Mô phỏng tạo ảnh bán thực địa ứng dụng trong ngụy trang ảnh nhiệt

Bài viết trình bày một phương pháp tạo ảnh bán thực nghiệm. Trên cơ sở nguyên lý phóng đại ảnh của hệ quang học và ảnh hưởng của các điều kiện môi trường lên chất lượng ảnh (suy hao năng lượng bức xạ) và bằng phương pháp mô phỏng trong phòng thí nghiệm, đã xác định được hệ số suy hao với điều kiện môi trường xác định.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ MƠ PHỎNG TẠO ẢNH BÁN THỰC ĐỊA ỨNG DỤNG TRONG NGỤY TRANG ẢNH NHIỆT Vũ Hữu Khánh*, Nguyễn Văn Thư, Nguyễn Anh Tuấn, Đỗ Xuân Doanh, Trần Tiến Bảo, Nguyễn Thành Lâm Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp tạo ảnh bán thực nghiệm Trên sở nguyên lý phóng đại ảnh hệ quang học ảnh hưởng điều kiện môi trường lên chất lượng ảnh (suy hao lượng xạ) phương pháp mô phịng thí nghiệm, xác định hệ số suy hao với điều kiện môi trường xác định Sử dụng kết phần mềm MODTRAN tạo ảnh cự li dựa vào ảnh gốc cự ly xác định Kết nhận áp dụng đánh giá hiệu nguỵ trang nói chung ngụy trang ảnh nhiệt nói riêng giảm đáng kể độ phức tạp Từ khóa: Nguỵ trang; Tỉ lệ truyền qua; MODTRAN; Tạo ảnh mô bán thực địa ĐẶT VẤN ĐỀ Hiệu nguỵ trang định đến mức độ tổn thất gặp phải tác chiến, xây dựng phương pháp đánh giá hiệu cần thiết Các phương pháp đánh giá phân chia thành loại, gồm đánh giá chủ quan thị giác, đánh giá phịng thí nghiệm mơ hình mơ phỏng, phương pháp bán thực địa kết hợp đánh giá chủ quan [1] với mơ máy tính [2] Để giải vấn đề này, nhiều nhóm nghiên cứu đưa mơ hình đánh giá gián tiếp phịng thí nghiệm [3] Các phương pháp sử dụng kỹ thuật mơ máy tính để tạo tất yếu tố trình tạo ảnh từ mục tiêu, mơi trường, ống kính đến cảm biến Một số số xây dựng mơ hình đánh giá dựa đặc tính thị giác người [4], số khác khơng [5] Mặc dù vậy, khó để đưa kết luận mơ hình đánh giá phịng thí nghiệm tốt mơ hình giới khơng có mơ hình tiêu chuẩn cho việc đánh giá ngụy trang phịng thí nghiệm [6] Tuy nhiên, thực tiễn, vấn đề chụp ảnh cự ly khác phức tạp tốn kém, đặc biệt tính chất tức thời, cấp thiết tác chiến Để khắc phục nhược điểm, khó khăn trên, sử dụng phương pháp tạo ảnh bán thực địa sở nguyên lý phóng đại ảnh với có mặt ảnh hưởng điều kiện mơi trường Bài báo trình bày số sở lý thuyết thực nghiệm trình tạo ảnh tính tốn hệ số suy giảm xạ điều kiện mơi trường khác Từ áp dụng mô ảnh cự lý từ ảnh chụp camera cự ly xác định Cuối bình luận hiệu phương pháp việc nâng cao hiệu ngụy trang XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN MƠ PHỎNG BỨC ẢNH ĐƯỢC CHỤP Ở CỰ LI BẤT KỲ 2.1 Tính tốn tương quan kích thước đối tượng hai ảnh chụp hai cự li khác Hình Ảnh mục tiêu có kích thước đặt cự li khác qua hệ quang Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 113 Vật lý Sơ đồ nguyên lý q trình tạo ảnh qua vật kính thể hình Giả sử có vật cứng có độ cao h đặt vng góc với trục quang vật kính vị trí A, qua vật kính hình ảnh vật tạo mặt phẳng ảnh có độ cao hA Cũng với vật cứng trên, đặt vng góc với trục quang vị trí B, qua vật kính hình vật tạo mặt phẳng ảnh có độ cao hB Khi này, độ phóng đại ảnh hệ quang chụp ảnh vị trí A B tính cơng thức (1) (2): camera h f (1) A  A  h lA h f (2) B  B  h lB Từ cơng thức (1) (2) tính tương quan kích thước ảnh tạo vật thể đặt