Johnson‑Kriterien sind empirisch ermittelte Schwellenwerte zur Abschätzung der Bildauflösung, die erforderlich ist, damit menschliche Beobachter bestimmte visuelle Aufgaben erfüllen können. Sie werden vor allem in der Analyse von Nachtsicht und Wärmebildkameras eingesetzt.Johnson, J.: „Analysis of Image Forming Systems“, Image Intensifier Symposium, Fort Belvoir, 6–7 Oktober 1958.
Geschichte Die Kriterien wurden in den Jahren 1957–1958 vom US Army Wissenschaftler John W. Johnson (Night Vision & Electronic Sensors Directorate, NVESD) entwickelt. Johnson arbeitete mit Freiwilligen und Bildverstärkern, um die Auflösungsgrenzen für Detektion, Orientierung, Erkennung und Identifikation von Maßstabsmodellen zu ermitteln. Seine Ergebnisse stellte er 1958 auf dem „Night Vision Image Intensifier Symposium“ im Paper „Analysis of Image Forming Systems“ vor.
Kriteriensätze Johnson definierte vier Aufgabenstufen (bei ca. 50 % Erfolgswahrscheinlichkeit):Sjaardema, T. A.; Smith, C. S.; Birch, G. C.: History and Evolution of the Johnson Criteria. Sandia National Laboratories, 2015. Detektion (Erkennen der Objektpräsenz): ca. 1,0 ± 0,25 Linienpaare Orientierung (z. B. horizontal/vertikal, symmetrisch/asymmetrisch): ca. (1,4 ± 0,35) lp Erkennung (Allgemeinklasse, z. B. Person vs. Fahrzeug): ca. (4,0 ± 0,8) lp Identifikation (spezifisches Objekt): ca. (6,4 ± 1,5) lp
Ein Linienpaar entspricht etwa zwei Bildpunkten (Pixeln) auf dem Zielobjekt.
In modernen Anwendungen – insbesondere bei Wärmebildkameras – wird häufig das DRI Modell verwendet (, auf Deutsch: Detektion, Erkennung, Identifikation) mit vereinfachten Schwellenwerten von etwa 1–3–6 Linienzyklen für eine Erfolgswahrscheinlichkeit von etwa 50 %.
Funktion / Bedeutung Das Johnson-Kriterium setzt die auf der maßgeblichen Ausdehnung eines Zielobjekts auflösbare Anzahl von Linienpaaren mit der jeweiligen visuellen Aufgabe in Beziehung. Bei einem digitalen Bildsensor kann diese Anzahl unter der vereinfachenden Annahme von zwei Pixeln je Linienpaar näherungsweise berechnet werden als
Dabei bezeichnet die Anzahl der Linienpaare auf dem Ziel, die Brennweite, die für die Aufgabe maßgebliche Zielausdehnung, den Pixelabstand und die Entfernung. Durch Umstellen der Gleichung lässt sich die Entfernung abschätzen, bei der das Ziel die für eine Aufgabe geforderte Anzahl von Linienpaaren erreicht.Gerald C. Holst: Electro-Optical Imaging System Performance. 5. Auflage. SPIE Press, Bellingham 2008, ISBN 978-0-8194-7406-3.
Die Gleichung beschreibt die geometrische Abbildung des Ziels auf den Bildsensor. Die tatsächlich auflösbare Anzahl von Linienpaaren hängt außerdem von der Abbildungsleistung des Gesamtsystems ab. Dazu gehören unter anderem die Optik, der Detektor, die Signalverarbeitung und das Anzeigesystem.
DRI-Abstände Als DRI-Abstände werden die Entfernungen für Detektion, Erkennung und Identifikation bezeichnet. Für ihre Berechnung wird jeweils der zugehörige Schwellenwert des verwendeten Kriteriensatzes eingesetzt. Die angegebenen Entfernungen gelten daher nur für die festgelegte Zielausdehnung und die zugrunde gelegten Eigenschaften des Abbildungssystems.
Die den Johnson-Kriterien zugeordneten Erfolgswahrscheinlichkeiten beruhen auf Beobachterversuchen unter festgelegten Bedingungen. Sie stellen keine von den Einsatzbedingungen unabhängige Wahrscheinlichkeit dar. Wetter, atmosphärische Übertragung, Hintergrund, Lage des Zielobjekts und menschliche Faktoren können die Aufgabenerfüllung beeinflussen.T. A. Sjaardema, C. S. Smith, G. C. Birch: History and Evolution of the Johnson Criteria. Sandia National Laboratories, Bericht SAND2015-6368, 2015, doi:10.2172/1222446.
Beispielrechnung Für ein idealisiertes Abbildungssystem werden eine Brennweite von , ein Pixelabstand von und eine maßgebliche Zielausdehnung von angenommen. Durch Umstellen der Gleichung ergibt sich
Mit den Schwellenwerten für die Detektion, für die Erkennung und für die Identifikation ergeben sich Entfernungen von etwa 2500 m, 625 m beziehungsweise 391 m. Die Werte sind geometrische Abschätzungen; Einflüsse des Gesamtsystems und der Beobachtungsbedingungen sind darin nicht berücksichtigt.
Rezeption Johnson’s Kriterien bilden weltweit einen Standard für die Bewertung und Spezifikation sicherheitstechnischer und militärischer Sensoren. Sie fanden Eingang in den NATO STANAG 4347 Standard zur DRI Bewertung von Wärmebildsystemen.
Kritische Einschränkungen: Die Daten stammen aus idealisierten Versuchsumgebungen ohne Umweltfaktoren wie Nebel, Dunst oder Bodenstruktur. Variabilität zwischen Beobachtern (z. B. Schulung, Aufmerksamkeit, Ermüdung) wird nicht berücksichtigt. Moderne Sensoren mit Bildverarbeitung, höherer Pixeldichte und Signal Rausch Optimierung weichen von den ursprünglichen Anforderungen deutlich ab. Daher entstanden Erweiterungen wie das NV IPM oder TTPM Modell sowie das ACQUIRE Verfahren der US-Army.
Weblinks DRI Calculator – Tonbo Imaging
Einzelnachweise
Kategorie:Kamera