Застосування положень фізіології зорового сприйняття до проектування систем теплобачення
При проектуванні систем теплобачення слід враховувати особливості зорового сприйняття інформації, на основі яких визначаються допустимі відмінності оптико-електронного зображення від реальної картини, при яких зоровий апарат людини міг би правильно оцінювати картину і сприймати розташовану в ній інформацію.
До найважливіших особливостей ока належить таке:
- око подібне сукупності стохастично незалежних вузькосмугових фільтрів, що переміщуються і перекриваються, з яких будується близький до оптимального фільтр для розв'язку певної зорової задачі;
- підсумування сигналів, розподілених в просторі та що повторюються в часі;
- око виявляє та розпізнає об'єкти за способом вірогідності;
- око характеризується двома режимами роботи, при яких виявлення лімітується величиною контрасту та шумами;
- око чутливе до по кадрового та черезрядкового розкладання зображення.
Кожна з цих особливостей має відповідний вплив на розробку систем; а саме слід:
- забезпечити узгодження збільшення системи і МПФ (модуляційна передаточна функція) відтворення зображення, щоб просторово-частотний спектр об'єкта відповідав смузі пропускання ока;
- врахувати вплив часового і просторового підсумовування на характеристики системи, яка проектується, для забезпечення підвищення відношення сигнал/шум;
- забезпечити відношення сигнал/шум достатнє для досягнення необхідних імовірнісних характеристик виявлення;
- забезпечити відповідні значення коефіцієнта оточуючого фона та яскравості екрана індикатора, динамічного діапазону і контрасту, з тим щоб отримати рівень характеристик системи, при якому її можливості будуть обмежені лише шумами;
- усунути сприйняття оком чергування кадрів та строк.
Вплив шумів, що сприймаються, і паразитних сигналів зменшується зі збільшенням кількості деталей картини, тоді як сприйняття різкості контурів покращується.
Фоторецепція, тобто сприйняття світла та його перетворення в інші види енергії – хімічну та електричну, відбувається в сітківці. Основна властивість рецепторів сітківки – світлова чутливість.
Порогові умови визначаються трьома параметрами: яскравістю фона Lф, кутовим розміром об'єкта γ та контрастом об'єкта K. Зі збільшенням кутового розміру об'єкта порогів контраст зменшується. Для об'єктів великих кутових розмірів (більше 60') порогів контраст залишається майже сталим в межах зміни яскравості фона від декількох одиниць до 500 Кд/м2. За мінімальний порогів контраст для об'єктів з γ≥60' для практичних розрахунків при необмеженому часі спостереження і імовірності виявлення P=1 приймають K=0,02. Бінокулярна контрастна чутливість вище монокулярної на 10% при центральному зорі і на 50% при боковому.
Інерція зору – це його здатність деякий час зберігати результат світлового впливу на око і таким чином накопичувати результати таких впливів за деякий час. Таким чином, інерція сприяє стійкості зорового відчуття і, по суті, забезпечує саму можливість осмислення зорових вражень.
Зорова інерція проявляється при сприйнятті періодичних джерел світла, що мерехтять та мигають. При високій частоті миготіння око сприймає світло, що мерехтить, як постійне. Найменша частота, при якій око перестає розрізняти миготіння називається критичною частотою злиття мигання νкр. Ця величина залежить від яскравості адаптації, розміру поля зору, глибини модуляції яскравості, що мерехтить, відношення тривалості τ одного спалаху до періоду миготіння Т тощо.
Оцінюючи яскравість предметів око розрізняє лише кількісні розбіжності в інтенсивності світла, але око здатне сприймати і якість світла, яка залежить від його спектрального складу, тобто сприймати колір. Порівнюючи кольори між собою ми передусім розділяємо їх на дві групи: ахроматичні та хроматичні - кольорові. До ахроматичних належать чорний, білий та всі відтінки сірого; до хроматичних – решта кольорів.
Будь-який колір може бути визначений трьома характеристиками: кольоровим тоном λ, яскравістю L (світлотою) та чистотою p (насиченістю).
