約翰遜的熱成像檢測和識別標(biāo)準(zhǔn)

歷史背景：在1950年代後期，美國陸軍的約翰·W·約翰遜（John W.約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）。在他的1958年論文中“圖像形成系統(tǒng)的分析”約翰遜報(bào)導(dǎo)了不同任務(wù)所需的經(jīng)驗(yàn)閾值（目標(biāo)對的線對）（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）。這被稱為約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)。它通過允許工程師預(yù)測在給定條件下可以看到，識別或確定目標(biāo)的距離來徹底改變傳感器設(shè)計(jì)（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）。使用這些標(biāo)準(zhǔn)，後來開發(fā)了許多預(yù)測模型，以在不同的操作條件下對傳感器的性能進(jìn)行評分（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科).

檢測，識別和識別（DRI）任務(wù)

約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)定義了三個(gè)主要的視覺任務(wù)：

• 檢測：觀察者只是注意到存在對象。 （在這個(gè)級別上，可能只會看到場景中的“斑點(diǎn)”或變化。）約翰遜發(fā)現(xiàn)，檢測需要1.0±0.25線對跨目標(biāo)（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科).

• 識別：觀察者可以告訴一般對像類型（例如，將人與車輛區(qū)分開）。這需要更多細(xì)節(jié) - 最初4.0±0.8線對(約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科).

• 識別：觀察者可以識別特定對象（例如特定的車輛模型或特定人員）。這是最艱鉅的任務(wù)，需要6.4±1.5線對(約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科).

（約翰遜還指出了?1.4行對的中間“方向”步驟（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科），但是現(xiàn)代討論通常集中在DRI任務(wù)上。約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）。在現(xiàn)代的熱成像規(guī)範(fàn)中，這些閾值通常被四捨五入為1、3和6個(gè)週期，以進(jìn)行50％的概率執(zhí)行任務(wù)（什麼是DRI，基於計(jì)算是什麼？).

(自由人剪影矢量藝術(shù)-下載17,246+ MAN Silhouette圖標(biāo)和圖形- Pixabay)數(shù)字：人類-形狀的靶標(biāo)在觀察中。在遠(yuǎn)處，目標(biāo)僅產(chǎn)生深色輪廓（足以檢測）；隨著分辨率（或接近度）的增加，面部和衣服特徵出現(xiàn)，可以識別並最終完全識別。約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)量化了每個(gè)階段需要多少個(gè)細(xì)節(jié)對（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）（什麼是DRI，基於計(jì)算是什麼？).

約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)（解決閾值）

約翰遜的原始標(biāo)準(zhǔn)通常被總結(jié)為每項(xiàng)任務(wù)成功率50％的50％（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科):

• 檢測（對象存在）：目標(biāo)對?1.0線對（50％概率）（概率）（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科).

• 識別（對像類）：目標(biāo)上的?4.0行對（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科).

• 識別（特定對象）：目標(biāo)?6.4行對（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科).

這些值假設(shè)高目標(biāo)-背景對比度和理想的觀察者。 （每個(gè)行對等於兩個(gè)傳感器像素，例如，1.0線對≈2個(gè)像素跨目標(biāo)寬度（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）。）許多系統(tǒng)都引用了1 - 3 - 6個(gè)週期（線對）的簡化“ DRI”數(shù)字分別用於檢測-識別-識別（什麼是DRI，基於計(jì)算是什麼？）。例如，北約指南使用大約1個(gè)週期進(jìn)行檢測，3用於識別，而6進(jìn)行識別（什麼是DRI，基於計(jì)算是什麼？）。 （美國陸軍的最新收購標(biāo)準(zhǔn)甚至使用0.75、1.5、3和6個(gè)週期來檢測，分類，識別，識別，反映精緻任務(wù)（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）。

