微光电视成像中的光晕仿真方法与流程

本发明属于计算机仿真技术领域，特别涉及一种微光电视成像中的光晕仿真方法，可用于强光源下的微光场景目标识别领域。

背景技术：

当强光源，如路灯、车灯、照明弹等出现在微光电视系统视场内时，系统输出图像上该光点周围会形成光晕。光晕上的局部强光会掩盖周围弱信号，直接影响系统的成像分辨率和信噪比；而且在光源尺寸、观测距离等因素不变的同一观测条件下，不同型号成像系统输出图像上光晕的尺寸不同。因此，研究光晕的定量表征及其仿真方法对于在强光源下目标的识别，图像分辨率和信噪比的提高等都有重要的实用价值。

近年来，国内外学者对微光电视成像中的光晕主要进行了以下两个方面的研究：(1)通过用空心管代替微通道管，在不同光源下进行实验，分析影响系统输出图像中光晕的主要因素；(2)通过改变光源，改变像增强器的参数等条件进行实验，研究影响光晕尺寸的因素。在这些文献中，都没有进一步研究系统输出图像中光晕的精确定量表征，从而造成微光电视成像仿真输出图像的精确度低和光源适用范围小的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种微光电视成像中的光晕仿真方法，以给出图像中光晕的定量表征，提高微光电视成像仿真输出图像的精确度，扩大微光电视成像仿真光源的适用范围。

实现本发明目的的技术解决方案是：根据微光电视成像系统光电转换原理、微通道板散射理论来分析由强光源产生的电子运动到微通道板的运动规律；依据能量守恒定律，计算电子在微通道板表面不同运动状态下，碰撞电子的偏移距离和每个像素位置接收的电子数；结合系统电压信号转换原理及灰度量化原理，计算这些电子在输出图像上产生的灰度值，得到这些灰度值的空间环形分布，即为光晕图像。其实现步骤包括如下：

(1)输入强光源和光学透镜、光电阴极、电子透镜、微通道板、荧光屏这些构成微光电视成像器件的标定参数，利用3dmax软件生成强光源和微光电视成像器件的三维模型，并将该三维模型导入基于ogre的三维场景仿真程序中，生成微光三维场景；

(2)根据微光三维场景中的表面材质反射率ρ和背景光的光照度e，以及强光源的光亮度l，计算光学透镜表面的光亮度la(i，j)，其中(i，j)为光学透镜表面面元的二维坐标；

(3)根据光学透镜表面的光亮度la(i，j)，通过光电转换计算光电阴极表面受到光照产生的电子数n(i，j)；

(4)根据能量守恒定律，计算光电阴极表面电子经过电子透镜到达微通道板时偏移距离s1(i，j)；

(5)根据微通道板散射理论，计算到达微通道板的电子经过微通道板多次散射后产生的偏移距离s(i，j)；根据荧光屏像素点的二维分布，计算该偏移距离对应荧光屏的每个像素点位置(x，y)，并统计每个像素点位置所接收的电子数ne(x，y)，其中(x，y)为荧光屏表面所有像素点的二维坐标；

(6)根据对应荧光屏的每个像素点位置所接收的电子数ne(x，y)，通过荧光屏的电光转换计算荧光屏上所有像素点的灰度值gray(x，y)，这些灰度值在荧光屏表面的二维坐标中心点附近形成一种环状分布，这种环状分布即为光晕图像，并输出。

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

1.本发明充分考虑了电子到达微通道板的不同运动状态，通过电压量化来实现光晕的仿真，因而能够精确地仿真微光电视成像中的光晕现象；

2.本发明是在标定强光源和微光电视成像器件参数的环境下生成微光三维场景，因此针对不同的强光源，可以通过改变标定参数以匹配微光电视成像条件来实现其对应的仿真，扩大了微光电视成像仿真光源的适用范围。

发明附图说明

图1为本发明的总流程图；

图2为本发明中步骤4电子在电子透镜与微通道板之间的运动示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明微光电视成像中的光晕仿真方法的详细实施过程如下：

步骤1.生成微光三维场景。

输入强光源和光学透镜、光电阴极、电子透镜、微通道板、荧光屏这些构成微光电视成像器件的标定参数，利用3dmax软件生成强光源和微光电视成像器件的三维模型，并将该三维模型导入基于ogre的三维场景仿真程序中，生成微光三维场景。

步骤2.计算光学透镜表面的光亮度。

(2a)根据强光源的光亮度l，依据光度学公式计算强光源在光学透镜表面面元处的光照度ei(i，j)

ei(i，j)＝lacosθicosθj12]]>

其中(i，j)为光学透镜表面面元的二维坐标，a表示强光源面积，θi表示微光三维场景中的表面面元法线与强光源在光学透镜表面面元处的入射光线之间的夹角，θj表示强光源表面面元法线与强光源在光学透镜表面面元处的入射光线之间的夹角，l表示强光源与光学透镜表面之间的距离；

