外場微光像增強(qiáng)器成像效果對比評測方法與系統(tǒng)

韓正昊，褚祝軍，劉 璇，金偉其，王 霞，李 力，裘 溯

外場微光像增強(qiáng)器成像效果對比評測方法與系統(tǒng)

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(xué) 光電學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217）

以像增強(qiáng)器為核心成像器件的微光夜視技術(shù)一直是國內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍用夜視領(lǐng)域。直接對比分析不同型號像增強(qiáng)器輸出圖像特性的評測方法是評價(jià)像增強(qiáng)器成像性能最為直觀的重要維度，但由于像增強(qiáng)器為直視型成像器件，帶來野外實(shí)驗(yàn)光路搭建、多路視頻同步錄制、不同外型尺寸像增強(qiáng)器適配性等多方面的挑戰(zhàn)。因此，本文研究了外場微光像增強(qiáng)器成像效果對比評測方法，研制了包含雙像增強(qiáng)器成像光路、低照度CMOS成像光路與激光測距機(jī)的光軸平行對比評測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)觀察和多路像相機(jī)的成像數(shù)字視頻的采集；系統(tǒng)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(qiáng)器，同時(shí)包含激光測距功能，可測量觀察目標(biāo)的距離；在上位機(jī)軟件中集成多個(gè)無參考圖像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，可通過數(shù)字圖像處理技術(shù)輔助觀察者判斷不同型號像增強(qiáng)器成像效果的優(yōu)劣。實(shí)際外場測試實(shí)驗(yàn)表明測評系統(tǒng)方便可行，能夠反映不同成像光路的成像效果，可反饋指導(dǎo)像增強(qiáng)器生產(chǎn)制造工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，促進(jìn)微光夜視技術(shù)的發(fā)展。

像增強(qiáng)器；外場實(shí)驗(yàn)；效果對比；圖像質(zhì)量評價(jià)；系統(tǒng)集成

0 引言

以像增強(qiáng)器為核心的微光夜視技術(shù)一直是國際先進(jìn)的軍用夜視技術(shù)手段，其相比于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(shù)研究主要通過測量與對比像增強(qiáng)器的某項(xiàng)客觀技術(shù)指標(biāo)作為入手點(diǎn)評價(jià)像增強(qiáng)器成像效果的優(yōu)劣，如像增強(qiáng)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(diào)制傳遞函數(shù)[7]等，此類評價(jià)方法往往不夠直觀，且僅能評價(jià)像增強(qiáng)器成像的某一方面特性，無法全面地描述像增強(qiáng)器的成像性能。

像增強(qiáng)器成像效果的主觀評價(jià)則是評測像增強(qiáng)器成像質(zhì)量的另一重要維度，但由于像增強(qiáng)器是一種直視型光學(xué)成像器件，觀察者一般通過直接觀察其熒光屏來實(shí)現(xiàn)對場景的觀察。目前在評價(jià)不同型號的像增強(qiáng)器的成像效果時(shí)，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(qiáng)器熒光屏，并主觀判斷各型號像增強(qiáng)器成像效果的優(yōu)劣。但方法的缺點(diǎn)為：要求觀察者具備豐富的背景知識與觀察經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)評價(jià)結(jié)果具有主觀性，且由于無法錄制成像效果數(shù)字視頻，評價(jià)結(jié)果不可復(fù)現(xiàn)。

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

同時(shí)，兩種方法在進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往都需攜帶額外的電源為所有設(shè)備供電，且無法精確測量觀察目標(biāo)與像增強(qiáng)器的距離。

本文提出了像增強(qiáng)器成像效果對比評測系統(tǒng)，可適配安裝多種不同外型尺寸的像增強(qiáng)器，同時(shí)錄制兩路像增強(qiáng)器成像效果視頻以達(dá)到對比的目的，還可便捷地在外場實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對像增強(qiáng)器進(jìn)行安裝與拆卸，并通過數(shù)字圖像處理技術(shù)輔助觀察者判斷圖像效果優(yōu)劣，從而可有效推進(jìn)大規(guī)模像增強(qiáng)器成像效果對比實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

