三波段彩色夜視分譜優(yōu)化研究

陳一超+胡文剛+武東生+何永強(qiáng)+張冬曉+張瑜

摘要：

為了得到更符合人眼視覺特性的彩色夜視圖像，依據(jù)RGB彩色理論模型，提出一種基于濾光片分譜作用的三波段彩色夜視方法。根據(jù)微光夜視系統(tǒng)成像理論，計算微光夜視系統(tǒng)的視距一般表達(dá)式。以典型場景作為探測目標(biāo)，研究引入濾光片前后微光夜視系統(tǒng)的視距變化率，其中藍(lán)光波段的濾光片引入使視距下降到引入前的15%?；谝暰嗬碚摲治黾吧葘W(xué)原理，提出了提高濾光片的透過率、拓寬濾光片的透過波段、融合圖像加入全波圖像的三個改進(jìn)方法。以此制備了三片濾光片，并進(jìn)行了彩色夜視實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，提出的改進(jìn)方法得到的彩色夜視圖像在熵和標(biāo)準(zhǔn)方差兩個指標(biāo)上均優(yōu)于原始微光圖像和傳統(tǒng)融合方法得到的結(jié)果，且與人眼主觀感受一致。

關(guān)鍵詞：

夜視； 視距估算； 彩色微光夜視； 濾光片

中圖分類號： O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.007

Abstract：

In order to obtain color night vision images，which are more in line with the characteristics of the human eye，tri-band color night vision technology is put forward based on RBG color model.The technique is the use of sub-spectral filter effect.Visual range is calculated based on night vision imaging systems theory.The change rate of visual range，before and after the introduction of filter，is calculated in a typical scenario.The result shows that visual range which is after the introduction of filter falls to 15% compared to before.Considering analysis above and color theory，three methods have been proposed to improve：Increasing the transmittance of the filter in the band needed；Broaden the band of the filter；Full-wave image fusion.Three filters are produced according to the improved methods.Experiment is taken by these three filters.Fused images which are experimentally obtained，are better than original low-light images by the objective evaluation，on the two indicators that are entropy and average variance.The results are also consistent with the observed effect of the human eye.The experimental results show the methods are effective.

Keywords：

night vision； visual range evaluation； color low-night vision； filter

引言

微光夜視系統(tǒng)借助于光電成像器件可在低照度條件下觀察景物。微光夜視裝備具有體積小、造價低[1]、成像細(xì)節(jié)清晰、圖像自然等優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前所裝備的微光夜視器材產(chǎn)生的都是單色圖像，單色圖像具有信噪比低、立體感差等缺點(diǎn)，在軍事應(yīng)用中易受到偽裝迷惑。為了提高夜視圖像對比度，使人眼能夠更快速地識別目標(biāo)，利用人眼對彩色更為敏感的視覺特性[2]，可以通過假彩色編碼以及將不同波段的成像進(jìn)行融合得到彩色夜視圖像[3]。假彩色編碼得到的彩色夜視圖像與人眼長期感觀不一致，不利于人眼的長時間觀察。不同波段成像融合的主要研究方向有微光與紅外圖像融合[4]、多波段圖像融合[5]等。微光與紅外圖像融合以及多波段圖像融合是將像增強(qiáng)器與紅外探測器的成像進(jìn)行融合得到彩色圖像，這種方法能夠提高圖像對比度，但雙通道方式存在著配準(zhǔn)困難、系統(tǒng)體積大等不利因素。為了克服假彩色編碼以及雙通道彩色夜視存在的問題，得到色彩更為接近自然感的彩色夜視圖像，本文提出一種三波段單通道彩色夜視技術(shù)，通過計算分譜對微光夜視系統(tǒng)的影響，研究優(yōu)化分譜濾光片的特性參數(shù)。