Під кольоровим тоном розуміють ту якість кольору, якою він відрізняється від ахроматичного; кольоровий тон характеризується домінуючою довжиною хвилі. Ахроматичні кольори кольорового тону не мають. Під чистотою розуміють ступінь розведення даного кольору білим. Чим менше білого домішано до основного тону, тим більше його чистота.
Колір сприймається трьома приймачами ковбочок. і кожен колір можна характеризувати ступенем збудження кожного з приймачів при його сприйнятті.
Пороги розрізнення кольору – це основа для встановлення допусків на колір.
При вирішенні багатьох питань, пов'язаних з оком та іншими пристроями, що відтворюють зображення, буває досить, а іноді й більш раціонально обмежитися визначенням кількості інформації H, не переходячи до пропускної здатності. H - це не просто кількість інформації в деякій конкретній картині, а максимальна кількість, яка може міститися в картині. що відтворюється даним пристроєм.
 
N - кількість елементів, m - кількість градацій яскравості.
Виходячи з кількості інформації H, можна вивести дві важливі характеристики зорового приладу: щільність інформації g та коефіцієнт якості k. Щільністю інформації називається відношення кількості інформації до площини σ вхідної зіниці приладу:
Коефіцієнт якості k:
де H0 - кількість інформації, яку б використовував ідеальний прилад з тим же діаметром вхідної зіниці D і тим же полем зору 2β. А ідеальний прилад – це прилад, у якого роздільна здатність по всьому полю однакова і дорівнює дифракційній.
Оскільки матеріальним носієм зорової інформації є світло, то зі збільшенням освітленості збільшується потік інформації, що потрапляє в око, тобто підвищується пропускна здатність ока Сс:
де θ=0,05с - час інерції зору.
Випадкові шуми впливають на роботу тепловізійної системи двояко. По-перше, випадковий шум впливає на здатність спостерігача виявляти та розпізнавати об'єкт на екрані індикатора. По-друге, деякі види шумів настільки неприємні самі по собі, що взагалі не дозволяють спостерігачеві розглядати екран індикатора.
На дуже низьких частотах шуми проявляються у вигляді дратуючих цяточок та смужок. При збільшенні частоти шуму картина схожа на дрібнозернистий фотографічний шум, але "зерна" випадковим чином переміщуються в просторі, причому видимий розмір зерен зменшується із збільшенням частоти. Шум у вузькій смузі нагадує "ялинку".
Щодо шуму в книзі Дж. Ллойда наведено такі висновки:
1) шум певної потужності в різко обмеженій смузі особливо дратує, коли ширина смуги приблизно 0,7 мрад-1; дратуючий вплив шуму зменшується при звуженні або розширенні смуги;
2) шум у вигляді горизонтальних штрихів менш неприємний, ніж шум у вигляді вертикальних штрихів;
3) шуми, частотний склад яких схожий на частотний склад сигналу, менше дратують, ніж інші шуми.
Периферичний зір більш чутливий до миготіння ніж центральний.
При заданій кадровій частоті миготіння можна усунути за допомогою двоходової черезрядкової розгортки. У цій схемі кадр розділяється на два послідовних зображення, кожне з яких передається з частотою, що вдвічі перевищує частоту кадрів. Перше поле містить лише парні (або непарні) строки растру, а друге – решту.
Якщо екран спостерігається з такої відстані, що не відбувається розділення окремих рядків растра. око зливає обидва зображення, створюючи візуальне враження однорідності картини за всією площиною. Завдяки цьому методу частота кадрів подвоюється і перевищує νкр.
При використанні систем теплобачення також спостерігається ще один кадровий ефект, що проявляється в миготінні лінії сканування при скануванні в двох напрямках з малим мертвим часом сканування. Точки поблизу кожного краю растра освітлюються двічі протягом короткого проміжку часу при прямому і зворотному ході лінії сканування, і, якщо інтервал часу між цими двома засвічуваннями малий, то мозок може сприйняти їх як одне засвічування.
Найбільш прийнятні коефіцієнти збільшення оптичних систем тепловізійних приладів лежать в межах 0,8÷4.
Література
В.Д.Глезер, И.И.Цуккерман. Информация и зрение.
Н.В.Завалишин, И.Б.Мучник. Модели зрительного восприятия и алгоритмы анализа изображений.
| 