(2b)根据微光三维场景中的表面材质反射率ρ、背景光的光照度e和强光源在光学透镜表面处光照度e1，通过反射光定律计算光学透镜表面的光亮度la

la＝ρ(ei+e)/π，

(2c)结合(2a)和(2b)，计算光学透镜表面的光亮度la(i，j)

la(i，j)＝ρ(lacosθicosθjl2+e)/π.]]>

步骤3.计算光电阴极表面产生的电子数。

根据光学透镜表面的光亮度la(i，j)，依据光电转换公式计算光电阴极表面受到光照产生的电子数n(i，j)：

n(i，j)＝π4(dff)2la(i，j)τ&centerdot；sk，]]>

其中df表示系统光学系统有效孔径，f表示光学系统焦距，τ表示光学透镜透过率，sk表示光电阴极灵敏度。

步骤4.计算电子到达微通道板时的偏移距离。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

(4a)，根据能量守恒定律，计算光电阴极表面电子经过电子透镜到达微通道板时的速度v1(i，j)和该速度与电子透镜法线的夹角θ1(i，j)：

v1(i，j)＝v02+2eume]]>

θ1(i，j)＝arctanv0sinθ0(v0cosθ0)2+2eume，]]>

其中v0、θ0分别表示光电阴极表面产生电子的初始速度和初始角度，e表示单个电子的电荷量，me表示单个电子的质量，u表示电子透镜与微通道板间的工作电压；

(4b)根据电子到达微通道板时的速度v1(i，j)和该速度与电子透镜法线的夹角θ1(i，j)，通过能量守恒定律计算其到达微通道板时的偏移距离s1(i，j)：

s1(i，j)＝(v1(i，j)cosθ1(i，j)-v0cosθ0)mev0sinθ0deu，]]>

其中，d表示电子透镜与微通道板之间的距离。

步骤5.统计每个像素点位置所接收的电子数。

(5a)根据电子到达微通道板时的速度与电子透镜法线的夹角θ1(i，j)，通过微通道板散射理论，计算电子进入微通道板发生一次碰撞的偏移距离s2：

s2＝2mev02+2eumesinθ1(i，j)eu，]]>

其中me表示单个电子的质量，v0表示光电阴极表面产生电子的初始速度，e表示单个电子的电荷量，u表示电子透镜与微通道板间的工作电压；

(5b)根据电子到达微通道板时的偏移距离s1(i，j)、进入微通道板发生一次碰撞的偏移距离s2和碰撞次数n，计算电子经过微通道板多次散射后产生的偏移距离s(i，j)：

s(i，j)＝s1(i，j)+n·s2，

(5c)将(4b)中s1(i，j)和(5a)中s2的表达式代入(5b)的表达式，计算电子经过微通道板多次散射后产生的偏移距离s(i，j)：

s(i，j)＝(v1(i，j)cosθ(i，j)-v0cosθ0)mev0sinθ0deu+2nmev02+2eumesinθ1(i，j)eu，]]>

其中，v0、θ0分别表示光电阴极表面产生电子的初始速度和初始角度，me表示单个电子的质量，e表示单个电子的电荷量，u表示电子透镜与微通道板间的工作电压，d表示电子透镜与微通道板之间距离，n表示电子与微通道板非开口壁发生碰撞的次数，取值为自然数。

(5d)根据荧光屏像素点的二维分布，通过如下公式计算到达微通道板的电子经过微通道板多次散射后产生的偏移距离s(i，j)对应荧光屏的每个像素点位置(x，y)：

|(xdw)2+(ydh)2-s(i，j)|<δ，]]>

其中，dw表示荧光屏单个像素的宽度，dh表示荧光屏单个像素的高度，δ＝min(dw，dh)，s(i，j)表示偏移距离；

(5e)统计每个像素点位置所接收的电子数ne(x，y)。

步骤6.计算荧光屏上所有像素点的灰度值。

(6a)根据对应荧光屏的每个像素点位置所接收的电子数ne(x，y)，通过电压信号转换公式计算每个像素点的量化电压v(x，y)：

v(x，y)＝π4τe(defe)2r&centerdot；as&centerdot；gv&centerdot；v&centerdot；g&centerdot；k&centerdot；ne(x，y)&centerdot；e/a2，]]>

其中τe表示耦合透镜的透过率，de表示耦合透镜有效孔径，fe表示耦合透镜焦距，r表示探测器响应率，as表示有效光敏元面积，gv表示视频信号放大倍数，v表示电子透镜的工作电压，g表示微通道板的增益，k表示荧光屏光视效能，a表示电子光学放大倍数，ne(x，y)表示每个像素位置所接收的电子数，e表示单个电子的电荷量；

(6b)根据每个像素点的量化电压v(x，y)，计算每个像素点的灰度值gray(x，y)：

gray(x，y)＝255vmax-vminv(x，y)，]]>

其中，vmax和vmin分别表示所有像素点的量化电压的最大值和最小值；

(6c)所有像素点的灰度值在荧光屏表面的二维坐标中心点附近形成一种环状分布，这种环状分布即为输出的光晕图像。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。