Критер?? Джонсона щодо виявлення та розп?знавання теплово? в?зуал?зац??

?сторичний фон: Наприк?нц? 1950 -х Джон У. Джонсон з американсько? арм?? пров?в п?онерськ? експерименти з ноч? - П?дсилювач? зображення зору, щоб к?льк?сно оц?нити, ск?льки деталей зображення потр?бно для р?зних в?зуальних завдань (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я.). У сво?му папер? 1958 року “Анал?з систем формування зображень”, Джонсон пов?домив про емп?ричн? пороги (в рядках на ц?л?), необх?дн? для р?зних завдань (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я.). Це стало в?домим як Критер?? Джонсона. Це революц?он?зувало дизайн датчик?в, дозволяючи ?нженерам передбачити, наск?льки далеко можна було побачити ц?ль, визначити або визначити в заданих умовах (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я.). Використовуючи ц? критер??, п?зн?ше було розроблено багато моделей прогнозування для оц?нки продуктивност? датчика в р?зних оперативних умовах (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я).

Завдання виявлення, розп?знавання та ?дентиф?кац?я (DRI)

Критер?? Джонсона визначають три основн? В?зуальн? завдання:

• Виявлення: Спостер?гач просто пом?ча?, що об'?кт присутн?й. (На цьому р?вн? можна побачити лише "крапку" або зм?ну на сцен?.) Джонсон виявив, що виявлення, яке потр?бно про 1,0 ± 0,25 парних пар через ц?ль (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я).

• Визнання: Спостер?гач може розпов?сти загальний тип об'?кта (наприклад, в?др?зня? людину в?д транспортного засобу). Для цього потр?бно б?льше деталей - спочатку про 4,0 ± 0,8 парних пар (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я).

• ?дентиф?кац?я: Спостер?гач може ?дентиф?кувати конкретний об'?кт (наприклад, певна модель транспортного засобу або конкретна особа). Це найскладн?ше завдання, яке вимага? 6,4 ± 1,5 Пари л?н?й (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я).

(Джонсон також в?дзначив пром?жний крок ?ор??нтац??? на ~ 1,4 пар? л?н?й (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я), але сучасн? дискус?? часто зосереджуються на завданнях DRI.) У практичному ?нженерному план? одна л?н?йна пара в?дпов?да? приблизно двом п?кселям зображення по вс?й ц?л? (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я.). У сучасних специф?кац?ях теплово? в?зуал?зац?? ц? пороги часто округлюються 1, 3 ? 6 цикл?в для 50% ймов?рност? виконання завдання (Що таке DRI, ? на чому це базу?ться на розрахунку?).

(Безкоштовна людина силует векторного мистецтва - Завантажте 17 246+ Силуетних значк?в та граф?ки людини - П?ксабай) Ф?гура: Людська - сформована ц?ль п?д спостереженням. В Далекий д?апазон, ц?ль виробля? лише темний силует (достатньо для виявлення); З? зб?льшенням розд?льно? здатност? (або близькост?) з'являються особливост? обличчя та одягу, що дозволя? розп?знавати та в к?нцевому п?дсумку повну ?дентиф?кац?ю. Критер?? Джонсона к?льк?сно визначають, ск?льки рядк?в деталей потр?бно на кожному етап? (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) (Що таке DRI, ? на чому це базу?ться на розрахунку?).

Критер?? Джонсона (пороги резолюц??)

Ориг?нальн? критер?? Джонсона часто узагальнюються наступним чином для 50% усп?шност? кожного завдання (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я):

• Виявлення (присутн?сть об'?кта): ~ 1,0 л?н?йно? пари на ц?л? (50% ймов?рност?) (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я).

• Розп?знавання (клас об'?кта): ~ 4,0 парних пар на ц?л? (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я).

• ?дентиф?кац?я (конкретний об'?кт): ~ 6,4 Пари л?н?й на ц?л? (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я).

Ц? значення передбачають високу ц?ль - фоновий контраст та ?деальний спостер?гач. (Кожна л?н?йна пара дор?вню? двом п?кселям датчик?в, так що, наприклад, 1,0 л?н?йно? пари ≈ 2 п?ксел? по вс?й ширин? ц?л? (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я(Що таке DRI, ? на чому це базу?ться на розрахунку?.). Наприклад, кер?вництво НАТО використову? приблизно 1 цикл для виявлення, 3 для розп?знавання та 6 для ?дентиф?кац?? (Що таке DRI, ? на чому це базу?ться на розрахунку?.). (Оновлена ??арм?я США Набувати Критер?? нав?ть використовують 0,75, 1,5, 3 та 6 цикл?в для виявлення, класиф?кац??, розп?знавання, ?дентиф?кац??, в?дображення вдосконалених завдань (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона).)

