外場微光像增強器成像效果對比評測方法與系統

韓正昊，褚祝軍，劉 璇，金偉其，王 霞，李 力，裘 溯

外場微光像增強器成像效果對比評測方法與系統

韓正昊1，褚祝軍2，劉 璇1，金偉其1，王 霞1，李 力1，裘 溯1

（1. 北京理工大學 光電學院 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081；2. 北方夜視技術股份有限公司，云南 昆明 650217）

以像增強器為核心成像器件的微光夜視技術一直是國內外重點發展的關鍵技術，廣泛應用于軍用夜視領域。直接對比分析不同型號像增強器輸出圖像特性的評測方法是評價像增強器成像性能最為直觀的重要維度，但由于像增強器為直視型成像器件，帶來野外實驗光路搭建、多路視頻同步錄制、不同外型尺寸像增強器適配性等多方面的挑戰。因此，本文研究了外場微光像增強器成像效果對比評測方法，研制了包含雙像增強器成像光路、低照度CMOS成像光路與激光測距機的光軸平行對比評測系統，可實現同時觀察和多路像相機的成像數字視頻的采集；系統可便捷地適配安裝多種不同外型尺寸、不同供電方式的典型像增強器，同時包含激光測距功能，可測量觀察目標的距離；在上位機軟件中集成多個無參考圖像質量評價指標，可通過數字圖像處理技術輔助觀察者判斷不同型號像增強器成像效果的優劣。實際外場測試實驗表明測評系統方便可行，能夠反映不同成像光路的成像效果，可反饋指導像增強器生產制造工藝的進一步優化，促進微光夜視技術的發展。

像增強器；外場實驗；效果對比；圖像質量評價；系統集成

0 引言

以像增強器為核心的微光夜視技術一直是國際先進的軍用夜視技術手段，其相比于互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor, CMOS）和電荷耦合器件（charge-coupled device, CCD）成像探測器具有更好的低照度成像性能，可解決低至10－4lx的低照度夜間成像。目前，大多數研究主要通過測量與對比像增強器的某項客觀技術指標作為入手點評價像增強器成像效果的優劣，如像增強器的積分靈敏度[1]、信噪比[2]、亮度增益[3]、等效背景照度[4]、空間分辨力[5]、極限分辨力[6]、調制傳遞函數[7]等，此類評價方法往往不夠直觀，且僅能評價像增強器成像的某一方面特性，無法全面地描述像增強器的成像性能。

像增強器成像效果的主觀評價則是評測像增強器成像質量的另一重要維度，但由于像增強器是一種直視型光學成像器件，觀察者一般通過直接觀察其熒光屏來實現對場景的觀察。目前在評價不同型號的像增強器的成像效果時，要求在相同的觀測條件下，通常采用兩種方法：

①組織若干觀察者直接觀察不同型號的像增強器熒光屏，并主觀判斷各型號像增強器成像效果的優劣。但方法的缺點為：要求觀察者具備豐富的背景知識與觀察經驗，同時評價結果具有主觀性，且由于無法錄制成像效果數字視頻，評價結果不可復現。

②使用多部手機/攝像機等成像設備，以手持或架設光路的方式拍攝不同型號像增強器的熒光屏，錄制數字視頻，再組織若干觀察者觀察錄制的視頻。但方法的缺點為：若手持設備錄制視頻，拍攝會由于人手的抖動，影響觀察者對成像質量的判斷；若架設光路錄制視頻，需要攜帶大量額外器材進行系統搭設，且很難保證不同型號像增強器的光路平行與不同成像錄制設備的時間同步；當需要更換另一型號的像增強器進行觀察時，由于外型尺寸不同，還需要重新搭設光路，浪費大量的時間與人力物力。

同時，兩種方法在進行野外實驗時，往往都需攜帶額外的電源為所有設備供電，且無法精確測量觀察目標與像增強器的距離。

本文提出了像增強器成像效果對比評測系統，可適配安裝多種不同外型尺寸的像增強器，同時錄制兩路像增強器成像效果視頻以達到對比的目的，還可便捷地在外場實驗環境下對像增強器進行安裝與拆卸，并通過數字圖像處理技術輔助觀察者判斷圖像效果優劣，從而可有效推進大規模像增強器成像效果對比實驗的進行。