1 微光成像對比評測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成概述

如圖1所示，本文提出的微光像增強(qiáng)器成像效果對比評測系統(tǒng)主要由像增強(qiáng)器成像組件模塊、微單相機(jī)、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(jī)組成。對于外場微光成像實(shí)驗(yàn)，來自夜天光光源的輻射能量經(jīng)場景反射分別被兩組像增強(qiáng)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(qiáng)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(shù)字圖像傳輸至上位機(jī)；像增強(qiáng)器則經(jīng)過高增益電子倍增轟擊熒光屏發(fā)光；熒光屏的單色強(qiáng)度圖像經(jīng)中繼透鏡聚焦在單反相機(jī)的成像傳感器上，轉(zhuǎn)化為場景的數(shù)字圖像輸出；在上位機(jī)同步控制下，兩組像增強(qiáng)器成像組件模塊與低照度CMOS成像組件模塊的數(shù)字圖像在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，通過控制上位機(jī)軟件，還可對圖像感興趣區(qū)域進(jìn)行放大，并實(shí)時(shí)展示數(shù)字圖像評價(jià)指標(biāo)輔助觀察者判斷圖像質(zhì)量，并可按需采集各成像組件模塊的數(shù)字視頻。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵組件

1）像增強(qiáng)器組件模塊

如圖2(a)所示，像增強(qiáng)器組件模塊由3部分構(gòu)成：像增強(qiáng)器外殼1，像增強(qiáng)器外殼2與像增強(qiáng)器。其中，像增強(qiáng)器外殼1采用金屬材料，保證與系統(tǒng)的連接強(qiáng)度；像增強(qiáng)器外殼2采用韌性塑料，降低模塊重量。同時(shí)，像增強(qiáng)器外殼1中內(nèi)置定位銷，將像增強(qiáng)器放入像增強(qiáng)器外殼1中時(shí)，可保證二者不會發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)；像增強(qiáng)器外殼2與像增強(qiáng)器外殼1通過同時(shí)穿過二者的頂絲連接。物鏡通過像增強(qiáng)器外殼1上的螺紋與像增強(qiáng)器組件模塊連接；像增強(qiáng)器外殼1與系統(tǒng)通過手?jǐn)Q螺絲連接。

圖1 像增強(qiáng)器成像效果對比評測系統(tǒng)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(qiáng)器組件模塊根據(jù)不同外形尺寸的像增強(qiáng)器設(shè)計(jì)3種不同內(nèi)徑及長度的外殼，而不同外殼的外徑尺寸及與系統(tǒng)的連接方式相同，通過更換不同的像增強(qiáng)器外殼，可以將不同尺寸的像增強(qiáng)器便捷的安裝至系統(tǒng)內(nèi)，且不同尺寸像增強(qiáng)器的光陰極面位置相同。像增強(qiáng)器組件模塊可適配16、18與25三種規(guī)格的典型像增強(qiáng)器，同時(shí)通過在像增強(qiáng)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(qiáng)器。

圖2 像增強(qiáng)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(jī)（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(fù)頻率為30次/min，采用RS232協(xié)議與上位機(jī)通信，可達(dá)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(dá)72%，采用CameraLink數(shù)據(jù)傳輸接口。采用Ploera公司的iPort CL-U3數(shù)據(jù)采集模塊（如圖4(b)），將低照度CMOS相機(jī)圖像數(shù)據(jù)通過USB3.0協(xié)議傳輸至上位機(jī)。

圖3 激光測距模塊實(shí)物

圖4 低照度CMOS成像組件及圖像采集模塊

4）單反相機(jī)模塊

單反相機(jī)模塊用于拍攝像增強(qiáng)器成像組件模塊的熒光屏，采用Canon EOS 1300D單反相機(jī)，通過其上的mini USB接口與上位機(jī)連接，將拍攝到的圖像和視頻傳輸至上位機(jī)中。單反相機(jī)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(shè)計(jì)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(qiáng)器供電電壓（3V），一路激光測距機(jī)供電電壓（5V），一路低照度CMOS相機(jī)供電電壓（5V），兩路單反相機(jī)供電電壓（7.4V）。電源組件總?cè)萘?0AH，可供裝置連續(xù)工作5h。

