2016, Vol. 38
Issue (4): 313-319
微光夜视系统借助于光电成像器件可在低照度条件下观察景物。微光夜视装备具有体积小、造价低[1]、成像细节清晰、图像自然等优点, 在军事领域得到广泛应用。目前所装备的微光夜视器材产生的都是单色图像, 单色图像具有信噪比低、立体感差等缺点, 在军事应用中易受到伪装迷惑。为了提高夜视图像对比度, 使人眼能够更快速地识别目标, 利用人眼对彩色更为敏感的视觉特性[2], 可以通过假彩色编码以及将不同波段的成像进行融合得到彩色夜视图像[3]。假彩色编码得到的彩色夜视图像与人眼长期感观不一致, 不利于人眼的长时间观察。不同波段成像融合的主要研究方向有微光与红外图像融合[4]、多波段图像融合[5]等。微光与红外图像融合以及多波段图像融合是将像增强器与红外探测器的成像进行融合得到彩色图像, 这种方法能够提高图像对比度, 但双通道方式存在着配准困难、系统体积大等不利因素。为了克服假彩色编码以及双通道彩色夜视存在的问题, 得到色彩更为接近自然感的彩色夜视图像, 本文提出一种三波段单通道彩色夜视技术, 通过计算分谱对微光夜视系统的影响, 研究优化分谱滤光片的特性参数。
1 三波段彩色夜视技术方案根据微光夜视仪成像原理, 利用增强型像增强器对微弱图像信息进行能量增强。依据RGB彩色模型, 对任意彩色光都可以由三基色R、G、B合成。如图 1所示, 为了得到彩色图像, 首先需要利用分谱滤光片, 将微弱彩色图像分解成R、G、B三个基色图像, 再经过增强型像增强器对图像进行能量增强, 由像增强器序列输出增强的R、G、B三基色图像, 利用图像采集系统对图像进行采集, 然后送到图像处理系统(DSP或计算机)进行软件的真彩合成, 最后在显示系统上得到增强的彩色夜视图像。
|
图 1 三波段真彩色夜视系统原理 Figure 1 Theory of triple-spectrum Color night vision system |
微光夜视仪器作为观察仪器, 视距(指最远观察距离)是其重要指标之一。相比单色微光夜视仪器, 三波段彩色夜视技术是将原本不加区分的夜天光光谱分解成三基色, 而夜天光本身比较微弱, 将导致基色图像的光强度更加微弱, 从而降低视距。彩色夜视图像是由三基色图像融合而成, 若目标某一基色图像不能被正常识别, 将导致融合图像色彩严重失真, 融合图像效果将不能够体现, 因此彩色夜视融合图像的视距受制于视距最短的基色图像。文献[6]研究了滤光片引入后的像增强器信噪比变化, 本文是研究滤光片引入前后对视距的影响, 基于此对分谱滤光片的特性进行优化以提高彩色夜视成像质量。
2 视距分析及分谱优化方法 2.1 视距分析在距离d处有高度为H的物体, 则它对夜视仪物镜的张角为H/d, 成像于像增强器光电阴极面上的高度为
|
(1) |
式中f′o为物镜焦距。
令像增强器光电阴极极限分辨率为Nc(lp·mm-1), 则H′所占线对数为
|
(2) |
得到d的表达式为
|
(3) |
若令n为某一观察等级所要求的线对, 则式(3)中d就是与该观察等级对应的极限距离。
由式(3)可知, 为确定微光成像系统在某一观察等级对应的极限距离, 则物镜焦距f′o、物体高度H以及该观察等级需要的线对数n为常量。可见微光成像系统的视距取决于像增强器性能, 即光电阴极极限分辨率Nc, Nc越大视距越大, 反之则视距越小。
常见目标都为朗伯体, 其发光亮度与方向角无关, 在各个方向上亮度相同。如天空产生的照度为Eo, 目标和背景的反射比分别为ρa、ρb, 微光夜视仪器的作用距离一般在1 km左右, 忽略大气影响, 物镜的透过率近似为1, 则像增强器光电阴极面上的照度Ec的表达式为[7]
|
(4) |
式中Do为物镜直径。
像增强器输入窗照度Ec与光电阴极极限分辨率Nc又存在关系[8]
|
(5) |
式中:φmin为阈值信噪比, 是取决于目标特性和视觉特性的常数; e为电子电量; Fφ为像增强器噪声功率因子; S为光电阴极的积分灵敏度; t为积分时间; co为目标的对比度, 且
|
(6) |
由式(4)、(5)可得
|
(7) |
由目标的发射光在阴极上产生的电流值I=SρaEo, 式(7)可变为
|
(8) |
将式(8)代入式(3)即可得到视距d的估算值。
令引入滤光片前后的视距分别为d1、d2, 引入滤光片后不改变系统物镜焦距f′o、目标高度H、某一观察等级所要求的线对n, 则视距比值为
|
(9) |
由式(9)可以看出, 引入滤光片后视距的改变量取决于像增强器阴极极限分辨率Nc的改变量。引入滤光片之后相当于改变了入射光的光谱范围, 改变了光电阴极上产生的电流值I, 消除了与波长无关的参量。将式(8)代入式(9)得