1 微光成像對比評測系統設計

1.1 系統組成概述

如圖1所示，本文提出的微光像增強器成像效果對比評測系統主要由像增強器成像組件模塊、微單相機、激光測距模塊、低照度CMOS成像組件模塊、圖像采集模塊、電源模塊及上位機組成。對于外場微光成像實驗，來自夜天光光源的輻射能量經場景反射分別被兩組像增強器成像組件模塊及低照度CMOS成像組件模塊的物鏡接收，分別聚焦在兩組像增強器的光陰極及低照度CMOS的成像傳感器上，低照度CMOS通過圖像采集模塊直接將數字圖像傳輸至上位機；像增強器則經過高增益電子倍增轟擊熒光屏發光；熒光屏的單色強度圖像經中繼透鏡聚焦在單反相機的成像傳感器上，轉化為場景的數字圖像輸出；在上位機同步控制下，兩組像增強器成像組件模塊與低照度CMOS成像組件模塊的數字圖像在上位機實時顯示，通過控制上位機軟件，還可對圖像感興趣區域進行放大，并實時展示數字圖像評價指標輔助觀察者判斷圖像質量，并可按需采集各成像組件模塊的數字視頻。

1.2 系統關鍵組件

1）像增強器組件模塊

如圖2(a)所示，像增強器組件模塊由3部分構成：像增強器外殼1，像增強器外殼2與像增強器。其中，像增強器外殼1采用金屬材料，保證與系統的連接強度；像增強器外殼2采用韌性塑料，降低模塊重量。同時，像增強器外殼1中內置定位銷，將像增強器放入像增強器外殼1中時，可保證二者不會發生相對旋轉；像增強器外殼2與像增強器外殼1通過同時穿過二者的頂絲連接。物鏡通過像增強器外殼1上的螺紋與像增強器組件模塊連接；像增強器外殼1與系統通過手擰螺絲連接。

圖1 像增強器成像效果對比評測系統原理示意

Fig.1 Diagram of proposed image quality comparison system of image intensifiers

如圖2(b)所示，像增強器組件模塊根據不同外形尺寸的像增強器設計3種不同內徑及長度的外殼，而不同外殼的外徑尺寸及與系統的連接方式相同，通過更換不同的像增強器外殼，可以將不同尺寸的像增強器便捷的安裝至系統內，且不同尺寸像增強器的光陰極面位置相同。像增強器組件模塊可適配16、18與25三種規格的典型像增強器，同時通過在像增強器外殼2上配置觸片電極與引線電極，適配不同供電方式的像增強器。

圖2 像增強器成像組件模塊

2）激光測距模塊

激光測距模塊采用江蘇曙光光電有限公司的905nm激光測距機（如圖3所示），體積小，重量輕。其測量量程為5～1500m，測距精度為2m，測距重復頻率為30次/min，采用RS232協議與上位機通信，可達到較佳測距效果。

3）低照度CMOS成像組件模塊

低照度CMOS成像組件模塊采用昆山瑞芯微電子公司的P2101-1英寸低照度CMOS（如圖4(a)），分辨率1280×1024，像素尺寸9.7mm×9.7mm，幀率50Hz，峰值量子效率可達72%，采用CameraLink數據傳輸接口。采用Ploera公司的iPort CL-U3數據采集模塊（如圖4(b)），將低照度CMOS相機圖像數據通過USB3.0協議傳輸至上位機。

圖3 激光測距模塊實物

圖4 低照度CMOS成像組件及圖像采集模塊

4）單反相機模塊

單反相機模塊用于拍攝像增強器成像組件模塊的熒光屏，采用Canon EOS 1300D單反相機，通過其上的mini USB接口與上位機連接，將拍攝到的圖像和視頻傳輸至上位機中。單反相機物鏡（中繼透鏡）采用Canon EF-S 35mm F/2.8 IS STM微距鏡頭。

5）電源模塊

電源模塊采用集成化的可充電鋰電池供電。設計的集成化可充電鋰電池模塊具有多相電壓輸出，包括兩路像增強器供電電壓（3V），一路激光測距機供電電壓（5V），一路低照度CMOS相機供電電壓（5V），兩路單反相機供電電壓（7.4V）。電源組件總容量10AH，可供裝置連續工作5h。