約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常出現(xiàn)在概率上：N在目標(biāo)上的循環(huán)，有一個(gè)相應(yīng)的概率可以正確執(zhí)行每個(gè)任務(wù)（通常是Sigmoid -喜歡，在表格閾值下為50％）。但是，它最常用作與任務(wù)所需的解決方案有關(guān)的“經(jīng)驗(yàn)法則”。

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（分辨率和範(fàn)圍）

跨目標(biāo)的可分離循環(huán)的數(shù)量取決於目標(biāo)的大小，範(fàn)圍，傳感器光學(xué)元件和像素大小。對於簡單的針孔或薄鏡頭模型（小-角度近似），一個(gè)人找到（自動駕駛汽車的基本成像系統(tǒng)分析):

在哪裡n是目標(biāo)上的周期數(shù)，H_O是目標(biāo)的特徵大小（M），f是鏡頭焦距（與像素螺距相同的單元），p是像素間距（像素中心之間的距離），並且R是目標(biāo)的範(fàn)圍。該公式捕獲直觀效果：較大的目標(biāo)（或更長的焦距）增加n，而較大的像素或更長的範(fàn)圍會減少n(自動駕駛汽車的基本成像系統(tǒng)分析）。如果N需要（從約翰遜的表格）進(jìn)行某個(gè)任務(wù)，需要循環(huán)，可以將檢測範(fàn)圍解決為

例如，將目標(biāo)大小或焦距加倍，使固定的檢測範(fàn)圍增加一倍N(自動駕駛汽車的基本成像系統(tǒng)分析）。同樣，將像素螺距（即較高傳感器分辨率）減半。這些公式通常由熱攝像機(jī)規(guī)格-表-在理想條件下估算D/R/I範(fàn)圍。

影響檢測範(fàn)圍的因素

上面的簡單範(fàn)圍公式假定了完美的對比度和清晰的條件。實(shí)際上，許多因素會影響檢測和識別範(fàn)圍：

• 目標(biāo)尺寸和對比：更大的（較高或更寬）的目標(biāo)在更大的距離上可見；同樣，具有較高紅外對比度的目標(biāo)（例如，比背景更熱與涼爽）更容易檢測到。對於熱攝像機(jī)，一個(gè)共同的假設(shè)是與可靠檢測的背景相比約2°C的溫度差。較小或低-對比目標(biāo)需要更多的周期（因此更接近範(fàn)圍）。

• 傳感器分辨率和光學(xué)器件：如前所述，更精細(xì)的像素（較小p）和更長的焦距f增加範(fàn)圍。同樣，傳感器的調(diào)製傳輸函數(shù)（MTF）和光學(xué)質(zhì)量會影響細(xì)節(jié)的傳遞方式。用約翰遜的話說，更好的光學(xué)（高級MTF）有效地減少了給定任務(wù)的所需週期（自動駕駛汽車的基本成像系統(tǒng)分析).

• 大氣條件：實(shí)際氣氛減弱紅外信號。雨，霧或灰塵的影響可以大大減少範(fàn)圍。簡單模型使用啤酒定律（f_t = exp（- r/l_r））在波長處計(jì)算傳輸（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）。實(shí)證研究表明，即使在IR中，霧氣和嚴(yán)重的天氣也可以大大降低檢測概率（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）。與可見光相比，熱率的水蒸氣少於水蒸氣，但不利天氣仍然會縮短範(fàn)圍（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變).

• 背景混亂：高-混亂背景使檢測更加困難。實(shí)驗(yàn)表明，在“低雜物”場景中，約翰遜的閾值可能小於?0.5個(gè)週期以進(jìn)行檢測，但是在50％的檢測中可能需要超過2.5個(gè)週期的“高雜物”場景（檢測）（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）。實(shí)際上，偽裝或視覺上複雜的背景通常需要目標(biāo)對比或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過約翰遜的最低限度。

• 信號-與-噪聲比（SNR）和傳感器噪聲：熱探測器具有噪聲（NETD）和有限的動態(tài)範(fàn)圍。弱的熱特徵或高傳感器噪聲有效地提高了所需的周期。研究強(qiáng)調(diào)，低SNR的作用像模糊：它降低了圖像質(zhì)量並降低了有效範(fàn)圍（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變).

