Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

TRM4 und bildbasierte Simulationen

Werkzeuge zur Entwicklung und Leistungsbeurteilung moderner optronischer Kamerasysteme

 

TRM4.v2 Benutzeroberfläche mit beispielhaften Berechnungen und deren Ergebnissen.

Abb. 1: TRM4.v2 Benutzeroberfläche mit beispielhaften Berechnungen und deren Ergebnissen.

 

Entwicklung und Einsatz von modernen optronischen Kamerasystemen

Bei der Entwicklung und beim Einsatz von modernen optronischen Kamerasystemen muss eine Vielzahl von Faktoren beachtet werden. Nicht nur die Eigenschaften der Kamera alleine, sondern auch die vorherrschenden atmosphärischen Verhältnisse sowie das (momentane) Erscheinungsbild des beobachteten Objektes bestimmen die tatsächlich erzielbare Leistung.

Oft wird dabei nach der sogenannten »Reichweite« eines Systems bezüglich einer bestimmten Aufgabe gefragt. Diese Reichweite bezeichnet den maximalen Abstand, für welchen ein Beobachter unter Verwendung des Gesamtsystems Objekt - Atmosphäre - Kamerasystem (einschließlich eines eventuellen Bildschirms) die ihm zugewiesene Aufgabe (mit einer definierten Erfolgswahrscheinlichkeit) erfüllen kann.

Für ein noch in der Entwurfsphase befindliches System kann die Reichweite naturgemäß nicht durch Labor- oder Feldexperimente bestimmt werden, spielt aber doch eine wichtige Rolle bei der Auswahl geeigneter Komponenten. Auch später ist es häufig wünschenswert aufwendige Experimente zu vermeiden, falls beispielsweise überprüft werden soll, ob eine Kamera auch für ein anderes als das ursprünglich geplante Aufgabengebiet verwendbar ist.

 

Aufgabe

Abgesehen von Experimenten sind wesentliche Leistungsdaten von optronischen Systemen auch durch analytische Modelle und/oder bildhafte Simulationen zugänglich.

Analytische Modelle, wie TRM4, haben dabei den großen Vorteil, schnell Ergebnisse für eine Vielzahl von möglichen Systemkonfigurationen und Umweltverhältnissen zu liefern. Sie erfordern jedoch eine vergleichsweise abstrakte und vereinfachte Beschreibung der beobachteten Objekte und des menschlichen Wahrnehmungsprozesses.

Bildhafte Simulationen hingegen empfinden den Abbildungsprozess bildhaft nach und bieten eine größere Detailtreue hinsichtlich der Beobachtungsszenarien. Sie sind deswegen aber auch weitaus spezifischer und weniger leicht zu verallgemeinern. Zudem kann die Leistung von menschlichen Beobachtern nicht mehr ohne weiteres modelliert werden, weshalb die Auswertung des erzeugten Bildmaterials typischerweise in Beobachterversuchen erfolgen muss. Allerdings können so erzeugte Darstellungen auch als Eingangsdaten für die Simulation von fortgeschrittenen Bildverarbeitungsalgorithmen wie zum Beispiel Trackern und Objekterkennern dienen.

 

Das Softwarepaket TRM4

TRM (ursprünglich: »Thermisches ReichweitenModell«) wird bereits seit mehreren Jahrzenten am IOSB kontinuierlich weiterentwickelt. Während erste Versionen noch auf die Modellierung von Wärmebildgeräten beschränkt waren, ermöglicht das in 2010 erschienene TRM4.v1 die Leistungsbewertung von optronischen Systemen vom visuellen bis in den langwelligen infraroten Spektralbereich. Alle Komponenten der optronischen Kette vom Objekt über die Atmosphäre zum Kamerasystem und Display bis hin zum Beobachter können dabei vom Benutzer individuell konfiguriert werden. Das Programm enthält eine Bibliothek von generischen, spektral aufgelösten Beleuchtungsquellen, Objekt- und Hintergrundreflektivitäten, Detektorempfindlichkeiten und mehr.

Die Berechnung der Reichweitenleistung in TRM4 basiert auf modifizierten Johnson-Kriterien. Hierbei werden tatsächliche Zielobjekte durch Balkenmuster ersetzt, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Größe, Anzahl der Linienpaare und Signaldifferenz des Balkenmusters ist durch das Objekt und die Art der zu lösenden Aufgabe (Detektion, Erkennung, Identifikation) bestimmt. Die Reichweitenleistung ergibt sich als der maximale Abstand für welchen der Beobachter das äquivalente Balkenmuster gerade noch auflösen kann.