1.3 系統集成

基于系統物鏡、像增強器成像模塊、微單相機、激光測距模塊、低照度CMOS成像模塊、圖像采集模塊和電源模塊，搭建完成的像增強器成像效果對比評測系統如圖5(b)所示，系統內部構成如圖5(a)所示。系統通過兩路USB2.0連接線、一路USB3.0連接線及一路串口轉USB連接線與上位機連接，實現對單反相機、低照度CMOS成像模塊及激光測距機的數據采集與控制。

1.4 系統上位機界面

系統上位機界面如圖6所示，界面基于Open Framework v0.11.0[8]開發，通過Canon相機EDSDK[9]實現對兩路單反相機的控制及數據采集，通過eBus SDK[10]實現對低照度CMOS圖像采集模塊的控制與數據采集。

在系統上位機界面上可實時同步顯示兩路像增強器和一路低照度CMOS成像效果，低照度CMOS成像畫面可以輔助觀察實驗場景，可根據需求選擇是否顯示低照度CMOS畫面，若只需要比較兩路像增強器的成像效果，便可不使用低照度CMOS。同時可保存各路成像器件的成像效果數字視頻，并控制激光測距機測量系統到目標的距離。該界面可適應正像、倒像成像的像增強器；同時，在界面上可人工選取感興趣區域進行實時放大顯示在界面右下角區域，并實時計算選取區域內的各項無參考數字圖像質量評價指標輔助觀察者判斷圖像優劣。

2 微光成像效果對比評測方法

本文的微光成像器件成像效果對比評測方法可利用微光成像器件組件模塊與低照度CMOS/CCD成像組件模塊的圖像或數字視頻，通過上位機計算各路設備圖像的局域統計信息，包括：圖像灰度最小值、圖像灰度最大值、圖像灰度均值、圖像標準差、圖像Brenner梯度、圖像Tenen梯度和圖像熵。并將計算出的圖像局域統計信息顯示在上位機界面上，輔助觀察者判斷各路成像設備的成像效果。若各路成像設備采集的圖像為灰度圖像，則直接進行局域統計信息計算；若各路成像設備采集的圖像為彩色圖像，則首先將彩色圖像轉換為灰度圖像，即：

式中：Igray為轉換后的灰度圖像；IRGB為各路成像設備采集的彩色圖像；RGB2Gray()為將彩色圖像轉換為灰度圖像的函數。

圖6 上位機軟件界面（右下部分為上部分像增強其成像效果的局部放大及統計信息）

圖像灰度最小值的計算方法為：

式中：min為計算的頭像灰度最小值；min()為統計圖像最小值的函數。

圖像灰度最大值的計算方法為：

式中：max為計算的圖像灰度最大值；max()為統計圖像最大值的函數。

圖像最小值主要用于比較分析不同型號像增強器對于暗場景或場景中暗區域的適應能力，如圖7(a)(b)中的紅色矩形區域，像增強器1由于可呈現更多的暗區細節因而成像效果優于像增強器2，由表1可知，像增強器1在紅色矩形區域的圖像最小值更高。圖像最大值主要用于分析比較不同型號像增強器對于明亮場景的適應能力，如包含光源的場景等，如圖7(a)(b)中的黑色矩形區域，像增強器2由于可保留更多的亮區細節因而成像效果優于像增強器1，由表1可知，像增強器2在黑色矩形區域的圖像最大值更低。

圖像灰度均值的計算方法為：

式中：mean為圖像灰度均值；,分別為圖像的行、列坐標索引；、分別為圖像局域的行、列數。圖像均值主要用于評價不同型號像增強器對于場景區域的平均亮度，可用于任意場景分析像增強器的增益水平，圖像均值越大，代表像增強器的增益水平越高。圖像標準差的計算方法為：

式中：std為圖像標準差，主要用于評價不同型號像增強器對于圖像平坦區域的噪聲水平或圖像細節區域的信息豐富程度。對于圖像的平坦區域，圖像標準差越大，代表噪聲水平越高；對于圖像細節區域，圖像標準差越大，代表信息越豐富。

圖7 像增強器暗區評價與亮區評價

表1 像增強器細節區域評價指標

圖像Brenner梯度的計算方法為：

式中：Brenner為計算的圖像Brenner梯度。圖像Brenner梯度用于評價不同型號像增強器圖像區域細節豐富程度。Brenner梯度越大，代表場景細節越豐富。