B A là: f hB h l l (3)  BA  B  h  A  B  h f hA lA A lB h Từ cơng thức (3) thấy, tương quan kích thước ảnh tạo vật thể vật thể có kích thước phụ thuộc vào khoảng cách từ vật thể đến hệ quang vật kính Nếu biết trước hình dạng ảnh vật thể chụp cự li biết trước, hoàn toàn dựa vào mơ để tính tốn hình dạng ảnh vật thể cự li Đối với mục tiêu người có chiều cao thường không mét, mục tiêu xe thường không mét, bay chụp từ cao coi mục tiêu bối cảnh lân cận nằm mặt phẳng, độ phóng đại thay đổi đáng kể độ cao bay chụp thay đổi vài trăm mét, đó, kích thước hình ảnh mục tiêu chụp cự li khác coi khác số liên quan đến cự li chụp ảnh Tuy nhiên, với công thức (3) thu ảnh dạng tỉ lệ theo lý thuyết 2.2 Mô tạo ảnh độ cao dựa ảnh chụp độ cao gần mặt đất Bức xạ phát từ mục tiêu đến đồng tử vào vật kính camera bắt buộc phải qua mơi trường khơng khí Đường truyền gần, ảnh tạo camera phản ánh chân thực hình ảnh mục tiêu Hơn nữa, việc chụp ảnh độ cao nhỏ tốn dễ thực hơn, lấy ảnh mục tiêu chụp chiều cao nhỏ làm ảnh đầu vào mô Với điều kiện môi trường không đổi, cự li so với mục tiêu, độ rọi xạ phát từ mục tiêu L Camera đặt máy bay không người lái độ cao h0 so với mục tiêu, này, độ rọi xạ phát từ mục tiêu đến đồng tử vào vật kính La La L liên hệ công thức: (4) La   a L  Lc đó, L c độ rọi xạ riêng khơng khí đường truyền lọt vào đồng tử vào camera Trong thực tế, phần lớn điều kiện L c có giá trị nhỏ bỏ qua,  a độ truyền qua từ mục tiêu đến vị trí A khơng khí dải phổ làm việc Trong trường hợp tổng qt, camera đặt vị trí B có độ cao h bất kỳ, độ rọi phát xạ qua đồng tử vào camera để tham gia tạo ảnh tính theo cơng thức: Lb   b L  Lc đó,  b độ truyền qua từ mục tiêu đến vị trí B khơng khí dải phổ làm việc (5) Từ công thức (4) (5), bỏ qua Lc tính được: 114 V H Khánh, …, N T Lâm, “Mô tạo ảnh bán thực địa … ngụy trang ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Lb  b La a (6) b a (7) tỉ lệ độ truyền qua cự li là:  ba  Đối với camera ảnh nhiệt, quan hệ L DN (Digital Number) tính theo cơng thức[10]: (8) DN=kL+b đó, số k b số đặc tính camera, cho nhà sản xuất tự tính tốn thực nghiệm [18] Từ công thức (8), biết ảnh vị trí A,  a  b , mơ tính tốn ảnh chụp vị trí B Trong thực tế hai ảnh hai khoảng cách khác ảnh hưởng khoảng cách không gian, ảnh hưởng điều kiện mơi trường đóng vai trị quan trọng Vì vậy, cần tính tốn đến ảnh hưởng điều kiện mơi trường gồm nhiệt độ, độ ẩm, son khí, lên chất lượng ảnh, tức lên lượng xạ tới đầu thu (camera), trực tiếp lên  a  b 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên lượng xạ * Hấp thụ phân tử khí : Mơi trường khơng khí ảnh hưởng đến phát xạ hồng ngoại thơng qua q trình: (1) hấp thụ có chọn lọc phân tử khơng khí phân tử nước; (2) hạt nhỏ lơ lửng khơng khí tán xạ dẫn đến lượng phát xạ bị suy giảm Yếu tố chủ yếu đặc trưng hệ số truyền qua hình [7] Hình Sự hấp thụ phân tử khí đến tia phát xạ hồng ngoại khơng khí [15] Đối với loại phân tử khí hấp thụ xạ hồng ngoại chủ yếu gồm: H2O, CO2, O3, CO, N2O, CH4, O2 loại sử dụng thuật tốn tích phân tia đơn sắc LBLRTM (Line-By-Line Radiative Transfer Model), lấy dãn cách phổ cm-1, dùng cơng thức (4) để tính tốn[8]:   T  t , p, u     exp[  kv (t , p)u ]d     d (9) Trong công thức T  t , p, u  độ thấu