1三波段彩色夜視技術(shù)方案

根據(jù)微光夜視儀成像原理，利用增強(qiáng)型像增強(qiáng)器對微弱圖像信息進(jìn)行能量增強(qiáng)。依據(jù)RGB彩色模型，對任意彩色光都可以由三基色R、G、B合成。如圖1所示，為了得到彩色圖像，首先需要利用分譜濾光片，將微弱彩色圖像分解成R、G、B三個基色圖像，再經(jīng)過增強(qiáng)型像增強(qiáng)器對圖像進(jìn)行能量增強(qiáng)，由像增強(qiáng)器序列輸出增強(qiáng)的R、G、B三基色圖像，利用圖像采集系統(tǒng)對圖像進(jìn)行采集，然后送到圖像處理系統(tǒng)（DSP或計算機(jī)）進(jìn)行軟件的真彩合成，最后在顯示系統(tǒng)上得到增強(qiáng)的彩色夜視圖像。

微光夜視儀器作為觀察儀器，視距（指最遠(yuǎn)觀察距離）是其重要指標(biāo)之一。相比單色微光夜視儀器，三波段彩色夜視技術(shù)是將原本不加區(qū)分的夜天光光譜分解成三基色，而夜天光本身比較微弱，將導(dǎo)致基色圖像的光強(qiáng)度更加微弱，從而降低視距。彩色夜視圖像是由三基色圖像融合而成，若目標(biāo)某一基色圖像不能被正常識別，將導(dǎo)致融合圖像色彩嚴(yán)重失真，融合圖像效果將不能夠體現(xiàn)，因此彩色夜視融合圖像的視距受制于視距最短的基色圖像。文獻(xiàn)[6]研究了濾光片引入后的像增強(qiáng)器信噪比變化，本文是研究濾光片引入前后對視距的影響，基于此對分譜濾光片的特性進(jìn)行優(yōu)化以提高彩色夜視成像質(zhì)量。

2視距分析及分譜優(yōu)化方法

2.1視距分析

在距離d處有高度為H的物體，則它對夜視儀物鏡的張角為H/d，成像于像增強(qiáng)器光電陰極面上的高度為

式中f′o為物鏡焦距。

令像增強(qiáng)器光電陰極極限分辨率為Nc（lp·mm-1），則H′所占線對數(shù)為

若令n為某一觀察等級所要求的線對，則式（3）中d就是與該觀察等級對應(yīng)的極限距離。

由式（3）可知，為確定微光成像系統(tǒng)在某一觀察等級對應(yīng)的極限距離，則物鏡焦距f′o、物體高度H以及該觀察等級需要的線對數(shù)n為常量?？梢娢⒐獬上裣到y(tǒng)的視距取決于像增強(qiáng)器性能，即光電陰極極限分辨率Nc，Nc越大視距越大，反之則視距越小。

常見目標(biāo)都為朗伯體，其發(fā)光亮度與方向角無關(guān)，在各個方向上亮度相同。如天空產(chǎn)生的照度為Eo，目標(biāo)和背景的反射比分別為ρa(bǔ)、ρb，微光夜視儀器的作用距離一般在1 km左右，忽略大氣影響，物鏡的透過率近似為1，則像增強(qiáng)器光電陰極面上的照度Ec的表達(dá)式為[7]

式中Do為物鏡直徑。

像增強(qiáng)器輸入窗照度Ec與光電陰極極限分辨率Nc又存在關(guān)系[8]

式中：φmin為閾值信噪比，是取決于目標(biāo)特性和視覺特性的常數(shù)；e為電子電量；Fφ為像增強(qiáng)器噪聲功率因子；S為光電陰極的積分靈敏度；t為積分時間；co為目標(biāo)的對比度，且

將式（8）代入式（3）即可得到視距d的估算值。

令引入濾光片前后的視距分別為d1、d2，引入濾光片后不改變系統(tǒng)物鏡焦距f′o、目標(biāo)高度H、某一觀察等級所要求的線對n，則視距比值為

由式（9）可以看出，引入濾光片后視距的改變量取決于像增強(qiáng)器陰極極限分辨率Nc的改變量。引入濾光片之后相當(dāng)于改變了入射光的光譜范圍，改變了光電陰極上產(chǎn)生的電流值I，消除了與波長無關(guān)的參量。將式（8）代入式（9）得