Критер?? Джонсона часто виражаються ймов?рн?сно: дано N Цикли на ц?л? ?сну? в?дпов?дна ймов?рн?сть правильного виконання кожного завдання (як правило, сигмо?да - як, з 50% при табличних порогах). Однак в?н найчаст?ше використову?ться як "правило", що стосу?ться необх?дно? вир?шення завдання.

Математична основа (розд?льна здатн?сть та д?апазон)

З К?льк?сть вир?шення цикл?в У ц?л? залежить в?д розм?ру, д?апазону ц?л?, оптики датчик?в та розм?ру п?ксел?в. Для просто? модел? або тонко? л?нзи (невелике - наближення кута), можна знайти (Фундаментальний анал?з системи в?зуал?зац?? для автономних транспортних засоб?в):

де n - к?льк?сть цикл?в на ц?л?, h_o - характерний розм?р ц?л? (m), f - фокусна в?дстань об'?ктива (однаков? одиниц?, що ? п?ксель), p - крок п?ксел?в (в?дстань м?ж п?ксельними центрами) та R - д?апазон до ц?л?. Ця формула ф?ксу? ?нту?тивн? ефекти: б?льша ц?ль (або довша фокусна в?дстань) зб?льшу?ться n, в той час як б?льший п?ксель або довший д?апазон зменшу?ться n (Фундаментальний анал?з системи в?зуал?зац?? для автономних транспортних засоб?в.). Якщо N Цикли потр?бн? (з таблиц? Джонсона) для певного завдання Д?апазон виявлення можна вир?шити як

Наприклад, подво?ння розм?ру ц?льового або фокусно? в?дстан? подвою? д?апазон виявлення для ф?ксованого N (Фундаментальний анал?з системи в?зуал?зац?? для автономних транспортних засоб?в.). Аналог?чно, вдв?ч? зменшити крок п?кселя (тобто б?льш висока розд?льна здатн?сть датчик?в) подвою? д?апазон. Ц? формули часто використовуються специф?кац?ями теплово? камери - аркушами для оц?нки д?апазон?в D/R/I в ?деальних умовах.

Фактори, що впливають на д?апазон виявлення

Формула простого д?апазону передбача? ?деальн? контрастн? та ч?тк? умови. На практиц? багато фактор?в впливають на д?апазон виявлення та розп?знавання:

• Ц?льовий розм?р та контраст: Б?льш? (б?льш висок? або ширш?) ц?л? видно на б?льш?й в?дстан?; Аналог?чно, ц?ль з б?льш високим ?нфрачервоним контрастом (наприклад, гаряче проти крут?ше, н?ж фон) прост?ше виявити. Для терм?чних камер загальним припущенням ? р?зниця температур ～2 ° C в?д фону для над?йного виявлення. Менш? або низьк? - контрастн? ц?л? потребують б?льшо? к?лькост? цикл?в (таким чином, ближчих д?апазон?в).

• Розд?льна здатн?сть та оптика датчик?в: Як зазначено, б?льш тонк? п?ксел? (менш? p) ? довша фокусна в?дстань f Зб?льшення д?апазону. Також функц?я передач? модуляц?? датчика (MTF) та оптична як?сть впливають на те, наск?льки детально передаються детал?. За словами Джонсона, краща оптика (вищий MTF) ефективно зменшу? необх?дн? цикли для заданого завдання (Фундаментальний анал?з системи в?зуал?зац?? для автономних транспортних засоб?в).

• Атмосферн? умови: Справжн? атмосфери послаблюють ?нфрачервон? сигнали. Вплив дощу, туману або пилу може р?зко зменшити д?апазон. Прост? модел? використовують закон пива (f_t = exp (- r/l_r)) для обчислення передач? на довжин? хвил? (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона.). Емп?ричн? досл?дження показують, що туман ? важка погода може р?зко знизити ймов?рн?сть виявлення нав?ть в ?Ч (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона.). Тепловий ?Ч стражда? менше в?д водяно? пари, н?ж видиме св?тло, але несприятлива погода все ще значно скорочу? д?апазон (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона) (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона).

• Фонова безлад: Високий - безладний фон ускладню? виявлення. Експерименти показують, що в сценах "низько? захаращення" пороги Джонсона можуть бути невеликими, як ~ 0,5 цикл?в для виявлення, але в сценах "високо? захаращення" протягом 2,5 цикл?в можуть знадобитися для виявлення 50% (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона.). На практиц? замаскований або в?зуально складний фон часто вимага? ц?льового контрасту або вир?шення значно вище м?н?муму Джонсона.

