Simulation elektro-optischer Systeme

Leistungsbewertung elektro-optischer Systeme durch Bildsimulationen

Das Fraunhofer IOSB entwickelt und verwendet verschiedene Arten von Software zur Bildsimulation, um die Leistungsfähigkeit von Wärmebildkameras und aktiven elektro-optischen Systemen zu untersuchen. Basierend auf einem hochaufgelösten Eingabebild der betrachteten Szene, erzeugen diese Simulationen Bilder, welche ein definiertes elektro-optisches System ausgeben würde. Hierzu wird das Eingabebild Schritt für Schritt gemäß den Effekten jeder Komponente der Abbildungskette modifiziert. Abhängig vom betrachteten Spektralband können die Pixelwerte des Eingabebildes den Temperaturen der Objekte in der Szene entsprechen oder müssen aus den Reflektivitätseigenschaften der Objekte und der Beleuchtungsquellen berechnet werden.

Für die Leistungsbewertung von elektro-optischen Systemen haben Bildsimulationen Vor- und Nachteile gegenüber analytischen Modellen wie TRM4. Dabei ergeben sich die größten Vorteile aus der Nutzung von Bilddaten, was sowohl eine realistische Simulation anisoplanatischer und statistischer Effekte wie der Turbulenz als auch die Simulation von erweiterten digitalen Signalverarbeitungsverfahren ermöglicht. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der elektro-optischen Systeme muss jedoch die Qualität der resultierenden Bilder bestimmt werden, was eine Kunst für sich ist. Während Bildqualitätsmetriken eingesetzt werden können, um eine Reihenfolge für die Qualität der Bilder und damit auch die Leistungsfähigkeit der elektro-optischen Systeme festzulegen, ist die Berechnung der Reichweitenleistung komplexer, da hierfür ein realistisches Modell des menschlichen Wahrnehmungsprozesses für das betrachtete Szenario erforderlich ist.

Details zu unseren Bildsimulationen #

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Simuliertes Ausgabebild eines scannenden Wärmebildgerätes.
Simuliertes Ausgabebild eines scannenden Wärmebildgerätes.
Simuliertes Ausgabebild eines starrenden Wärmebildgerätes.
Simuliertes Ausgabebild eines starrenden Wärmebildgerätes.

OSIS ist eine Software für die Bildsimulation von passiven Bildgebungssysteme, d.h. Systeme ohne eingebaute Beleuchtungsquelle. Derzeit ist OSIS auf die Bildgebung im thermischen Infrarot beschränkt. Die Spezifikation der Atmosphäre und des Bildgebungssystems wird mit den vielfältigen Auswahlmöglichkeiten der TRM4-Software vorgenommen und die entsprechende TRM4-Datei in die grafische Benutzeroberfläche von OSIS geladen. Innerhalb dieser grafischen Benutzeroberfläche kann der Nutzer weitere Eigenschaften definieren:

  • das Eingabebild, welches die beobachtete Szene darstellt (einschließlich der relevanten Metainformation, die mit einem zugehörigen Tagger editiert werden können);
  • individuelle optische Übertragungsfunktionen für Komponenten der Bildgebungskette,
  • erweiterte digitale Signalverarbeitungsverfahren, welche auf das Bild am Sensorausgang angewendet werden,
  • die Abstände zwischen Szene und Bildgebungssystem, für welche die Ausgabebilder simuliert werden sollen.

Anhand dieser Eingabedaten simuliert OSIS für jede Komponente des Bildgebungssystems einschließlich des Bildschirms das sich ergebende Bild. Diese Ausgabebilder können dann verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit des simulierten Bildgebungssystems für das betrachtete Szenario zu bewerten.

Ein Teil der Funktionalität von OSIS wird auch für den „bildbasierten“ Bewertungszweig des ECOMOS-Projekts (European Computer Model for Optronic System Performance Prediction) verwendet. ECOMOS ist ein neuartiger Ansatz zur Bewertung von elektro-optischen Systemen, mit dem sich auf lange Sicht auch der Einfluss von erweiterten digitalen Signalverarbeitungsverfahren auf die Leistungsfähigkeit beurteilen lassen wird. Weitere Informationen hierzu finden Sie in den Publikationen zu OSIS und ECOMOS  sowie auf der ECOMOS Webseite.

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Aktive elektro-optische Bildgebungssysteme verwenden eine eingebaute Lichtquelle, um den Kontrast zwischen dem beobachteten Objekt und seinem Hintergrund zu erhöhen. Bei der Lichtquelle handelt es sich normalerweise um einen Laser, dessen Kohärenz ein Specklemuster auf der Szene erzeugt, wenn das Laserlicht durch eine turbulente Atmosphäre hindurchgeht. Diese Art von Störung auf dem Kamerabild kann für mäßige bis starke Turbulenzbedingungen nicht durch Nutzung einer optischen Übertragungsfunktion simuliert werden. In diesen Fällen verwenden wir interne Simulationswerkzeuge, um den Lichtweg durch die Atmosphäre zu simulieren und realistische Turbulenzmuster auf der Szene zu erhalten. Durch Verwendung von Reflexionskarten der interessierenden Szene, wie sie beispielsweise mit der OKTAL-SE-Workbench erstellt werden können, lassen sich Szenenbilder in der Sensorebene simulieren, welche entsprechend der Sensoreigenschaften weiterverarbeitet werden können. Die von uns entwickelten Werkzeuge eignen sich auch zur Simulation von Gated-Viewing-Anwendungen.

Simulierte Videoausgabe eines aktiven Bildgebungssystems für eine Szene mit moderaten Turbulenzbedingungen.

Weitere Informationen#

Sensorsimulation

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