Виртуальные испытания оптико-электронных систем ночного видения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.384+681.78.01

ВИРТУАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

Евгений Владимирович Грицкевич

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оп-тотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: gricew@mail.ru

Анна Григорьевна Беляева

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: kag_hedgehog@mail.ru

Рассматривается имитационная компьютерная модель низкоуровневых телевизионных систем визуализации изображения, позволяющая виртуально оценивать эффективность их работы.

Ключевые слова: приборы ночного видения, методика оценки эффективности, виртуальные испытания, имитационная модель.

VIRTUAL TESTING OF OPTICAL-ELECTRONIC NIGHT VISION SYSTEMS

Evgeny V. Gritskevich

Siberian State University of geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., lecturer at the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: gricew@mail.ru

Anna G. Belyaeva

Siberian State University of geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: kag_hedgehog@mail.ru

Considered the imitation computer model of low-level television systems visualization of images, allowing virtually evaluate the effectiveness of their work.

Key words: night vision devices, methods of evaluating the effectiveness of virtual testing, simulation model.

Основой современных приборов ночного видения (ПНВ) являются интегральные модули, состоящие из электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и матричного детектора, конструктивно объединенных в один корпус [1]. Экран ЭОП может быть оптически сопряжен с фоточувствительной плоскостью матрицы. Другим способом преобразования входного изображения в электрический видеосигнал является перенос электронного образа, получаемого на выходе микроканальной пластины (МКП), в плоскость электронно-чувствительной матрицы без создания промежуточного оптического изображения. Подобные модули получили название ЭОП 5-го поколения. Сами же ПНВ,

реализуемые на базе данных модулей, чаще называются низкоуровневыми телевизионными системами (НТВС).

В настоящее время отсутствует единая методика оценки эффективности НТВС. Для такой оценки используется два подхода: либо оценочные критерии традиционных ПНВ, либо система параметров, характеризующих качество обычных телевизионных систем. Это создает путаницу в терминологии и неоднозначность в оценках. Необходимо разработать единый научно-обоснованный подход к формированию системы критериев эффективности данных изделий, учитывающих особенности условий эксплуатации и физических принципов функционирования НТВС.

Такой единый подход может быть реализован на базе имитационной компьютерной модели НТВС, позволяющей проводить виртуальные испытания рассматриваемых систем. В основу модели положена структурная схема НТВС, представленная на рис. 1.

—► —►

1 —► 2 —► 3

—► —►

Рис. 1. Базовая структурная схема НТВС:

1 - фотоприемный модуль ЭОП 5-го поколения с матричным детектором;

2 - процессор обработки изображения; 3- микродисплей

Модель формируется по блочному принципу, где каждый блок представляет собой отдельный программный модуль, имитирующий работу конкретного функционального звена оптико-электронного тракта. Структурная схема модели показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема имитационной компьютерной модели НТВС:

1 - блок объектно-фоновой ситуации; 2 - блок входной оптики (объектив);

3- блок ЭОП 5-го поколения; 4 - процессор обработки изображений;

5 - блок отображения информации; 6 - зрительный анализатор

Моделирование процессов прохождения сигналов через звено должно учитывать вносимые этим звеном искажения сигналов и возможное изменение физической природы сигнала (оптическое излучение - электрический аналоговый видеосигнал - цифровой код). Модель отдельного звена реализует в программном коде обобщенную передаточную функцию этого звена, учитывающую мо-

дуляцию полезного сигнала (объект-фон), наличие темнового сигнала, шумовые флуктуации и частотные преобразования. Базовой вычислительной процедурой, реализуемой интегральной моделью, является процедура сквозного анализа, имитирующего прохождение сигналов с входа на выход прибора, то есть от модуля «объектно-фоновая ситуация» до модуля «зрительный анализатор».

Первый программный модуль «объектно-фоновая ситуация» предназначен для генерации набора параметров и характеристик входных сигналов, преобразуемых последующими модулями. Последний модуль «зрительный анализатор» должен рассчитывать критерий различения глазом наблюдателя изображения интересующего объекта с заданной степенью дешифрации последнего (например, обнаружения, опознавания или идентификации).