• Сигнал - Коеф?ц??нт шуму (SNR) та шум датчика: Теплов? детектори мають шум (NETD) та обмежений динам?чний д?апазон. Слабкий тепловий п?дпис або високий шум датчика ефективно п?дн?ма? необх?дн? цикли. Досл?дження п?дкреслюють, що низький д?? SNR, як розмиття: в?н пог?ршу? як?сть зображення та зменшу? ефективний д?апазон (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона).

Разом ц? фактори означають, що критер?? Джонсона дають ?деал?зован? д?апазони. Будь -який практичний розрахунок повинен включати атмосферу, ц?льовий контраст, шум датчика тощо. Наприклад, Леонардо ДРС зазнача?, що формули Джонсона припускають "багато сигналу" (хороший контраст ? низький шум) та прозорий пов?тря. Взагал?, р?вняння реал?стичного д?апазону помножу? просту формулу на видим?сть або терм?н передач? для врахування атмосфери.

Приклад розрахунк?в

Використовуючи вищезазначен? формули, можна оц?нити д?апазони D/R/I для задано? камери та ц?л?. Наприклад:

• Приклад: 2 м висота (h_o = 2 м) зображено тепловою камерою з f = 50 мм ? п?ксель p = 20 мкм (= 0,02 мм). Використовуючи пор?г циклу Джонсона для виявлення,

  $$R _ {\ rm det} = \ frac {2 \, \ text {m} \ times 50 \, \ text {mm}} {2 \ times 0.02 \, \ text {mm} \ times 1} \ приблизно 2500 \ \ text {m}.$$

  Для розп?знавання (≈3 цикл?в) та ?дентиф?кац?? (≈6 цикл?в) д?апазони стають ≈833 м та ≈417 м в?дпов?дно (оск?льки $ r \ propto1/n $).

• Приклад виробника: Прим?тка до програми Leonardo DRS да? людську ц?ль (критичний розм?р ~ 0,95 м) та камеру з 17 мкм п?ксел?в та 16,75 мм фокусна в?дстань. Для завдання 3 - розп?знавання циклу вони обчислюють 50% д?апазону виявлення близько 157 м. (З тими ж числами, наша формула да? $ r \ приблизно (0,95 \ рази 16,75)/(2 \ times0.017 \ times3) \ Принцип157 $ m, що в?дпов?да? ?х прикладу.)

• Типов? значення: В ?деальних умовах (хороший контраст, ч?тке пов?тря), правило Джонсона - - великого пальця прогнозу? виявлення людини на порядок дек?лькох к?лометр?в. Наприклад, одне джерело циту? ~ виявлення ~ 2000 м, ~ 667 м розп?знавання та ~ 333 м ?дентиф?кац?я для особи 1,8 м (Що таке DRI, ? на чому це базу?ться на розрахунку?).

Ц? приклади показують, як критер?? Джонсона можна безпосередньо застосовувати за допомогою просто? арифметики. Фактичн? д?апазони на практиц? часто нижч? за рахунок зазначених вище фактор?в.

Заявки

Критер?? Джонсона широко використовуються для розробки та оц?нки Системи теплово? в?зуал?зац?? на багатьох полях:

• В?йськов? та оборони: Техн?чн? характеристики датчик?в для н?чних - зору, терм?чн? приц?ли та спостереження часто перераховують д?апазони D/r/i на основ? критер??в Джонсона (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я.). Ц?льове придбання та визнання (друг проти ворога) вноч? покладаються на ц? оц?нки. Багато польових пос?бник?в та документ?в про закуп?вл? посилаються на 1 - 3 - 6 Правило - великого пальця для збро? - встановлен? ?Ч -приц?ли.

• Пошук та рятування / безпека: Ручн? або змонтован? теплов? камери, що використовуються для пошуку втрачених ос?б, або мон?торингу периметр?в, також використовують показники DRI. Наприклад, рятувальн? групи можуть зажадати камери, яка може виявляти людина на 1 км ? визнати на 400 м. Критер?? Джонсона забезпечують базову л?н?ю для таких специф?кац?й.

• Спостереження та правоохоронн? органи: Системи прикордонного патруля, мон?торинг дико? природи та системи виявлення вторгнень використовують ц? критер??, щоб передбачити, наск?льки далек? датчик може забрати людину чи транспортний зас?б вноч?. (Деяк? стандарти формал?зують завдання Джонсона; наприклад, НАТО використову? класиф?кац?ю D, R, I у вимогах в?зуал?зац??.)

