СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ШУМА МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА Российский патент 2019 года по МПК G06T5/00 G06T7/80 H04N5/33 H04N5/357 

Изобретение относится к области прикладного телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.

Геометрический шум (ГШ) или в английской аббревиатуре FPN-шум (fixedpatternnoise) является для конкретного фотоприемника детерминированной помехой, имеющей две составляющих: аддитивную и мультипликативную. Аддитивная составляющая обусловлена неравномерностью термогенерации носителей заряда в элементах матричного фотоприемника. Мультипликативная составляющая обусловлена неоднородностью чувствительности элементов матричного фотоприемника. Математическая модель, описывающая ГШ, имеет вид линейного уравнения с постоянными коэффициентами: y=kx+b, где y - выходные значения яркости элементов матричного фотоприемника с ГШ, b - аддитивная составляющая ГШ, характеризующая для каждого элемента неравномерность термогенерации, kx - мультипликативная составляющая ГШ. При этом x - исходные значения яркости элементов матричного фотоприемника без ГШ, а k - коэффициенты, характеризующие неравномерность чувствительности для каждого элемента.

С ГШ обычно борются компенсационными методами, заключающимися в вычитании предварительно запомненных значений аддитивной составляющей b и умножением (или делением) на предварительно рассчитанные коэффициенты k компенсации мультипликативной составляющей.

Указанная выше математическая модель используется в известном способе компенсации ГШ, описанном, в частности, на с. 16-23 литературы Л.И. Хромов, Н.В. Лебедев, А.К. Цыцулин, А.Н. Куликов «Твердотельное телевидение. Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах». М., «Радио и связь», 1986 г. Данный способ предусматривает предварительную калибровку матричного фотоприемника, заключающуюся в поочередном равномерном его облучении от источников с низким и высоким уровнем излучения. Получаемые при этом значения яркости элементов кадров изображений y₁ для низкого и y₂ для высокого уровня облученности фотоприемника запоминают. Затем рассчитывают коэффициенты k, характеризующие относительную чувствительность элементов фотоприемника по формуле k=y₂/m₂, где m₂ средняя яркость изображения y₂. При информативном облучении фотоприемника производят компенсацию ГШ в получаемых при этом цифровых значениях y яркости элементов кадра, формируя выходные значения яркости x элементов кадра по обратному выражению математической модели ГШ х=(y-b)/k, причем, b=y₁. Недостатком данного способа является низкая точность при работе в увеличенном динамическом диапазоне изменения сигнала.

В качестве наиболее близкого аналога изобретения принят способ компенсации геометрического шума матричного фотоприемника, описанный на с. 3, 4 статьи авторов Д.С. Брондз, Е.Н. Харитонова, «Коррекция геометрического шума МФПУ с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов передаточных характеристик матрицы полиномом Т-порядка» // Журнал радиоэлектроники, 2008, №11. Данный способ также основан на использовании рассмотренной выше математической модели ГШ. По данному способу предусматривается нахождение коэффициентов к из системы уравнений с двумя неизвестными: y₁=kx₁+b и у₂=kx₂+b. При этом x₁=m₁ и x₂=m₂ - исходные значения яркости элементов матричного фотоприемника без ГШ при равномерном низком и высоком уровне облученности элементов фотоприемной матрицы, соответствующие средним значениям яркости m₁ и m₂ изображений y₁ и y₂. Из рассмотренной выше системы уравнений следует значение k=(y₂-y₁)/(m₂-m₁).

Суть компенсации ГШ по известному способу сводиться к следующему. Проводится предварительная калибровка матричного фотоприемника, выполняемая путем поочередного равномерного его облучения от источников с низким и высоким уровнем излучения. Получаемые при этом цифровые значения яркости элементов кадров изображений y₁ для низкого и y₂ для высокого уровня облученности фотоприемника запоминают и рассчитывают средние значения яркости m₁ и m₂ для изображений y₁ и y₂, соответственно. Далее для каждого элемента матричного фотоприемника рассчитывают значения коэффициентов k по формуле k=(y₂-y₁)/m₂-m₁). При информативном облучении фотоприемника производят компенсацию ГШ в получаемых при этом цифровых значениях y яркости элементов кадра, вычисляя выходные цифровые значения x яркости элементов кадра изображения по формуле x=(y-y₁)/k+m₁.