在軍事應(yīng)用中，常在夜天光環(huán)境中以暗綠色漆和綠色草木為目標(biāo)和背景，其夜晚光譜反射特性以及光電陰極對其產(chǎn)生的光電流分別如圖2、圖3[9]所示。暗綠色漆在藍(lán)光波段的反射率以及產(chǎn)生的光電流都較小，基色圖像視距最短，因此考慮藍(lán)光波段。假設(shè)對于透過波段為藍(lán)光波段（430～470 nm）的濾光片，其透過率為100%，根據(jù)式（6）可計算得到co2/co1的比值約為0.5，從光電陰極測得I2/I1的比值約為0.3，則由式（10）得d2/d1約為0.15。即對于以綠漆為目標(biāo)、以草木為背景的典型場景，藍(lán)光波段基色圖像的視距約為全波圖像的15%。通過以上分析可以看出，引入窄帶濾光片會大大降低微光夜視系統(tǒng)的觀察視距。

2.2分譜優(yōu)化方法

根據(jù)以上理論分析，為提高三波段彩色夜視系統(tǒng)的成像質(zhì)量及觀察距離，提出三個改進(jìn)方法：

（1） 濾光片在要求透過波段的透過率大于80%；

（2） 拓寬藍(lán)色和綠色濾光片的透過帶寬；

（3） 增加一組白光圖像融合，即不引入任何濾光片的全波圖像。

改進(jìn)方法（1）是與基于液晶光閥的彩色夜視技術(shù)[10-11]作比較，文獻(xiàn)[9-10]所用液晶光閥在相應(yīng)波段的透過率分別約為60%和50%，造成在需求波段的光能損失較大；改進(jìn)方法（2）是基于色度學(xué)原理，根據(jù)色度學(xué)原理，綠、藍(lán)色光對應(yīng)的光譜分別為500～530 nm和430～470 nm，對于三波段彩色夜視技術(shù)其對應(yīng)帶寬過于狹窄，紅色對應(yīng)的光譜為620～770 nm，光電陰極對紅光波段敏感而人眼視見函數(shù)在此波段較低，為使還原的色彩更接近真實(shí)感，紅光濾光片透過波段適當(dāng)向藍(lán)光波段移動，因而需要將藍(lán)綠濾光片透過波段拓寬以增大光能；改進(jìn)方法（3）是考慮到濾光片的引入即會造成信息損失，降低系統(tǒng)視距和圖像成像質(zhì)量，而且還不能夠通過后續(xù)的圖像處理補(bǔ)償，因此增加一組全波圖像以提高系統(tǒng)視距以及圖像信息量等。

根據(jù)以上分析和改進(jìn)方法，制作了三片濾光片，并測量三片濾光片B、G和R的光譜透過率，如圖4所示B、G、R對應(yīng)的透過波段范圍分別為380～480 nm短波，510～565 nm中波和590～650 nm長波。制備的

藍(lán)色、綠色濾光片透過波段較寬，有利于增大光電陰極產(chǎn)生的電流值。濾光片在要求透過波段的平均透過率約為90%，在非透過波段的透過率小于5%，透過波段的透過率曲線在分割點(diǎn)附近的斜率為5左右，能夠更好地反映目標(biāo)在該波段的發(fā)光強(qiáng)度，使彩色融合圖像的色彩更接近自然感。因此，制作的濾光片滿足改進(jìn)方法（1）和改進(jìn)方法（2）。

