Тепловизоры - Зрительное восприятие тепловизионного изображения

Пространственная частота в плоскости предметов, наблюдаемых тепловизором, не должна быть меньше 1,1 Г, где Г — угловое увеличение.
В результате многочисленных исследований установлено, что сигнал на экране индикатора интегрируется по площади изображения объекта, т. е. объект больших размеров воспринимается при более низкой пороговой яркости, чем объект малых размеров. Это явление называют пространственной суммацией глаза. Пространственная суммация является результатом пространственно-частотной фильтрации, осуществляемой глазом.
Различают также временную суммацию, обусловленную инерцией зрения, ® результате которой глаз сохраняет и накапливает сигналы, разделенные «алыми интервалами времени. Между пороговой яркостью L объекта, наблюдаемого в течение времени Т, и пороговой яркостью L„, объекта, наблюдаемого бесконечно долго, существует следующая зависимость: L = L„ (1 — — rrjT), где тгл— постоянная времени глаза. Наиболее часто принимают 0-2 с.
Шумы, различно распределенные по пространственным частотам, по-разному влияют на способность оператора обнаруживать изображение объекта на экране тепловизора. На основании экспериментальных исследований видности шумов на экране установлено следующее [56]:
маскирующее действие белого шума зависит в основном от его спектральной плотности, т. е. от мощности, приходящейся на единицу полосы пропускания пространственных частот, и не зависит от предельной частоты спектра шума, при условии, что эта частота превышает граничную, определяемую свойствами глаза (примерно 0,3 мрад"1);
шум, сосредоточенный в узком спектральном диапазоне, оказывает более неприятное воздействие на глаз оператора, чем такой же по мощности шум, распределенный в более широкой полосе с той же центральной частотой. В диапазоне частот, превышающих 0,1 мрад-1, узкополосный шум на низкой частоте более неприятен, чем шум этой же мощности в высокочастотной области;
шум в резко ограниченной полосе частот особенно неприятен, когда ширина полосы пропускания телевизионной системы приблизительно равна 0,7 мрад-1. Раздражающее действие шума уменьшается при сужении или расширении полосы относительно этого значения;
шум в виде горизонтальных полос менее неприятен, чем шум в виде вертикальных полос в изображении, поэтому в телевизионных системах горизонтальному растру отдано предпочтение перед вертикальным;
глаз легче различает на экране протяженные объекты, откуда следует, что он воспринимает отношение сигнал/шум, характерное для объекта в целом, а не для его элементов;
глаз способен интегрировать сигналы по времени и воспринимает не мгновенное значение случайного шума, а его среднеквадратичную величину, усредненную за конечный период;
растровая структура основательно разрушает изображение, поэтому наблюдатель непроизвольно выбирает такую дистанцию, на которой растровая структура едва заметна. Угловой размер одной строки для глаза должен составлять 0,5...1 мрад (1,72...3,44'). В противном случае характеристики изображения ухудшаются. При общем числе строк, приходящихся на высоту кадра, равном 240 (угловой размер одной строки, наблюдаемой на экране, равен 2,25') при угловом размере наблюдаемой картины 9°, качество изображения оценивается как удовлетворительное, при числе строк 180 (угловой размер одной строки 3') — как недостаточное, при числе строк 120 (угловой размер одной строки 4,5') — как приемлемое на пределе и при числе строк 60 (угловой размер одной строки 9') — как недопустимо плохое;
наихудший дефект изображения обнаруживается в случае, когда глаз ощущает, что изображение не непрерывно во времени.
Дефекты тепловизионного изображения, связанные с разложением на кадры при сканировании, больше всего воздействуют на его восприятие. В идеальном случае покадровая развертка, основанная на свойствах пространственной и временной суммации глаза, обеспечивает впечатление непрерывности изображения (стробоскопический эффект). Мелькания изображения становятся неразличимыми при превышении частоты кадровой развертки некоторого значения FKp, которое зависит от расположения мелькающего источника в поле зрения. Замечено, что FKp растет по мере приближения источника к краю поля зрения, поэтому при использовании индикаторов большого размера необходимо обеспечить более высокую частоту кадровой развертки.
Мелькания в диапазоне альфа-ритма (3...10 Гц) считаются недопустимыми, поскольку они не только раздражают и рассеивают внимание наблюдателя,
но могут вызвать утомление глаз, головную боль и симпатические ритмы в мозгу с неочевидными последствиями.
Видимая яркость мигающего поля L (t) при частоте мельканий, превышающей FKp, описывается законом Тальбота:
где V— эквивалентная яркость стационарной картины; Tf — время кадра-; L — яркость, изменяющаяся во времени. Видимая яркость равна усредненной по времени яркости. Отклонения от этого закона при экспериментальных проверках не превышали 0,3 %.
Яркость окружающего фона сильно влияет на восприятие информации, с экрана тепловизора. Обычно глаз адаптируется к средней яркости окружающего фона, поэтому попытка обеспечить хорошее восприятие за счет увеличения яркости экрана не всегда приводит к желаемым результатам, так как глаз будет работать не в оптимальных условиях.
Для учета этого явления введен коэффициент kL, представляющий собой отношение яркости окружающего фона к яркости рабочей поверхности экрана. При 0,1 < kL<i 1 обеспечиваются оптимальные условия зрительного восприятия; при kL < 0,1 условия зрительного восприятия хуже, чем в предыдущем случае, a kL> 1 соответствует наихудшим условиям восприятия изображений на экране индикатора. Наблюдения теплоизлучающих объектов, оператором существенно улучшаются, когда экран тепловизора окружен равномерным фоном примерно такой же яркости.
При наблюдении на экране тепловизора объектов, находящихся на больших (предельных) расстояниях, вводят два понятия: обнаружение и распознавание. Под обнаружением понимают выделение объекта на окружающем его фоне и отнесение к классам объектов, представляющих интерес. Распознавание означает отнесение обнаруженного объекта к узкому классу объектов, интересующих наблюдателя, и установление типа объектов.
При использовании аппаратуры тепловидения процесс поиска и распознавания характеризуется единой вероятностью восприятия, которая зависит от многих факторов, влияющих на этот процесс. Эти факторы определяются характеристикой объекта (угловой размер, градиенты изменения яркости на краях крупных деталей изображения, положение на экране, скорость движения, режим работы, контраст относительного фона), характеристикой наблюдателя (тренированность, утомление, возраст, интеллект, рабочая нагрузка, периферическая острота зрения, получение предварительного инструктажа), характеристикой системы (пространственно-частотиая передаточная, функция, число строк сканирования, приходящихся на угловой размер объекта, угловой размер экрана, тепловая постоянная времени мишени) и разнородными факторами (площадь зоны поиска, освещенность в кабине наблюдателя, вибрации изображения или наблюдателя, допустимое время поиска). К этим факторам можно добавить многие другие, поэтому определение вероятности восприятия является спорной задачей, и попытки точно предсказать, результаты натурных испытаний, связанных с определением этой вероятности, не имеют большого смысла. Однако экспериментальные исследования общих принципов поиска и распознавания представляют несомненный интерес. На основании таких исследований установлено следующее. Процесс визуального поиска объекта в пределах поля зрения в значительной мере определяется числом возможных фиксаций за единицу времени.-. Максимальное число точек фиксации приходится на центр картины; большее число точек сосредоточено в ее правой и нижней частях. Верхний левый угол картины обследуется реже всего. Время фиксации уменьшается, а расстояние между точками фиксаций возрастает с увеличением углового размера картины (табл. 1).
При угловом размере картины, меньшем 9°, эффективность поиска резко снижается, так как увеличивается число точек фиксации, лежащих за пределами картины. Если при угловом размере, большем 9 , число точек фиксации, лежащих за пределами картины, равно 10, то при угловом размере 6 ° оно составляет 50, а при 3 °— 75.

