исходном изображении были несущественны по сравнению с ухудшением качества изображения, вносимым при обработке. Каждая фотография передавалась матрицей, состоящей из 250 X 500 элементов, и регистрировалась при числе градаций на каждый элемент, равном 64, т. е. 6 бит. Информация выбиралась, как при процессе строчного сканирования, размывалась в двух направлениях, как от гауссовой функции рассеяния, ухудшалась контролируемыми шумами и отпечатывалась на пленку растром, имеющим также гауссово рассеяние. Таким образом, было изготовлено 16 экземпляров изображений каждого из десяти типов объектов. При этом параметры изображения варьировались следующим образом:

Эти изображения рассматривались затем с различных расстояний, чтобы получить следующие вариации увеличения:

Было проведено 15 тыс. отдельных наблюдений 18 наблюдателями по 160 изображениям с ухудшенным качеством изображения, и была проведена статистическая обработка полученных данных.
Результаты Вильямса поразительным образом разошлись с принятым представлением, что небольшие изменения МПФ и отношения сигнала к шуму оказывают сильное влияние на характеристики различения. Вильямс обнаружил, что растровая структура, по-видимому, столь основательно разрушает изображение, что значительные изменения МПФ и отношения сигнала к шуму вызывают весьма небольшое ухудшение характеристик различения.
Оценка корреляции переменных параметров качества изображения со степенью различения осуществлялась методом линейной регрессии. Лучшим единым критерием точности различения в этом эксперименте оказалась разрешающая способность по трехштриховому тест-объекту, длина штрихов которого параллельна строкам растра. Другим подходящим параметром является число строк растра, укладывающихся в минимальном размере объекта.
Разрешающая способность по трехштриховому тест-объекту является хорошим критерием, что согласуется с результатами Джонсона [11] для электронно-оптических преобразователей, а также Розелла и Вильсона [12] для телевидения. Преимущества этого критерия заключаются в том, что он учитывает одновременно влияние на реакцию наблюдателя степени выборки, вертикальной функции рассеяния, отношения сигнала к шуму

Фиг. 10.18. Предельное разрешение трехштрихового тест-объекта.
1 — 88 строк на высоту кадра, 24 строки на объект; 2 — 44 строки на высоту кадра, 12 строк на объект; 3—22 строки на высоту кадра, 6 строк на объект; 4—11 ’строк на высоту кадра, 6 строк на объект.

Фиг. 10.19. Предельное разрешение трехштрихового тест-объекта. На  кривых указана высота кадра в угловых градусах.

Фиг. 10.20. Вероятность различения в функции разрешающей способности (штрихи/высота объекта).
и увеличения. Таким образом, разрешающая способность остается хорошим критерием качества и при наличии выборки.
На фиг. 10.18 показано экспериментально полученное предельное разрешение штрихового тест-объекта со штрихами, ориентированными в направлении сканирования. Предельное разрешение представлено в функции общей высоты картины для различного числа строк. Из кривых ясно видно влияние роста увеличения при постоянном числе строк. Те же данные приведены на фиг. 10.19, чтобы показать влияние роста числа строк при постоянном увеличении. Другие результаты, полученные в этих исследованиях, представлены на фиг. 10.20—10.23.
Основной вывод из этих исследований заключается в том, что выборка оказывает определяющее влияние на характеристики изображения, а шум и МПФ играют при различении существенно меньшую роль. Это не противоречит многим более ранним исследованиям по интерпретации фотоизображений, в которых была обнаружена сильная зависимость характеристик изображения от МПФ в фотографии. Просто исследования Вильямса показывают,

Фиг. 10.21. Вероятность различения в функции отношения сигнала к шуму С/Ш для различного числа строк L, укладывающихся в размере изображения объекта.

Фиг. 10.22. Вероятность различения в функции углового размера объекта для различного числа строк L, укладывающихся в размере изображения объекта.

Фиг. 10.23. Вероятность различения в функции МПФ на частоте, обратной расстоянию между центрами соседних полос тест-объекта, для различного числа строк L,*• укладывающихся в размере изображения объекта.
что псевдочастоты при выборке настолько искажают изображение при малом числе строк, укладывающемся в размере изображения объекта, что изменения МПФ уже не оказывают существенного влияния на качество изображения.
На основании результатов этих исследований можно сформулировать несколько эмпирических выводов:

• Для 90%-ной вероятности правильного различения требуется в среднем 24 строки растра или 12 пар разрешаемых штрихов на высоту объекта.
• Для 50%-ной вероятности правильного различения требуется в среднем 15 строк растра или 7,5 пары разрешаемых штрихов на высоту объекта.
• Угловой размер одной строки растра для глаза должен быть не более 1 мрад и не менее ~0,5 мрад, в противном случае характеристики изображения существенно ухудшаются.

Эти цифры хорошо согласуются с современной практикой разработки систем FLIR. Так, при 350 строках и угловом размере чувствительного элемента приемника 0,25 мрад, при высоте экрана 150 мм, рассматриваемого с максимального расстояния 0,75 м, угловой размер строки получается равным 0,57 мрад.
Некоторые интересные примеры обработанных на ЭВМ изображений, полученных системой FLIR, показаны на фиг. 10.24 и 10.25. Изображения обрабатывались [13], чтобы моделировать систему с параллельным сканированием, в которой определяющее влияние на МПФ оказывают размеры чувствительного элемента приемника (апертуры на входе) и светодиода (апертура на выходе). На фиг. 10.24 показаны изображения, приведенные к числу строк, равному 125, при постоянном размере светодиода и при меняющихся размерах приемника и отношениях сигнала к шуму в точке. На фиг. 10.25 показаны изображения с теми же относительными изменениями параметров при числе строк, равном 31. Исходное термографическое изображение, в которое вводились эти изменения, показано на фиг. 10.26.