1.3 系統(tǒng)集成

基于系統(tǒng)物鏡、像增強(qiáng)器成像模塊、微單相機(jī)、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(qiáng)器成像效果對比評測系統(tǒng)如圖5(b)所示，系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成如圖5(a)所示。系統(tǒng)通過兩路USB2.0連接線、一路USB3.0連接線及一路串口轉(zhuǎn)USB連接線與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)對單反相機(jī)、低照度CMOS成像模塊及激光測距機(jī)的數(shù)據(jù)采集與控制。

1.4 系統(tǒng)上位機(jī)界面

系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖6所示，界面基于Open Framework v0.11.0[8]開發(fā)，通過Canon相機(jī)EDSDK[9]實(shí)現(xiàn)對兩路單反相機(jī)的控制及數(shù)據(jù)采集，通過eBus SDK[10]實(shí)現(xiàn)對低照度CMOS圖像采集模塊的控制與數(shù)據(jù)采集。

在系統(tǒng)上位機(jī)界面上可實(shí)時(shí)同步顯示兩路像增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)場景，可根據(jù)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(qiáng)器的成像效果，便可不使用低照度CMOS。同時(shí)可保存各路成像器件的成像效果數(shù)字視頻，并控制激光測距機(jī)測量系統(tǒng)到目標(biāo)的距離。該界面可適應(yīng)正像、倒像成像的像增強(qiáng)器；同時(shí)，在界面上可人工選取感興趣區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)放大顯示在界面右下角區(qū)域，并實(shí)時(shí)計(jì)算選取區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)無參考數(shù)字圖像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)輔助觀察者判斷圖像優(yōu)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(shù)字視頻，通過上位機(jī)計(jì)算各路設(shè)備圖像的局域統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差、圖像Brenner梯度、圖像Tenen梯度和圖像熵。并將計(jì)算出的圖像局域統(tǒng)計(jì)信息顯示在上位機(jī)界面上，輔助觀察者判斷各路成像設(shè)備的成像效果。若各路成像設(shè)備采集的圖像為灰度圖像，則直接進(jìn)行局域統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算；若各路成像設(shè)備采集的圖像為彩色圖像，則首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，即：

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

圖6 上位機(jī)軟件界面（右下部分為上部分像增強(qiáng)其成像效果的局部放大及統(tǒng)計(jì)信息）

圖像灰度最小值的計(jì)算方法為：

式中：min為計(jì)算的頭像灰度最小值；min()為統(tǒng)計(jì)圖像最小值的函數(shù)。

圖像灰度最大值的計(jì)算方法為：

式中：max為計(jì)算的圖像灰度最大值；max()為統(tǒng)計(jì)圖像最大值的函數(shù)。

圖像最小值主要用于比較分析不同型號像增強(qiáng)器對于暗場景或場景中暗區(qū)域的適應(yīng)能力，如圖7(a)(b)中的紅色矩形區(qū)域，像增強(qiáng)器1由于可呈現(xiàn)更多的暗區(qū)細(xì)節(jié)因而成像效果優(yōu)于像增強(qiáng)器2，由表1可知，像增強(qiáng)器1在紅色矩形區(qū)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(qiáng)器對于明亮場景的適應(yīng)能力，如包含光源的場景等，如圖7(a)(b)中的黑色矩形區(qū)域，像增強(qiáng)器2由于可保留更多的亮區(qū)細(xì)節(jié)因而成像效果優(yōu)于像增強(qiáng)器1，由表1可知，像增強(qiáng)器2在黑色矩形區(qū)域的圖像最大值更低。