У кожному випадку критер?? Джонсона допомагають перекладати параметри датчика (розд?льна здатн?сть, оптика, розм?р п?ксел?в) в ?нту?тивну метрику продуктивност? (д?апазон для виявлення або визначення типово? ц?л?).

Обмеження та сучасн? адаптац??

Незважаючи на свою корисн?сть, критер?? Джонсона мають важливе значення обмеження. Це емп?рична, ?деал?зована модель, яка опуска? багато реальних - св?тових ефект?в:

• Спрощен? умови: В?н передбача? р?вном?рний фон, достатн?й ц?льовий контраст та колодязь - кал?брований спостер?гач. В?н не врахову? безладу або камуфляжу. На практиц? ц?ль проти складного фону може зажадати б?льше вир?шення, н?ж ном?нальн? ц?нност? Джонсона (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона).

• ?гнору? ефекти навколишнього середовища: Ориг?нальн? критер?? не включають погоду чи аттентац?ю атмосфери. Досл?дження п?дкреслюють це Нема? просто? модел? Повн?стю ф?ксу? ефекти туману, дощу та диму (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона) (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона.). Сучасн? системи часто помножуються на терм?н передач? атмосфери або використовують емп?ричн? модел? видимост?.

• Людськ? фактори: Робота Джонсона використовувала дек?лькох п?дготовлених спостер?гач?в в контрольованих умовах; В?н ?гнору? зм?ни в тренуванн? спостер?гач?в, уваги, втом? тощо. Може бути значн? в?дм?нност? м?ж особами у фактичн?й ймов?рност? виявлення (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона).

• Сигнал ? обробка: Модель тракту? зображення так, н?би обмежене лише геометр??ю (п?ксел?в та оптики). В?н не включа? шум датчика (NETD), динам?чний д?апазон або вдосконалення обробки зображень. Будь -як? алгоритми заточення на борту або в?део можуть покращити ефективне вир?шення, тобто реальн? камери часто перевершують гол? меж? Джонсона.

• Ймов?рн?сть фокусу: Критер?? визначаються на ~ 50% ймов?рност?. Вони не описують, як покращу?ться продуктивн?сть за допомогою б?льшо? розд?льно? здатност? поза межею, а також не ф?ксу? помилков? - швидкост? тривоги або крив? ROC.

Через ц? прогалини сучасн? модел? продуктивност? д?апазону розширюють п?дх?д Джонсона. Наприклад, арм?я США Набувати Методолог?я регулю? вимоги до циклу (0,75 цикл?в для виявлення тощо) на основ? б?льш широкого тестування (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона.). Зараз багато ?нструмент?в анал?зу явно ?нтегрують MTF, SNR та атмосферн? модел?. Деяк? включають ослаблення пива -тламберта (як у J - Ф?льм/T - Met модел? (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона)) або метрики безладу. ?нш? зам?нюють жорстк? пороги на теор?ю статистичного виявлення (наприклад, використовуючи характеристики експлуатац?йних характеристик приймача). Тим не менш, критер?? Джонсона залишаються фундаментальною концепц??ю та швидким першим - пос?бником з замовлення на теплов? в?зуал?зац??.

П?дсумовуючиКритер?? Джонсона пов'язують просторову розд?льну здатн?сть ?нфрачервоного датчика до практичних завдань побачити ц?ль. Висловлюючи виявлення, розп?знавання та ?дентиф?кац?ю з точки зору "пар л?н?й на ц?л?", в?н нада? ?нженерам простий спос?б обчислення того, наск?льки дана камера може виконувати кожне завдання в ?деальних умовах (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) (Фундаментальний анал?з системи в?зуал?зац?? для автономних транспортних засоб?в.). Хоча треба враховувати реальн? - св?тов? фактори в будь -якому детальному дизайн?, критер?? Джонсона все ще лежать в основ? б?льшост? специф?кац?й теплово? камери та оц?нки продуктивност? сьогодн? (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона).

Джерела: Ключов? визначення та ц?нност? - з ориг?нально? роботи Джонсона (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) ? резюме в л?тератур? (Критер?? Джонсона - В?к?пед?я) (Що таке DRI, ? на чому це базу?ться на розрахунку?.). Розрахунки д?апазону виявлення випливають з тонких - формул об'?ктива в анал?з? в?зуал?зац?? (Фундаментальний анал?з системи в?зуал?зац?? для автономних транспортних засоб?в.). Ефекти навколишнього середовища та безладу задокументован? в досл?дженн? наступних -?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона) (?стор?я та еволюц?я критер??в Джонсона.). Практичн? приклади та припущення надходять з виробник?в та техн?чних зв?т?в (Що таке DRI, ? на чому це базу?ться на розрахунку?).