xạ khơng khí ánh xạ có số sóng (wave number) nhiệt độ t, áp suất p hàm lượng phân tử u; kv (t , p) tiết diện hấp thụ chùm sáng  loại phân tử khí nhiệt độ t áp suất p; u hàm lượng phân tử khí,  lấy cm-1 * Tán xạ bụi mịn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 115 Vật lý Các hạt bụi mịn làm suy hao lượng phát xạ hồng ngoại chủ yếu thông qua tán xạ ánh sáng, mức độ ảnh hưởng chủ yếu phụ thuộc vào kích thước hạt mật độ Do thực tế việc đo đạc thông số bụi mịn cho độ cao khó khả thi tốn kém, nên dựa vào công thức báo tham khảo, tính độ suy hao lượng chùm phát xạ độ cao cho bước sóng  sau [10]: q 3,912  0,55    , h    vis    đó, q số kinh nghiệm, xác định sau [9]: 0,585 vis vis  6km  q   1,3 6km  vis  80km  1,6 vis  80km  (10) (11) Từ công thức trên, biết cự li quan sát R, tính độ truyền qua bụi mịn: Aaer  e    ,h R (12) Từ công thức (10), (11), (12) tính tỉ lệ truyền qua bụi mịn Hệ số truyền qua τ xạ hồng ngoại điều kiện môi trường khác tính tốn phần mềm MODWIN 3.7 Với việc sử dụng phần mềm MODWIN, cần nhập điều kiện địa hình khí hậu, phần mềm tự động tính tốn độ truyền qua bước sóng khơng khí THÍ NGHIỆM MƠ PHỎNG Dữ liệu ảnh dùng cho báo chụp camera ảnh nhiệt Microcam 3, dải phổ làm việc từ 8~14µm, vật kính camera có tiêu cự 60 mm, đường kính thơng quang 30 mm Camera lắp máy bay không người lái, bay thấp độ cao h0 để lấy ảnh đầu vào, sau đó, độ cao bay điều chỉnh lên độ cao h để lấy ảnh đối chiếu sau mô Các ảnh chụp điều kiện chụp liệt kê bảng Bảng Điều kiện chụp ảnh Điều kiện Ảnh Ảnh Ảnh h0 (m) 70 275 390 h (m) 400 425 430 Thời gian (giờ) 12:30 14:00 14:00 Nhiệt độ (0C) 25 24 24 Tốc độ gió (km/h) 17 17 Độ ẩm (%) 91 70 70 Áp suất (hPa) 1014 1015 1015 Tầm nhìn xa (km) 16 16 Căn vào điều kiện môi trường thời điểm chụp ảnh cự li chụp, nhập thơng số vào phần mềm PcMODWIN3.7, tính tốn tỉ lệ truyền qua xạ nhiệt vùng phổ từ - 14 µm từ mục tiêu mặt đất đến độ cao h0 h mét Hình thể biểu đồ tỉ lệ truyền qua bước sóng cự li 70 mét 400 mét với ảnh chụp Lấy tỉ lệ truyền qua (hình 3) bước sóng độ cao 400 mét chia cho tỉ lệ truyền qua bước sóng tương ứng độ cao 70 mét, liệu thu phân bố thể hình Trên hình thấy rõ phần lớn điểm nằm gần đường thẳng nằm ngang, có số điểm nằm xa đường thẳng này, đồng thời điểm đa số phân bố đoạn đầu (trên 8,5 µm) đoạn cuối (trên 13 µm) dải phổ 8-14 µm (có tổng cộng 46/536 điểm có giá trị nhỏ 0.85), camera ảnh nhiệt đa số có độ nhạy thấp đầu Dựa 116 V H Khánh, …, N T Lâm, “Mô tạo ảnh bán thực địa … ngụy trang ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ liệu tính toán tỉ lệ truyền qua cự li có giá trị trung bình 0,94, phương sai 0,01, giá trị phương sai nhỏ, đó, để tiện cho tính tốn lấy giá trị trung bình làm hệ số truyền qua tất bước sóng cự li Hình Tỉ lệ truyền qua xạ nhiệt từ mục tiêu đặt mặt đất đến vị trí đầu thu; a) Đầu thu độ cao 70 mét, b) Đầu thu độ cao 400 mét Hình Tỉ lệ tương đối tỉ lệ truyền qua tương ứng với bước sóng Từ giá trị truyền qua mơi trường khơng khí truyền bụi mịn ta tính tổng giá trị truyền qua 0.94×0.98 = 0.92 Như vậy, tỉ lệ lượng từ mục tiêu truyền đến đồng tử vào vật kính cự li 400 mét lượng truyền từ mục tiêu đến đồng tử vào vật kính cự li 70 0,92 Điều làm giảm độ tương phản ảnh thu cự li 