1 Зависимость параметров фиксации картины от ее угловых размеров

Не обнаружено ухудшения характеристик поиска при движении наблюдаемого объекта по экрану тепловизора со скоростью 0...8°/с. При скорости 16°/с время поиска увеличивается примерно на 25%, а при 31°/с — на 100 %. Горизонтальное перемещение объекта приводит к меньшему ухудшению видения, чем вертикальное.
Вероятность обнаружения объекта возрастает с увеличением времени наблюдения, углового размера объекта и его контраста на окружающем фоне. Если на картине с помехами, характеризуемой по угловым размерам телесным углом со, нужно отыскать объект с угловым размером £2 за время t, то вероятность обнаружения
где р*бн — вероятность того, что наблюдатель обнаружит объект, если он смотрит прямо на него; и — эмпирический коэффициент помех, значения которого лежат в пределах 0,01...0,1.
Для обеспечения 50 %-ной вероятности распознавания объектов аппаратура тепловидения должна обеспечить 15 строк, укладывающихся в размер изображения объекта, а для обеспечения 90 %-ной вероятности — 24 строки.
Вероятность распознавания наземных объектов ррас является возрастающей функцией отношения сигнал/шум вплоть до значения этого отношения, равного 15. С увеличением отношения сигнал /шум от 20 до бесконечности ррас возрастает не больше, чем на 10 %.