|
(10) |
在军事应用中, 常在夜天光环境中以暗绿色漆和绿色草木为目标和背景, 其夜晚光谱反射特性以及光电阴极对其产生的光电流分别如图 2、图 3[9]所示。暗绿色漆在蓝光波段的反射率以及产生的光电流都较小, 基色图像视距最短, 因此考虑蓝光波段。假设对于透过波段为蓝光波段(430~470 nm)的滤光片, 其透过率为100%, 根据式(6)可计算得到co2/co1的比值约为0.5, 从光电阴极测得
|
图 2 典型背景和目标的夜晚光谱反射特性 Figure 2 Spectrum reflective characteristics of typical target and background |
|
图 3 光电阴极对绿色草木和暗绿色漆的光电流的比较 Figure 3 Photocurrent of green plant compares to sap green lacquer on the photoelectric cathode |
根据以上理论分析, 为提高三波段彩色夜视系统的成像质量及观察距离, 提出三个改进方法:
(1) 滤光片在要求透过波段的透过率大于80%;
(2) 拓宽蓝色和绿色滤光片的透过带宽;
(3) 增加一组白光图像融合, 即不引入任何滤光片的全波图像。
改进方法(1)是与基于液晶光阀的彩色夜视技术[10-11]作比较, 文献[9-10]所用液晶光阀在相应波段的透过率分别约为60%和50%, 造成在需求波段的光能损失较大; 改进方法(2)是基于色度学原理, 根据色度学原理, 绿、蓝色光对应的光谱分别为500~530 nm和430~470 nm, 对于三波段彩色夜视技术其对应带宽过于狭窄, 红色对应的光谱为620~770 nm, 光电阴极对红光波段敏感而人眼视见函数在此波段较低, 为使还原的色彩更接近真实感, 红光滤光片透过波段适当向蓝光波段移动, 因而需要将蓝绿滤光片透过波段拓宽以增大光能; 改进方法(3)是考虑到滤光片的引入即会造成信息损失, 降低系统视距和图像成像质量, 而且还不能够通过后续的图像处理补偿, 因此增加一组全波图像以提高系统视距以及图像信息量等。
根据以上分析和改进方法, 制作了三片滤光片, 并测量三片滤光片B、G和R的光谱透过率, 如图 4所示B、G、R对应的透过波段范围分别为380～480 nm短波, 510～565 nm中波和590～650 nm长波。制备的蓝色、绿色滤光片透过波段较宽, 有利于增大光电阴极产生的电流值。滤光片在要求透过波段的平均透过率约为90%, 在非透过波段的透过率小于5%, 透过波段的透过率曲线在分割点附近的斜率为5左右, 能够更好地反映目标在该波段的发光强度, 使彩色融合图像的色彩更接近自然感。因此, 制作的滤光片满足改进方法(1)和改进方法(2)。
|
图 4 滤光片的光谱透过率 Figure 4 Spectrum characteristics of filters |
对制作的三片滤光片进行了相关彩色夜视实验, 针对不同典型场景采集了如图 5所示的多幅图像, 其中图 5(a)、(b)分别对应的是人造建筑和绿色草木。光源来自于大气辉光、星光等杂闪光, 实测的照度值分别为0.132 lx 、0.085 lx。对于不同实验场景, 先用微光观察仪器摄取全波图像, 即原始微光图像, 接着用B、G、R的滤光片摄取对应波段的微光图像, 图 5(a)、(b)从左至右分别是全波、短波、中波和长波图像。对于图 5(a), 观察全波图像, 虽然建筑物等轮廓较为清晰, 但不能辨别建筑物以及上方字体灯光发出的颜色; 对于图 5(b), 全波图像能够识别目标树叶, 但目标和背景区分不明显, 且看不出背景具体特征。对于上述两种场景, 分波段的成像效果质量均劣于全波图像, 即分波波段产生的光电流小于全波段。但分波段图像不同颜色、不同目标和背景之间的对比度更大, 这说明依靠分波段图像可以辨别出不同结构的物体。
|
图 5 不同波段的微光图像 Figure 5 Low light level images of different wave band |
为了验证2.2中的改进方法(3), 将图 5(a)、(b)中的短波图像、中波图像和长波图像进行融合, 融合得到的结果如图 6(a)、(b)所示, 将图 5(a)、(b)中的全波图像、短波图像、中波图像和长波图像进行融合, 融合得到的结果如图 7(a)、(b)所示。图 7即为根据2.2中改进方法(3)得到的结果。
|