這些因素在一起意味著約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)提供了理想化的範(fàn)圍。任何實(shí)用的計(jì)算都必須包括大氣透射率，目標(biāo)對比度，傳感器噪聲等。例如，萊昂納多DRS指出，約翰遜的公式假設(shè)“大量信號”（良好的對比度和低噪聲）和清除空氣。通常，現(xiàn)實(shí)的範(fàn)圍方程將簡單公式乘以可見性或傳輸項(xiàng)以說明氣氛。

示例計(jì)算

使用上述公式，可以估算給定相機(jī)和目標(biāo)的D/R/I範(fàn)圍。例如：

• 例子：一個(gè)2m高的人（H_O= 2m）由帶有的熱攝像機(jī)成像f= 50mm和像素螺距p= 20μm（= 0.02mm）。使用約翰遜的1 -週期閾值進(jìn)行檢測，

  $$r _ {\ rm det} = \ frac {2 \，\ text {m} \ times 50 \，\ text {mm}} {2 \ times 0.02 \，\ text {mm} \ times {mm} \ times 1} \ times 1} \ oft 2500 \\ oft 2500 \\ oft text {m}。$$

  對於識別（≈3個(gè)週期）和識別（≈6個(gè)週期），範(fàn)圍分別為≈833m和≈4.17億（由於$ r \ propto1/n $）。

• 製造商示例：Leonardo DRS應(yīng)用程序註釋給出了人體目標(biāo)（臨界尺寸?0.95m）和具有17μm像素和16.75毫米焦距的攝像頭。對於3 -週期識別任務(wù)，他們計(jì)算了約1.57億的50％檢測範(fàn)圍。 （使用相同的數(shù)字，我們的公式產(chǎn)生$ r \ of（0.95 \ times 16.75）/（2 \ times0.017 \ times3）\ oft157 $ m，與他們的示例匹配。）

• 典型值：在理想的條件下（良好的對比度，清除空氣），約翰遜的規(guī)則- thumb的規(guī)則可以預(yù)測人類以幾公里為單位的偵查。例如，一個(gè)來源引用了?2000m的檢測，?6.67億次識別和約333m的識別（180萬人）（什麼是DRI，基於計(jì)算是什麼？).

這些示例顯示瞭如何以簡單的算術(shù)直接應(yīng)用約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，由於上??述因素，實(shí)際範(fàn)圍通常較低。

申請

約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)廣泛用於設(shè)計(jì)和評估許多領(lǐng)域的熱成像系統(tǒng)：

• 軍事和防禦：夜間傳感器規(guī)格-視覺示波，熱瞄準(zhǔn)器和監(jiān)視通常根據(jù)約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)列出D/R/I範(fàn)圍（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）。夜間目標(biāo)獲取和認(rèn)可（朋友與敵人）依賴於這些估計(jì)。許多現(xiàn)場手冊和採購文件都引用了1 - 3 - 6規(guī)則- thumb thumb thumb thubs themed IR瞄準(zhǔn)器。

• 搜救 /安全性：用於查找失落的人或監(jiān)視外圍的手持或固定的熱攝像機(jī)也使用DRI指標(biāo)。例如，救援隊(duì)可能需要一個(gè)可以探測1公里處的人認(rèn)出在400m。約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)為此類規(guī)格提供了基準(zhǔn)。

• 監(jiān)視和執(zhí)法：邊境巡邏，野生動植物監(jiān)測和入侵檢測系統(tǒng)使用這些標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)測傳感器可以在晚上撿起人或車輛的距離。 （某些標(biāo)準(zhǔn)將約翰遜任務(wù)正式化；例如，北約在成像要求中使用D，R，I分類。）

在每種情況下，約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)都有助於將傳感器參數(shù)（分辨率，光學(xué)，像素大?。┺D(zhuǎn)化為直觀的性能度量標(biāo)準(zhǔn)（範(fàn)圍檢測或識別典型目標(biāo)）。

局限性和現(xiàn)代改編

儘管有用，但約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)仍有重要的局限性。這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，理想化的模型，省略了許多真實(shí)的世界效果：

• 簡化條件：它假定背景均勻，目標(biāo)對比度充足，並且校準(zhǔn)了良好的觀察者。它不考慮混亂或偽裝。實(shí)際上，針對複雜背景的目標(biāo)可能比約翰遜的名義價(jià)值更需要分辨率（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變).