400 mét so với ảnh thu cự li 70 mét Để tạo ảnh mô độ cao 400 mét, vào công thức (8), với ảnh (mỗi điểm ảnh tương ứng giá trị DNA) chụp cự li 70 mét, kết hợp với thông số camera (kA bA), tính độ rọi LA Lấy giá trị LA nhân với tỉ lệ truyền qua độ cao độ rọi LB độ cao B Tiếp tục dùng cơng thức (8) tính DNB Sau đó, dùng thuật tốn nén ảnh phép nội suy tuyến tính để giảm kích thước ảnh xuống kích thước tính theo cơng thức (3) Các ảnh mô tạo trường hợp khác tính tốn tương tự bước Kết ảnh tạo mô thể hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 117 Vật lý Ảnh chụp a) b) c) Ảnh chụp a) d) b) c) Ảnh chụp a) d) b) c) d) Hình Mơ tạo ảnh a) Ảnh chụp độ cao h0, dùng làm ảnh đầu vào cho ảnh mô độ cao h, b) Ảnh chụp thực tế độ cao h, c) Ảnh tạo chương trình mơ phỏng, d) Ảnh cắt từ ảnh b) để đối chiếu với ảnh c) 118 V H Khánh, …, N T Lâm, “Mô tạo ảnh bán thực địa … ngụy trang ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Để đánh giá tương quan ảnh tạo ảnh chụp thực tế độ cao, sử dụng thông số gồm độ tương quan RH Histogram, độ chênh lệch cấp xám ΔI mục tiêu sáng bối cảnh, độ tương phản C mục tiêu bối cảnh ảnh tạo ảnh chụp thực tế [11, 12] Các thông số thể bảng Bảng Các tham số đánh giá tương quan ảnh gốc ảnh tạo ΔI ΔI Histogram ảnh ảnh C ảnh C ảnh Histogram ảnh gốc RH ảnh tạo tạo gốc tạo gốc Ảnh 0.8 97 109 0.29 0.28 Ảnh 0.999 176 170 0.59 0.57 Ảnh 0.997 148 148 0.52 0.53 Kết mô kết đánh giá cho thấy, tổng thể, ảnh tạo so với ảnh chụp thực tế giống kích thước phân bố cấp độ xám, Histogram loại ảnh có hình dáng giống nhau, đặc biệt chụp độ cao gần với độ cao chụp ảnh đầu vào điều kiện thời tiết tốt, độ tương quan loại Histogram cao, độ chênh lệch cấp độ xám mục tiêu sáng với bối cảnh loại ảnh gần nhau, độ tương phản mục tiêu sáng với bối cảnh loại ảnh gần Tuy nhiên, ảnh chụp thực tế có mức độ nhiễu cao mơ hình tính tốn tạo ảnh chưa tính đến ảnh hưởng nhiễu hệ thống Như vậy, ảnh mơ tạo chương trình mơ hồn tồn thay ảnh chụp thực địa toán đánh giá ngụy trang Dữ liệu mơ có tính khách quan dùng cho đánh giá hiệu nguỵ trang với chi phí tốn giảm độ phức tạp bố trí thí nghiệm từ tiết kiệm thời gian nâng cao hiệu kiểm tra chất lượng sản phẩm ngụy trang KẾT LUẬN Dựa vào việc biến đổi hình học tính tốn tỉ lệ suy hao lượng cự li chụp ảnh khác nhau, cho phép cần biết ảnh chụp cự li gần tính tốn ảnh chụp cự li xa với độ chân thực cao Ứng dụng phương pháp đề báo đánh giá hiệu nguỵ trang cho phép cần chụp số lượng nhỏ ảnh cự li gần tính tốn ảnh cự li chụp xa thiết bị khác, từ đó, giảm độ phức tạp việc bố trí thí nghiệm, tiết kiệm chi phí, thời gian nhân lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Maurer T, Wilson D L, Driggers R G "Search and detection modeling of military imaging systems[J]" Optical Engineering, 2013,52(4):41108 [2] Volonakis T N, Matthews O E, Liggins E, et al "Camouflage assessment: Machine and human[J] Computers in Industry", 2018,99:173-182 [3] Qu H, Li R, Zhao S, et al "Evaluation of infrared stealth effect based on Vega simulation", 2015[C] IEEE, 2015 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 119 Vật lý [4] Ling Wei C Y G H, Jijun "A Method of Camouflage Evaluation Based on Texture Analysis Model of Gabor Wavelet[J]" Defense