3三波段彩色夜視實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)探究及結(jié)果分析

對制作的三片濾光片進(jìn)行了相關(guān)彩色夜視實(shí)驗(yàn)，針對不同典型場景采集了如圖5所示的多幅圖像，其中圖5（a）、（b）分別對應(yīng)的是人造建筑和綠色草木。光源來自于大氣輝光、星光等雜閃光，實(shí)測的照度值分別為0.132 lx 、0.085 lx。對于不同實(shí)驗(yàn)場景，先用微光觀察儀器攝取全波圖像，即原始微光圖像，接著用B、G、R的濾光片攝取對應(yīng)波段的微光圖像，圖5（a）、（b）從左至右分別是全波、短波、中波和長波圖像。對于圖5（a），觀察全波圖像，雖然建筑物等輪廓較為清晰，但不能辨別建筑物以及上方字體燈光發(fā)出的顏色；對于圖5（b），全波圖像能夠識別目標(biāo)樹葉，但目標(biāo)和背景區(qū)分不明顯，且看不出背景具體特征。對于上述兩種場景，分波段的成像效果質(zhì)量均劣于全波圖像，即分波波段產(chǎn)生的光電流小于全波段。但分波段圖像不同顏色、不同目標(biāo)和背景之間的對比度更大，這說明依靠分波段圖像可以辨別出不同結(jié)構(gòu)的物體。

為了驗(yàn)證2.2中的改進(jìn)方法（3），將圖5（a）、（b）中的短波圖像、中波圖像和長波圖像進(jìn)行融合，融合得到的結(jié)果如圖6（a）、（b）所示，將圖5（a）、（b）中的全波圖像、短波圖像、中波圖像和長波圖像進(jìn)行融合，融合得到的結(jié)果如圖7（a）、（b）所示。圖7即為根據(jù)2.2中改進(jìn)方法（3）得到的結(jié)果。

圖6與原始微光圖像對比可見，彩色夜視圖像中可以清晰地分辨出黃色墻體、紅色建筑邊緣和綠色草木等色彩信息，但無法分辨建筑物上的文字、樹木與草的界限，對于這一距離人眼無法分辨。圖7相比原始微光圖像能夠明顯反映建筑物上的文字顏色、建筑色彩、綠色草木與裸露的黃土。相比圖6，圖7的細(xì)節(jié)分辨能力更高，能夠識別建筑物上的文字、樹葉和草地，不同距離的目標(biāo)層次明顯，即通過改進(jìn)的融合方法，能夠?qū)@一距離的物體明顯識別，提高了系統(tǒng)視距。

為了對改進(jìn)方法融合得到的彩色夜視圖像的質(zhì)量進(jìn)行客觀評價，選取熵和標(biāo)準(zhǔn)方差作為評價指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)方差σ反映了圖像的對比度和清晰度，標(biāo)準(zhǔn)方差越大則對比度越高，清晰度越高[12]，其定義為

式中：pi為灰度值i出現(xiàn)的概率；L為圖像的灰度級。

上述兩種場景的全波圖像以及圖6、圖7的熵和標(biāo)準(zhǔn)方差如表1所示，從表中可以看出傳統(tǒng)融合方法在熵指標(biāo)上落后于原始微光夜視圖像，而用改進(jìn)方法得到的彩色夜視圖像的熵和標(biāo)準(zhǔn)方差均優(yōu)于全波圖像和傳統(tǒng)融合方法得到的彩色夜視圖像的商和標(biāo)準(zhǔn)方差，客觀評價與人眼感觀一致。

4結(jié)論

以典型場景的目標(biāo)和背景作為探測對象，理論計算三波段彩色夜視系統(tǒng)中引入濾光片對系統(tǒng)視距的影響。針對三波段彩色夜視系統(tǒng)因?yàn)V光片引入導(dǎo)致的系統(tǒng)視距大幅降低問題，提出了提高濾光片透過率、拓寬透過波段和增加全波圖像融合的三個改進(jìn)方法，并據(jù)此設(shè)計了三片濾光片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，所提出的方法能夠得到色彩較為真實(shí)且細(xì)節(jié)分辨能力高的彩色夜視圖像，提出的改進(jìn)方法有效。本文所提出的改進(jìn)方法不僅可以改善三波段彩色夜視的成像質(zhì)量，而且對于微光雙譜彩色夜視技術(shù)等也具有參考價值。

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