一種紅外場景仿真系統(tǒng)工作狀態(tài)尋優(yōu)方法＊

何永強(qiáng)，唐德帥，胡文剛，元 雄，耿 達(dá)

（軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003）

引 言

目前，紅外場景仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種半實物仿真系統(tǒng)中，根據(jù)紅外圖像生成原理不同可以分為直接輻射型和輻射調(diào)制型，采用的主要技術(shù)有：電阻陣列、光二極管陣列、Bly Cell、液晶光閥、數(shù)字微鏡器件（DMD）等［1］。其中，基于DMD的紅外場景仿真系統(tǒng)以其高圖像分辨率、高光效效率以及全數(shù)字化控制等優(yōu)勢得到越來越多的重視和應(yīng)用。它以光源溫度可調(diào)、顯示幀頻可調(diào)等特點可以適用于多種凝視型紅外探測設(shè)備。

紅外場景仿真系統(tǒng)的最終目的是投影出感興趣的紅外目標(biāo)和背景信息，為紅外成像設(shè)備提供信息源。場景仿真系統(tǒng)所產(chǎn)生的紅外圖像的質(zhì)量直接關(guān)系到仿真實驗的效果，因此，選擇合適的方法對場景仿真系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評價具有重要的意義。目前，對場景仿真系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行評價的相關(guān)研究較少，李卓等人提出了紅外場景生成裝置的主要技術(shù)指標(biāo)評測體系［2－4］，對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行包括時間特性、空間分辨率、空間均勻性、幾何畸變等指標(biāo)在內(nèi)的定量評價。為了在實際應(yīng)用過程中迅速、簡潔地確定仿真系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，本文提出一種利用客觀評價方法，通過采用標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備對實物場景進(jìn)行探測成像，與場景生成器產(chǎn)生的原始圖像進(jìn)行相似度對比，實現(xiàn)場景仿真系統(tǒng)的定性評價，對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可以快速確定仿真系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)評價測試指標(biāo)

通過對紅外場景仿真系統(tǒng)成像質(zhì)量的測試與評價能夠?qū)Ψ抡嫦到y(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展提出具體要求，具有學(xué)術(shù)意義和實用價值。紅外場景生成裝置的主要技術(shù)指標(biāo)包括：時間特性、空間分辨率、空間均勻性、幾何畸變、動態(tài)范圍、最大輻射功率密度、最小可分辨溫差、串?dāng)_和輻射對比度等。其中又以均勻性、對比度、幾何畸變和空間分辨率最為重要，為圖像性能評測中優(yōu)先考慮的評測指標(biāo)。

時間特性是描述像元輻射或調(diào)制紅外輻射通量變化速度的特征量。它的測量主要包括幀頻、上升時間、保持時間和下降時間的測量。空間分辨率是指系統(tǒng)單位寬度范圍內(nèi)可識別的線對數(shù)，單位是lp／mm。可以用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）表示，表征了仿真系統(tǒng)傳遞不同頻率信號調(diào)制度的傳遞特性，即經(jīng)過場景仿真系統(tǒng)成像前后像的調(diào)制度與物的調(diào)制度之比。空間均勻性是指當(dāng)輸入均勻強(qiáng)度分布的圖像時，場景仿真系統(tǒng)上不同區(qū)域的強(qiáng)度差異。幾何畸變反映場景仿真系統(tǒng)生成圖像相對于理想圖像的變形程度，定義實際圖像上某點到圖像中心點的徑向距離與理想徑向距離之差為圖像上此點的絕對畸變。絕對畸變與理想徑向距離的比值為相對畸變。

上述指標(biāo)比較全面地反映了場景仿真系統(tǒng)的成像質(zhì)量，通過對上述指標(biāo)的測試，可以完整地描述出仿真系統(tǒng)的性能，對仿真系統(tǒng)的改進(jìn)具有實際的指導(dǎo)意義，但具體測試過程相對復(fù)雜，比如，空間分辨率和空間均勻性的測量需要利用點源掃描輻射計逐點掃描得到，其他指標(biāo)的測量也需要多次重復(fù)測量、比較得出，實施起來具有一定的難度。

2 成像質(zhì)量評價方法

為了在實際應(yīng)用過程中迅速、簡便地確定仿真系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，本文提出一種利用客觀評價方法。通過采用標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備對某一實物場景進(jìn)行探測成像，然后利用場景生成器模擬實物場景，用紅外成像設(shè)備對其探測成像；通過調(diào)整仿真系統(tǒng)工作參數(shù)，得到多幅圖像，分別與實物場景所成的圖像進(jìn)行相似度對比，實現(xiàn)對場景仿真系統(tǒng)的定性評價，并對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

圖像質(zhì)量評價的方法可以分為兩種［5］：（1）主觀評價方法：通過設(shè)計實驗，由觀察者對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價；（2）客觀評價方法：采用某種算法對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價。其中主觀評價方法和人的主觀感受聯(lián)系緊密，但它費(fèi)時、復(fù)雜，對觀察者的專業(yè)背景要求較高，并且不能結(jié)合到其它算法中使用；客觀評價方法方便、快捷，但它和人的主觀感受有一定出入。通常提到的圖像質(zhì)量評價算法指客觀評價算法，其目的是獲得和主觀評價結(jié)果一致的評價值。