Technology, 2007(10):1191-1194 [5] Wang Dong L X X W "Camouflage Application Models with Pixel Frequency Analysis[J]" Journal of PLA University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2004(03):74-77 [6] Alexander Toet, Maarten A Hogervorst "Review of Camouflage Assessment Techniques" TNO Human Factors Kampweg 55, 3769DE Soesterberg THE NETHERLANDS, 2019 [7] Indriolo N, Neufeld D A, DeWitt C N, et al "Sofia/exes observations of water absorption in the protostar AFGL 2591 at high spectral resolution[J]" The Astrophysical Journal, 2015,802(2):L14 [8] Qingshan C X H "Infrared atmospheric transmittance calculation model[J]" INFRARED AND LASER ENGINEERING, 2011,40(05):811-816 [9] Han-Ping W "Research into Theoretical Calculation Method on Engineering of Transmittance of Infrared Radiation Through Atmosphere[J]" Optics and Precision Engineering, 1998(04):36-44 [10] Chen X, Wei H, Lu W, et al "Comparison of Infrared Atmospheric Transmittance Calculated by CART Software with Measured Values[J]" Laser and Infrared, 2009,39(04):403-406 [11] Xiaofeng Z, Yinpeng W, Jiaxing Y, et al “Application of comprehensive similarity in stealth effect evaluation of infrared target[J]” Infrared and laser engineering, 2020,49(01):139-149 [12] An G F, Jingmei L “Evaluation of Infrared Stealthy Effectiveness of Naval Ships against Antiship Missiles[J]” Infrared, 2010(02):35-38 ABSTRACT SEMI-FIELD IMAGING FOR ASSESSMENT OF CAMOUFLAGE EFFICIENCY Evaluation of camouflage effectiveness is necessary to ensure effectiveness of camouflage against reconnaissance of optoelectronic devices The article, on the basis of evaluating the advantages and disadvantages of the subjective evaluation method by human vision and the simulation method in the laboratory, proposes a method based on geometric calculations and the rate of energy loss of infrared radiation at different distances under different environmental conditions, using the calculated data from the MODTRAN software to provide a method to calculate the image taken at any distance based on the image taken at low range, so that reducing the complexity and cost in the evaluation of camouflage effectiveness Keywords: Camouflage; Transmission rate; MODTRAN; Creating semi-field simulation images Nhận ngày 20 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 15 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 30 tháng năm 2021 Địa chỉ: Viện Vật lý kỹ thuật/ Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: khanhvlkt@gmail.com 120 V H Khánh, …, N T Lâm, “Mô tạo ảnh bán thực địa … ngụy trang ảnh nhiệt.” ... phỏng, d) Ảnh cắt từ ảnh b) để đối chiếu với ảnh c) 118 V H Khánh, …, N T Lâm, ? ?Mô tạo ảnh bán thực địa … ngụy trang ảnh nhiệt. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Để đánh giá tương quan ảnh tạo ảnh. .. quan ảnh gốc ảnh tạo ΔI ΔI Histogram ảnh ảnh C ảnh C ảnh Histogram ảnh gốc RH ảnh tạo tạo gốc tạo gốc Ảnh 0.8 97 109 0.29 0.28 Ảnh 0.999 176 170 0.59 0.57 Ảnh 0.997 148 148 0.52 0.53 Kết mô kết... Vật lý Ảnh chụp a) b) c) Ảnh chụp a) d) b) c) Ảnh chụp a) d) b) c) d) Hình Mô tạo ảnh a) Ảnh chụp độ cao h0, dùng làm ảnh đầu vào cho ảnh mô độ cao h, b) Ảnh chụp thực tế độ cao h, c) Ảnh tạo chương