圖像Tenen梯度的計算方法為：

式中：Tenen為計算的圖像Tenen梯度；*為卷積運算；為閾值。Tenen梯度與Brenner梯度相似，也反映圖像局域的細節豐富程度，其值越大代表細節越豐富。

圖像熵的計算方法為：

式中：entropy為圖像熵；p為圖像中灰度值為的像素出現的概率；為灰度級總數。圖像熵代表圖像局域的信息豐富程度，其值越大代表選定圖像區域的信息越豐富。

如圖8(a)(b)所示，在圖像黑色矩形區域，像增強器2較像增強器1具有更豐富的局部紋理與更清晰的邊緣細節因而具有更好的成像效果。采用圖像標準差、Brenner梯度、Tenen梯度和圖像熵等指標可反映該結果從而輔助觀察者判斷圖像質量。由表1可知，像增強器2在黑色矩形區域具有更高的圖像標準差、Brenner梯度、Tenen梯度與圖像熵。

圖8 像增強器細節區域評價

3 結論

外場微光夜視系統性能測評儀可以有效地進行不同型號像增強器成像性能對比評測，實現不同微光夜視系統外場效果的主觀評價。本文研究了外場微光像增強器成像效果對比評測方法，研制了包含雙像增強器成像光路、低照度CMOS成像光路與激光測距機的外場成像效果對比評測系統，其中激光測距功能能夠即時獲取目標距離；系統不僅可直接比較不同型號的標準像增強器間成像效果，而且也可進行像增強器通道與低照度CMOS成像通道的比較；便攜式設計便于野外實驗操作和多路數字視頻圖像的記錄。同時在上位機軟件中集成多個無參考圖像質量評價指標，可通過數字圖像處理技術輔助觀察者判斷不同型號像增強器成像效果的優劣。外場實驗驗證了測評系統方便可行，能夠反映不同成像光路的成像效果。

隨著各類微光夜視技術的發展，相同/不同模式的微光夜視技術比測需求明顯增加，本文的研究可有效促進此類對比實驗的普及，進而反饋指導像增強器生產制造工藝優化，促進微光夜視成像技術的發展。此外，在相關測試實驗數據的積累基礎上，進一步發展和完善對比評測的客觀評價方法也是一個重要的任務。

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Comparison and Evaluation Method and System of Imaging Effect of Field-Low-Light-Level Image Intensifiers

HAN Zhenghao1，CHU Zhujun2，LIU Xuan1，JIN Weiqi1，WANG Xia1，LI Li1，QIU Su1

(1.,,100081,;2.,650217,)

Image intensifiers, which are core imaging devices for low-light-level night-vision techniques, are used worldwide as advanced military night-vision devices. A method of directly comparing and analyzing the final output image characteristics of different image intensifiers is the most intuitive routine for assessing the image quality of image intensifiers. However, because image intensifiers are direct-view imaging devices, they face many challenges, such as field experimental set-up, synchronous image capturing, and adaption of image intensifiers with different types. Therefore, an image quality assessment method and image quality comparison system for image intensifiers were proposed. Dual-channel image intensifiers, a low-light-level CMOS and a laser rangefinder were integrated into the system; the main optical axis of each device was parallel. The images of the image intensifiers and CMOS were synchronously observed and captured. The system is compatible with different types of image intensifiers and power supply modes. The distance between the target and the system was also measured. Moreover, several no-reference image-quality-assessment metrics were integrated into the software to assist the observer in assessing the image quality of different image intensifiers. The actual field test results show that the proposed system is convenient and practical for comparing the quality of different imaging devices, and can facilitate optimization of the manufacture of image intensifiers, thereby promoting the development of low-light-level night-vision technology.

image intensifier, experiment set-up in the field, imaging effect comparison, image quality assessment, system integration

TN144

A

1001-8891(2022)08-0811-07

2022-05-31；

2022-06-09.

韓正昊（1992-），男，博士研究生，主要研究方向為彩色微光夜視技術、數字圖像處理。E-mail: 285103858@qq.com。

金偉其（1961-），男，教授/博導，主要研究方向為夜視與紅外技術、光電圖像處理、光電檢測與儀器，E-mail：jinwq@bit. edu. cn。