Поскольку процесс зрительного восприятия носит случайный характер, то объективным критерием решения задачи наблюдения является вероятность обнаружения глазом наблюдателя тех деталей в изображении, размер которых определяет требуемую степень дешифрации. Для расчета значения этой вероятности предлагается использовать методику, полученную путем преобразования аналитических выражений, приведенных в работе [2].

В этой работе изложен метод вычисления логарифмического порогового контраста яркостей изображений объекта и фона на экране телевизионного дисплея. Такой контраст определяется как

5

£ =£оП/(. (D

пор I

/'=1

где ¿> 0 - величина логарифмической контрастной чувствительности глаза для

нормализованных условий наблюдения (вероятность обнаружения - 50%, равенство яркостей фона и поля адаптации глаза, отсутствие шумов, большие угловые размеры изображения объекта, неограниченное время наблюдения); f -

функции, учитывающие ухудшение нормализованных условий. Эти функции являются аппроксимациями экспериментальных данных, приведенных в работах [3-6].

Функция f = f{(x(]) выражает зависимость порогового контраста от величины углового размера изображения объекта Очевидно, что под объектом в данном случае нужно понимать ту его деталь, при разрешении которой глазом на экране, наблюдательная задача считается выполненной на требуемом

уровне дешифрации. Функция f = f(Lajьф) читывает разницу между яркостями поля адаптации глаза Ьа и фона на экране дисплея ьф. Функция / = /{(jlu) учитывает наличие шумов, имеющих эффективное значение(уш, эквивалентное логарифму яркости. Функция f = /'(/) ыражает зависимость

J 4

порогового контраста от времени предъявления сигналам. Наконец, функция у\ = /(/') учитывает зависимость порогового контраста от вероятности его

обнаружения глазом:

(2)

где % - относительное отклонение случайной нормальной величины, то есть

где ^ - интегральная функция нормального закона распределения.

Использование функции вида (2) в выражении (1) дает возможность рассчитать требуемую вероятность. Зная получаемую на экране дисплея величину логарифмического контраста 8 и считая ее пороговой (на предельной дальности), можно записать

Р = ¥

ЛП/,

г=1

(3)

Значение 8 определяется в виде

8 = Щ\ + СД)

(4)

'д ^д

где Сд = ]% /]ф - контраст изображения на экране дисплея между яр-

<Д

костями объекта ]_°д и фона ]Ф

Д-

Если пороговый контраст глаза Спор для нормализованных (идеальных)

условий наблюдения принять равным 0,02, то

Зная конкретные значения величины ¿> и функций f для заданной объектно-фоновой ситуации, можно рассчитать вероятность решения наблюдательной задачи. Это, в свою очередь, дает возможность определить итерационным методом длину трассы наблюдения, при которой обеспечивается решение наблюдательной задачи с требуемой вероятностью Ррнз (дальность действия прибора) [7].

4

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дегтярев, Е.В. Приборы ночного видения: перспективы развития компонентной базы / Е. В. Дегтярев, А. С. Хохорин. // - Электроника: наука, технология, бизнес. - 2005. -№8. - С. 34-35.

2. Ефимов, А.С. Контрастная чувствительность зрения при наблюдении ТВ изображения // - Техника кино и телевидения. - 1977. - №2. - С. 45 - 48.

3. Blackwell, H.R. Contrast thresholds of the humen eye // JOSA.-1946.-Vol.36.-№10.-P.624-632.

4. Siedentopf, H. Kontrastschwell und Sehescharfe // Das Licht.-1941. - №1.-P.35-41.

5. Глезер, В. Д. Информация и зрение / В. Д. Глезер, И. И. Цуккерман. - М.: АН СССР, 1961. - 183 с.

6. Луизов, А. В. Инерция зрения - М.: Оборонгиз, 1961. - 248 с.

7. Грицкевич Е. В. Итерационный метод определения дальности действия оптико-электронного прибора наблюдения // Известия вузов. Сер. Приборостроение. - 1988. - № 12. -С. 53-57.

© Е. В. Грицкевич, А. Г. Беляева, 2015