Der TRM4-Bewertungsansatz ist eng mit der Gerätemessgröße MTDP (Minimum Temperature Difference Perceived) für Wärmebildgeräte verknüpft. Diese definiert die minimale Temperaturdifferenz eines 4-Balkenmusters mit gegebener Raumfrequenz, bei welcher ein Beobachter mit dem Wärmebildgerät die Modulation des Balkenmusters gerade noch wahrnehmen kann (siehe Referenz [1] für eine Beschreibung der MTDP-Messung). Gemessene MTDP-Werte können direkt in TRM4 zur Berechnung der Reichweitenleistung genutzt werden, ebenso lässt sich die MTDP mit TRM4 vorhersagen.

Die ursprüngliche Darlegung des TRM-Ansatzes zur Leistungsbewertung optronischer Systeme sowie einen Überblick über die neueste Version, TRM4.v2, sind in Referenzen [2,3] zu finden.

 

Abb.2: Ersetzung eines Objekts durch äquivalente Balkenpaare (Johnson-Kriterien)

 

TRM4 ist eines der Modelle welches in ECOMOS (European Computer Model for Optronic System Performance Prediction) integriert werden. Mehr Informationen zu dem europäischen ECOMOS Projekt können der entsprechenden ECOMOS Homepage entnommen werden.

Neben der TRM4-Anwendungssoftware mit graphischer Benutzeroberfläche, welche kostenlos verteilt wird, bietet das Fraunhofer IOSB auch kundenspezifische TRM4.v2 Versionen an, die in Nutzeranwendungen eingebunden oder im Batchbetrieb genutzt werden können.

 

Bildbasierte Simulationen am Fraunhofer IOSB

Das Fraunhofer IOSB entwickelt und nutzt unterschiedliche bildbasierte Simulationen zur Leistungsbewertung von Wärmebildgeräten und aktiven optronischen Systemen. Dabei werden die Effekte der einzelnen Komponenten der optronischen Kette simuliert in dem ein hochaufgelöstes Eingangsbild, welches die Szene beschreibt, schrittweise verschlechtert bzw. verändert wird [4]. Im Wesentlichen wird dieselbe Modellierungskette und, wo möglich, auch dieselbe mathematische Verfahrensweise wie in TRM angewendet. Abbildung 3 zeigt beispielhaft die Ergebnisse einer solchen bildbasierten Simulation für ein scannendes (rechts oben) und starrendes Wärmebildgerät (rechts unten). In beiden Fällen wurde als Eingangsszene das in Abbildung 3 (links) gezeigte Bild genutzt.

 

Abb. 3: Bildbasierte Simulationen nutzen Eingangsbilder (links), welche die betrachteten Szenen darstellen, um dazugehörige Ausgabebilder einer Wärmebildkamera zu berechnen. Auf der rechten Seite sind die Ausgabebilder für ein scannendes (oben) und starrendes (unten) Wärmebildgerät gezeigt.

 

 

Kontakt

Kontaktadresse für Fragen zur Modellierung mit TRM4: trm-info@iosb.fraunhofer.de

Kontaktadresse für Anfragen zur TRM4 Lizenz: trm-license@iosb.fraunhofer.de

 

Literaturnachweise

[1] Adomeit, U., "Measurement of the Minimum Temperature Difference Perceived (MTDP) of Thermal Imagers at Fraunhofer IOSB" [Link]

[2] Wittenstein, W., "Minimum temperature difference perceived - a new approach to assess undersampled thermal imagers", Opt. Eng. 38, pp. 773-781, 1999 [Link]

[3] Keßler, S., Gal, R. and Wittenstein, W., “TRM4: Range performance model for electro-optical imaging systems” Infrared Imaging Systems: Design, Analysis, Modeling, and Testing XXVIII, Proc. SPIE 10178, 101780P, 2017. [Link]

[4] Greif, H.-J., Weiss, A. R., Wittenstein, W., "pcSitoS: a new tool for image based IR system simulation", Proc. SPIE 7481, p. 748107, 2009 [Link]