圖像灰度均值的計(jì)算方法為：

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

式中：std為圖像標(biāo)準(zhǔn)差，主要用于評價(jià)不同型號像增強(qiáng)器對于圖像平坦區(qū)域的噪聲水平或圖像細(xì)節(jié)區(qū)域的信息豐富程度。對于圖像的平坦區(qū)域，圖像標(biāo)準(zhǔn)差越大，代表噪聲水平越高；對于圖像細(xì)節(jié)區(qū)域，圖像標(biāo)準(zhǔn)差越大，代表信息越豐富。

圖7 像增強(qiáng)器暗區(qū)評價(jià)與亮區(qū)評價(jià)

表1 像增強(qiáng)器細(xì)節(jié)區(qū)域評價(jià)指標(biāo)

圖像Brenner梯度的計(jì)算方法為：

式中：Brenner為計(jì)算的圖像Brenner梯度。圖像Brenner梯度用于評價(jià)不同型號像增強(qiáng)器圖像區(qū)域細(xì)節(jié)豐富程度。Brenner梯度越大，代表場景細(xì)節(jié)越豐富。

圖像Tenen梯度的計(jì)算方法為：

式中：Tenen為計(jì)算的圖像Tenen梯度；*為卷積運(yùn)算；為閾值。Tenen梯度與Brenner梯度相似，也反映圖像局域的細(xì)節(jié)豐富程度，其值越大代表細(xì)節(jié)越豐富。

圖像熵的計(jì)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(xiàn)的概率；為灰度級總數(shù)。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(qū)域的信息越豐富。

如圖8(a)(b)所示，在圖像黑色矩形區(qū)域，像增強(qiáng)器2較像增強(qiáng)器1具有更豐富的局部紋理與更清晰的邊緣細(xì)節(jié)因而具有更好的成像效果。采用圖像標(biāo)準(zhǔn)差、Brenner梯度、Tenen梯度和圖像熵等指標(biāo)可反映該結(jié)果從而輔助觀察者判斷圖像質(zhì)量。由表1可知，像增強(qiáng)器2在黑色矩形區(qū)域具有更高的圖像標(biāo)準(zhǔn)差、Brenner梯度、Tenen梯度與圖像熵。

圖8 像增強(qiáng)器細(xì)節(jié)區(qū)域評價(jià)

3 結(jié)論

外場微光夜視系統(tǒng)性能測評儀可以有效地進(jìn)行不同型號像增強(qiáng)器成像性能對比評測，實(shí)現(xiàn)不同微光夜視系統(tǒng)外場效果的主觀評價(jià)。本文研究了外場微光像增強(qiáng)器成像效果對比評測方法，研制了包含雙像增強(qiáng)器成像光路、低照度CMOS成像光路與激光測距機(jī)的外場成像效果對比評測系統(tǒng)，其中激光測距功能能夠即時(shí)獲取目標(biāo)距離；系統(tǒng)不僅可直接比較不同型號的標(biāo)準(zhǔn)像增強(qiáng)器間成像效果，而且也可進(jìn)行像增強(qiáng)器通道與低照度CMOS成像通道的比較；便攜式設(shè)計(jì)便于野外實(shí)驗(yàn)操作和多路數(shù)字視頻圖像的記錄。同時(shí)在上位機(jī)軟件中集成多個(gè)無參考圖像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，可通過數(shù)字圖像處理技術(shù)輔助觀察者判斷不同型號像增強(qiáng)器成像效果的優(yōu)劣。外場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測評系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，相同/不同模式的微光夜視技術(shù)比測需求明顯增加，本文的研究可有效促進(jìn)此類對比實(shí)驗(yàn)的普及，進(jìn)而反饋指導(dǎo)像增強(qiáng)器生產(chǎn)制造工藝優(yōu)化，促進(jìn)微光夜視成像技術(shù)的發(fā)展。此外，在相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展和完善對比評測的客觀評價(jià)方法也是一個(gè)重要的任務(wù)。

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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?yàn)椴噬⒐庖挂暭夹g(shù)、數(shù)字圖像處理。E-mail: 285103858@qq.com。

金偉其（1961-），男，教授/博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)橐挂暸c紅外技術(shù)、光電圖像處理、光電檢測與儀器，E-mail：jinwq@bit. edu. cn。