CC BY
331
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫМИ ПРИБОРАМИ
Игорь Владимирович Касаткин
Открытое акционерное общество «Центральное конструкторское бюро точного приборостроения», 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 179/2, инженер, тел. (383)225-96-48, e-mail: papahano@mail.ru
Уровень вычислительных мощностей и программного обеспечения современных компьютеров дает принципиальную возможность дополнять результаты расчета дальности действия проектируемых тепловизионных приборов моделями изображений, идентичными по своим параметрам, реальным тепловизионным изображениям. Это открывает новые области применения подобных моделей. Например, при отработке алгоритмов автоматического обнаружения и распознавания целей или при обучении и аттестации потенциальных наблюдателей.
В докладе рассматривается возможный алгоритм компьютерного моделирования изображений, формируемых тепловизионными приборами, и предложена его реализация в программной среде MatLab.
Ключевые слова: тепловизионный прибор, двумерный силуэт.
COMPUTER SIMULATION OF THERMAL IMAGING DEVICES IMAGES
Igor V. Kasatkin
Open joint-stock company «The Central Design Office of precision instruments», 179/2 Dusi Kovalchuk, Novosibirsk 630049, engineer, tel. (383)225-96-48, e-mail: papahano@mail.ru
At present the level of computing capacities and software of modern computers gives an opportunity to supplement the range calculation results of thermal image devices with image models, identical to real thermal images. This opens new fields for application of such models, when developing algorithms of an automatic target detection and recognition or when potential observers’ training and confirming their qualification.
In this article the possible algorithm of a computer simulation of thermal imaging devices images is described. Its implementation in the software environment MatLab is proposed.
Key words: thermal imaging devices, two-dimensional silhouette.
Предметом рассмотрения будет процесс моделирования (синтезирование) тепловизионных изображений, формируемых тепловизионными приборами.
Моделирование целесообразно проводить имитацией последовательного воздействия на исходное изображение всех функциональных блоков моделируемого прибора, с учетом характеристик цели и влияния атмосферы. Разработанная программа включает в себя следующий алгоритм:
- Создание исходного изображения в виде двумерного силуэта цели;
- Удаление цели на заданную дальность;
- Деформация изображения двумерного силуэта в приемном объективе;
- Формирование энергетического окраса двумерного силуэта цели;
- Дискретизация силуэта цели на фоточувствительной матрице прибора;
- Формирование шумовой картины прибора;
- Моделирование системы автоматической регулировки контраста и яркости изображения прибора;
- Вывод синтезированного изображения на экран компьютера.
В качестве программной среды разработки выбрана система Ма1ЬаЬ.
Создание исходного изображения в виде двумерного силуэта цели на подстилающем фоне
Тепловизионное изображения в полной мере представляется палитрой определенного числа градаций серого.
Исходные изображения цели и фона формируются в виде матрицы чисел, где в каждой ячейке содержится значение яркости соответствующего пикселя.
В программе реализовано моделирование двумерных силуэтов целей типа «мира» (далее - мира) и «бортовая проекция танка» (далее - БПТ).
Цели формируются на кадре рядом друг с другом и имеют одинаковый вертикальный размер. Одновременное наблюдение обоих типов целей позволяет как субъективно оценивать силуэт танка с последующей попыткой его обнаружения, распознавания или идентификации, так и проводить более точную оценку разрешения моделируемого прибора по количеству разрешаемых штрихов миры, что по критерию Джонсона эквивалентно решению тех же самых задач с некоторой вероятностью.
Вид исходного изображения представлен на рис. 1.
Рис. 1. Исходное изображение
На данном этапе разработки программы, разрешение исходного изображения ограничивается разрешением фотографии реального танка и составляет 906x456 пикселей. Разрешение миры - 144x144 пикселя.
Удаление цели на заданную дальность
Суть операции заключается в приведении размеров изображения целевых и фоновых объектов в соответствие с линейными размерами поля зрения прибора и дальности до объекта. Примеры удаления на заданную дальность показаны на рис. 2.
удаление на 200 м удаление на 500 м
Рис. 2. Удаление цели на заданную дальность
Деформация изображения двумерного силуэта в приемном объективе
На данном этапе исходное изображение подвергается обработке с целью учета функции рассеяния точки (далее - ФРТ) объектива моделируемого прибора. Деформация проводится методом двумерной свертки матрицы исходного изображения с матрицей двумерной ФРТ.
ФРТ задается в виде гауссова распределения вида
ФРТ(х,у) = ехр^-у^фкУб) 2],
где х, у - пространственные координаты;
Dkr - диаметр кружка рассеяния объектива моделируемого прибора.
Для обеспечения постоянной точности моделирования, формат матрицы, описывающей ФРТ, изменяется относительно линейных размеров Dkr.