图 6 传统融合方法 Figure 6 Traditional fusion images |
|
图 7 改进融合方法 Figure 7 Ameliorative fusion images |
图 6与原始微光图像对比可见, 彩色夜视图像中可以清晰地分辨出黄色墙体、红色建筑边缘和绿色草木等色彩信息, 但无法分辨建筑物上的文字、树木与草的界限, 对于这一距离人眼无法分辨。图 7相比原始微光图像能够明显反映建筑物上的文字颜色、建筑色彩、绿色草木与裸露的黄土。相比图 6, 图 7的细节分辨能力更高, 能够识别建筑物上的文字、树叶和草地, 不同距离的目标层次明显, 即通过改进的融合方法, 能够对这一距离的物体明显识别, 提高了系统视距。
为了对改进方法融合得到的彩色夜视图像的质量进行客观评价, 选取熵和标准方差作为评价指标。标准方差σ反映了图像的对比度和清晰度, 标准方差越大则对比度越高, 清晰度越高[12], 其定义为
|
(11) |
式中:M、N分别为图像的行和列; Z(xi, yi)为图像一点灰度值; 
熵E反映了图像的信息量, 熵越大代表图像的信息量越大[13], 其定义式为
|
(12) |
式中:pi为灰度值i出现的概率; L为图像的灰度级。
上述两种场景的全波图像以及图 6、图 7的熵和标准方差如表 1所示, 从表中可以看出传统融合方法在熵指标上落后于原始微光夜视图像, 而用改进方法得到的彩色夜视图像的熵和标准方差均优于全波图像和传统融合方法得到的彩色夜视图像的商和标准方差, 客观评价与人眼感观一致。
|
表 1 图像评价 Table 1 Image evaluation |
以典型场景的目标和背景作为探测对象, 理论计算三波段彩色夜视系统中引入滤光片对系统视距的影响。针对三波段彩色夜视系统因滤光片引入导致的系统视距大幅降低问题, 提出了提高滤光片透过率、拓宽透过波段和增加全波图像融合的三个改进方法, 并据此设计了三片滤光片进行实验验证。实验表明, 所提出的方法能够得到色彩较为真实且细节分辨能力高的彩色夜视图像, 提出的改进方法有效。本文所提出的改进方法不仅可以改善三波段彩色夜视的成像质量, 而且对于微光双谱彩色夜视技术等也具有参考价值。
| [1] | 王建华. 浅谈防空夜视装备的发展[J]. 应用光学 , 2004, 25 (4) :29–30. |
| [2] | 蔡明杰, 贾宏志, 毕波, 等. 基于黑白摄像系统的伪彩色处理[J]. 光学仪器 , 2011, 33 (3) :33–36. |
| [3] | 黄亮, 刘爱东, 史开源. 基于假彩色的红外双波段图像融合方法[J]. 光学与光电技术 , 2007, 5 (4) :20–23. |
| [4] | 许抗, 徐伯庆. 一种基于HSI和小波变换的可见光和红外图像融合新方法[J]. 光学仪器 , 2010, 32 (4) :11–15. |
| [5] | 孟凡龙.基于多波段的彩色夜视技术的研究[D].南京:南京理工大学, 2013. |
| [6] | 陈一超, 胡文刚, 武东生, 等. 三波段微光彩色夜视方法研究[J]. 应用光学 , 2015, 36 (3) :430–434. |
| [7] | 王永仲. 现代军用光电技术[M]. 北京: 科学出版社, 2003 : 92 -98. |
| [8] | 刘磊.激光助视/微光夜视系统视距评估研究[D].南京:南京理工大学, 2005. |
| [9] | 汪贵华. 光电子器件[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009 : 79 -85. |
| [10] | 陆梅.基于液晶光阀的彩色夜视技术[D].南京:南京理工大学, 2010. |
| [11] | HERTEL D, MARECHAL H, TEFERA D A, et al.A low-cost VIS-NIR true color night vision video system based on a wide dynamic range CMOS imager[C]//Proceedings of Intelligent Vehicles Symposium.Xi'an:IEEE, 2009:273-278. |
| [12] | 许廷发, 李俊涛, 张一舟, 等. 真彩色传递双波段图像融合[J]. 中国光学 , 2014, 7 (3) :402–410. |
| [13] | 徐萌兮, 钱惟贤, 顾国华, 等. 共轴光学系统下的红外与可见光图像融合与彩色化[J]. 激光与光电子学进展 , 2013, 50 (9) :091004. |