由于仿真系統(tǒng)投影的圖像是以圖像產(chǎn)生器產(chǎn)生的圖像為信號源，所以本文利用一款經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備，對場景仿真系統(tǒng)探測成像，并將所成的像與所仿真的實物場景進(jìn)行相似度比較，通過多幅圖像對比，定性評價場景仿真系統(tǒng)的成像質(zhì)量。評價系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖像相似度的測量通常是用恢復(fù)圖像與原圖像之間的統(tǒng)計誤差來衡量恢復(fù)圖像的質(zhì)量，若誤差越小，則差異越小。常用的圖像逼真度測量參數(shù)有平均絕對誤差（MAE）、均方誤差（MSE）、歸一化均方誤差（NMSE）、信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）［6］。

2.1 平均絕對誤差（MAE）

把被評價圖像與原始圖像各點灰度差的絕對值之和除以圖像的大小，其值越小表示與原圖像的偏差越小，圖像質(zhì)量越好。計算表達(dá)式如下：

其中，M和N 分別是圖像長度和寬度上的像素個數(shù)，g（i，j）和（i，j）分別是原始圖像和被評價圖像在點（i，j）處的灰度值。

圖1 評價系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the structure of the evaluation system

2.2 均方誤差（MSE）

是判斷圖像質(zhì)量最常用的方法之一，值越小表示圖像質(zhì)量越好。計算表達(dá)式如下：

2.3 歸一化均方誤差（NMSE）

是一種基于能量歸一化的測量方法，它相對均方誤差是將分母的圖像大小變成了原始圖像各個像素灰度的平方和，值越小表示圖像質(zhì)量越好。計算表達(dá)式如下：

2.4 信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）

信噪比和峰值信噪比也是用來測量圖像質(zhì)量的常用參數(shù)，不同的是前幾個參數(shù)是越小越好，但信噪比和峰值信噪比是值越大代表圖像質(zhì)量越好。計算表達(dá)式分別如下：

由于圖形質(zhì)量評價方法吸引越來越多學(xué)者的關(guān)注，出現(xiàn)了大量的評價方法，評價對象各有不同，經(jīng)常采用的指標(biāo)為MSE和PSNR，它們都是基于統(tǒng)計特性的圖形質(zhì)量評價方法，計算比較直觀、嚴(yán)格，使得它們一直得到廣泛應(yīng)用，但也存在缺點，對于嚴(yán)格質(zhì)量要求的場合不宜使用，原因是它們都是基于逐像素點比較圖形差別，只能近似反映圖形質(zhì)量。由于紅外場景仿真系統(tǒng)所成圖形本身質(zhì)量存在一定缺陷，使用上述方法進(jìn)行評價完全可以表征圖像質(zhì)量好壞。

3 實驗驗證

對于圖像質(zhì)量區(qū)別明顯的圖像可以通過人眼直接分辨出像質(zhì)的好壞，而對于圖像質(zhì)量十分接近的圖像則需要借助評價函數(shù)來區(qū)分，如圖2所示。

圖2 圖像質(zhì)量評價示例Fig.2 Examples of image quality

圖2（b）、（c）、（d）像質(zhì)接近，僅僅通過人眼無法立即判別圖像質(zhì)量的好壞，需要通過評價函數(shù)來區(qū)分。經(jīng)過采用上述評價算法與圖2（a）比較之后，得到數(shù)據(jù)如下：

通過分析評價結(jié)果可以得出，場景仿真系統(tǒng)工作在圖2（b）工作狀態(tài)時比工作在其它兩個狀態(tài)時成像效果要好。利用上述算法進(jìn)行成像質(zhì)量的比較判斷，在實際應(yīng)用中，便于每次使用之前進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，可以快速、便捷確定仿真系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)。

開發(fā)了系統(tǒng)工作狀態(tài)尋優(yōu)軟件，工作界面如圖3所示。

表1 評價算法結(jié)果Tab.1 Results of the evaluating algorithm

圖3 評價軟件界面Fig.3 Interface of the evaluating software

4 結(jié) 論

介紹了紅外場景仿真系統(tǒng)成像質(zhì)量定量測評的技術(shù)指標(biāo)，以及圖像質(zhì)量評價的方法和算法比較。

利用一種客觀評價方法，通過采用標(biāo)準(zhǔn)紅外成像設(shè)備對某一實物場景進(jìn)行探測成像，然后利用場景生成器實物場景，用紅外成像設(shè)備對其探測成像，將所成的兩幅圖像進(jìn)行相似度對比，實現(xiàn)場景仿真系統(tǒng)的定性評價，并對場景仿真系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可以快速確定仿真系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)。

［1］唐德帥，何永強(qiáng)，黃富瑜，等.基于DMD的動態(tài)紅外場景仿真技術(shù)研究［J］.紅外技術(shù)，2012，34（8）：476－481.

［2］李 卓，李 平，單 偉.紅外動態(tài)場景測試評價技術(shù)［J］.紅外與激光工程，2008，37（3）：406－410.

［3］錢麗勛，李 卓，范增明，等.紅外動態(tài)場景圖像質(zhì)量評價理論概述［J］.紅外與激光工程，2011，40（10）：1835－1840.

［4］錢麗勛，李 卓，范增明，等.一種紅外動態(tài)場景圖像評價裝置的性能測試［J］.紅外與激光工程，2012，41（9）：2311－2316.

［5］蔣剛毅，黃大江，王 旭，等.圖像質(zhì)量評價方法研究進(jìn)展［J］.電子與信息學(xué)報，2010，32（1）：219－226.

［6］謝風(fēng)英，趙丹培.Visual C＋＋數(shù)字圖像處理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.