• 忽略環(huán)境影響：原始標(biāo)準(zhǔn)不包括天氣或大氣衰減。研究強(qiáng)調(diào)，沒有簡單模型完全捕獲霧，雨和煙霧效應(yīng)（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）。現(xiàn)代系統(tǒng)通常乘以大氣傳輸項(xiàng)或使用經(jīng)驗(yàn)可見性模型。

• 人為因素：約翰遜的工作在受控條件下使用了一些受過訓(xùn)練的觀察員。它忽略了觀察者訓(xùn)練，注意力，疲勞等的變化。在實(shí)際檢測概率中，個(gè)體之間可能存在顯著差異（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變).

• 信號和處理：該模型將圖像視為僅受幾何（像素和光學(xué)元件）的限制。它不包含傳感器噪聲（NETD），動態(tài)範(fàn)圍或圖像處理增強(qiáng)功能。任何船上的銳化或視頻算法都可以改善有效的分辨率，這意味著真正的攝像頭通常優(yōu)於裸露的約翰遜限制。

• 概率重點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)定義為?50％的概率。他們沒有描述績效如何通過超出閾值的更高分辨率來提高，也不會捕獲虛假-警報(bào)率或ROC曲線。

由於這些差距，現(xiàn)代範(fàn)圍的性能模型擴(kuò)展了約翰遜的方法。例如，美國陸軍的獲取方法可以根據(jù)更廣泛的測試來調(diào)整週期要求（0.75個(gè)週期的檢測週期等）（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）?，F(xiàn)在，許多分析工具現(xiàn)在明確整合MTF，SNR和大氣模型。其中一些包括啤酒 - 拉姆伯特衰減（如J - Movie/T - Met Model模型（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）或混亂指標(biāo)。其他人則用統(tǒng)計(jì)檢測理論代替硬閾值（例如，使用接收器操作特徵曲線）。儘管如此，約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)仍然是基礎(chǔ)概念，並且是熱成像範(fàn)圍的快速訂購指南。

總之，約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)將紅外傳感器的空間分辨率與看到目標(biāo)的實(shí)際任務(wù)聯(lián)繫起來。通過用“目標(biāo)線對”來表達(dá)檢測，識別和識別，它為工程師提供了一種直接的方法，可以計(jì)算給定相機(jī)在理想條件下可以執(zhí)行每個(gè)任務(wù)的距離（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）（自動駕駛汽車的基本成像系統(tǒng)分析）。雖然必須在任何詳細(xì)的設(shè)計(jì)中考慮到真正的世界因素，但約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)仍然是當(dāng)今大多數(shù)熱攝像機(jī)規(guī)範(fàn)和性能估算的基礎(chǔ)（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變).

資料來源：關(guān)鍵定義和價(jià)值來自約翰遜的原始作品（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）和文獻(xiàn)中的摘要（約翰遜的標(biāo)準(zhǔn)-維基百科）（什麼是DRI，基於計(jì)算是什麼？）。檢測範(fàn)圍計(jì)算遵循成像分析中的薄-鏡頭公式（自動駕駛汽車的基本成像系統(tǒng)分析）。在後續(xù)研究中記錄了環(huán)境和雜物效應(yīng)（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）（約翰遜標(biāo)準(zhǔn)的歷史和演變）。實(shí)際示例和假設(shè)來自製造商和技術(shù)報(bào)告（什麼是DRI，基於計(jì)算是什麼？).