Адаптивное изменение масштаба матрицы ФРТ приводит к тому, что линейные размеры каждого пикселя изображения, описываемого этой матрицей, остаются постоянными вне зависимости от величины Dkr.
При расчете коэффициента масштабирования исходного изображения учитываются:
- Линейный размер матрицы фоточувствительных элементов моделируемого прибора;
- Фокусное расстояние объектива;
- Удаление цели на заданную дальность.
Примеры деформации силуэта цели представлены на рис. 3.
Dkr = 25 мкм Dkr = 50 мкм
удаление цели на 2000 м
Dkr = 25 мкм Dkr = 50 мкм
удаление цели на 4000 м Рис. 3. Деформация двумерного силуэта цели на исходном изображении
Формирование энергетического окраса двумерного силуэта цели
Энергетический окрас двумерного силуэта цели осуществляется присвоением соответствующей яркости каждому пикселю, входящему в его состав. Аналогично осуществляется окрас элементов фона.
Значение яркости каждого пикселя рассчитывается относительно более чем 20 вводных параметров, включающих в себя параметры цели, фона, приемного объектива, фотоприемного устройства и атмосферной трассы, в которой распространяется излучение. В настоящее время в качестве модели атмосферы используется модель из [1].
Эквивалентные яркости присваиваются соответствующим пикселям изображения после сравнения энергетических потоков от объектов фоноцелевой обстановки и пороговой мощности срабатывания фотоприемного устройства.
На рисунке 4 представлены модели изображения двумерных силуэтов цели при различном температурном контрасте.
АТ = 5 К АТ = 25 К
Рис. 4. Изображения двумерных силуэтов цели при различных контрастах
Дискретизация силуэта цели на фоточувствительной матрице прибора
Фотоприемные устройства тепловизионных приборов имеют дискретную структуру и состоят из малого количества фоточувствительных элементов. При анализе изображения, получаемого с такой матрицы, становится очевидна его "ступенчатость".
В процессе дискретизации силуэта цели исходное изображение разбивается на определенное количество зон, содержащих МХМ элементов исходного изображения. Число зон равно количеству элементов применяемого фотоприемного устройства. Внутри каждой зоны производится расчет средней яркости входящих в их состав пикселей исходного изображения.
На рис. 5 представлен фрагмент смоделированного изображения целей, удаленных от прибора на дальность 1000 м при четырехкратном электронном увеличении прибора.
Рис. 5. Цель на дальности 1 000 м
Формирование шумовой картины прибора
В процессе разработки программы моделирования, и особенно на ее первых этапах, целесообразно введение одного общего модуля нанесения шумовых составляющих на исходное изображение. Как показывает практика [2], основную составляющую шумов можно представить белым гауссовым шумом фотоприемного устройства. Другие источники шума пренебрежимо малы.
Программную реализацию в этом случае, можно проводить графической обработкой исходного изображения. В частности, программный модуль Matlab Image Processing Toolbox [3] содержит функцию imnoise, которая позволяет создавать новое изображение путем добавления шума к исходному изображению. Функция может добавлять, в том числе и белый гауссов шум.
Моделирование системы автоматической регулировки контраста и яркости изображения прибора
На заключительном этапе моделирования проводится учет различных алгоритмов обработки сигнала, реализуемых в моделируемом приборе.
На данный момент в состав программы входит модуль автоматической регулировки контраста и яркости изображения.
Так как обработка проходит уже после нанесения на изображение шумовой составляющей, регулировка проводится и для шумовых выбросов. В результате, на итоговом изображении при недостаточной чувствительности прибора яркость изображения выставляется, фактически, по шумовым выбросам.
Примеры изображений с включенным модулем автоматической регулировки контраста и яркости представлены на рис. 6.
АТ = 5 К АТ = 2 К АТ = 1 К
Рис. 6. Примеры изображений с включенным модулем автоматической
регулировки контраста и яркости
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алеев Р.М., Иванов В.П., Овсянников В.А. Влияние атмосферы на эффективность аппаратуры / Р.М. Алев, В.П. Иванов, В.А. Овсянников // Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. - Казань. - 2000. - С. 96-104.
2. Иванов, В.П., Курт, В.И., Овсянников, В.А., Филиппов, В.Л. Компьютерное имитационное моделирование тепловизионных изображений / В.П. Иванов, В.И. Курт, В.А. Овсянников, В.Л Филиппов // Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань. - 2006. - С. 426-444.
3. Рудаков, П.И., Сафонов, В.И. Пакет прикладных программ Image Processing Toolbox / П.И Рудаков, В.И. Сафонов // Обработка сигналов и изображений. - Москва. -2000. - С. 252-408.
© И.В. Касаткин, 2012