Недостатком данного способа является низкая точность компенсации ГШ фотоприемника при времени экспозиции (накопления), отличном от времени экспозиции, использованном в процессе калибровки. Низкая точность обусловлена тем, что, например, при увеличении времени t экспозиции фотоприемника в процессе его информативного облучения в пределах рабочего диапазона экспозиций t_мин≤t≤t_макс относительно минимального времени экспозиции t_мин, использованного в процессе калибровки, возникает ошибка компенсации ГШ. Ошибка компенсации ГШ в свою очередь объясняется тем, что аддитивная составляющая ГШ прямо пропорциональна времени накопления. На изображении (б) ошибка компенсации проявляется в виде помехи - зернистой структуры. При этом, чем больше задаваемое время накопления t, тем больше ошибка компенсации и заметнее помеха.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности компенсации геометрического шума матричного фотоприемника.

Технический результат заявляемого технического решения выражен в повышении точности компенсации ГШ при изменении времени экспозиции в процессе информативного облучения матричного фотоприемника.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа компенсации геометрического шума матричного фотоприемника, включающего предварительную его калибровку путем поочередного равномерного облучения элементов фотоприемной матрицы от источника с низким уровнем и высоким уровнем излучения, запоминании в цифровой форме значений яркости элементов кадра изображения y₁ для низкого и элементов кадра изображения y₂ для высокого уровня облучения, вычислении средних значений m₁ и m₂ яркости элементов в кадрах изображений y₁ и y₂, соответственно, вычислении для каждого элемента кадра коэффициентов по формуле

и формировании при информативном облучении из получаемых в цифровой форме значений яркости y элементов кадра изображения цифровых значений яркости выходного изображения x в соответствии с выражением

согласно изобретению для повышения точности, в процессе калибровки запоминают цифровые значения яркости элементов кадра изображения y₁ при минимальном времени экспозиции фотоприемника t_мин. Задают максимальное время экспозиции t_макс при низком уровне равномерной облученности фотоприемника и запоминают в цифровой форме получаемые при этом значения яркости элементов кадра изображения y_макс. Вычисляют их среднее значение. Осуществляют преобразования и запоминают полученные значения яркости элементов кадров изображений x₂ и x₁. Вычисляют коэффициент а для устанавливаемого времени t экспозиции фотоприемника в пределах t_мин≤t≤t_макс, вычисляют значения яркости элементов эталонного кадра изображения y₀ и определяют их среднюю яркость m₀, а при информативном облучении фотоприемника с установленным временем экспозиции t. Формируют выходное изображение X и анализируют его.

Для достижения указанного выше технического результата предложен способ компенсации геометрического шума матричного фотоприемника, включающий предварительную его калибровку путем поочередного равномерного облучения элементов фотоприемной матрицы от источника с низким и высоким уровнем излучения, запоминании в цифровой форме значений яркости элементов кадров изображений y₁ и y₂, для низкого и для высокого уровня облучения, соответственно, вычислении средних значений m₁ и m₂ яркости элементов в кадрах изображений y₁ и y₂, соответственно, вычислении для каждого элемента кадра коэффициентов k по формуле

и получении в цифровой форме значений яркости элементов кадра изображения y в процессе информативного облучения и формировании цифровых значений яркости выходного изображения x в соответствии с выражением

в котором с целью повышения точности цифровые значения яркости элементов кадра изображения y₁ в процессе калибровки запоминают при минимальном времени экспозиции фотоприемника t_мин, задают максимальное время экспозиции t_макс при низком уровне равномерной облученности фотоприемника и запоминают в цифровой форме получаемые при этом значения яркости элементов кадра изображения y_макс, вычисляют их среднее значение, осуществляют преобразования по формулам

Запоминают полученные значения яркости элементов кадров изображений x₂ и x₁. Вычисляют коэффициентапо формуле для устанавливаемого времени t экспозиции фотоприемника в пределах t_мин≤t≤t_макс

Вычисляют значения яркости элементов эталонного кадра изображения y₀ по формуле

и определяют их среднюю яркость m₀, а при информативном облучении фотоприемника с установленным временем экспозиции t формируют выходное изображение X в соответствии с выражениями X=x-y₀+m₀, если t≠t_мин и X=x, если t=t_мин.

Структурная схема системы, реализующая предлагаемый способ компенсации геометрического шума матричного фотоприемника представлена на фиг. 1.

Позиции:

1 - объектив;

2 - инфракрасная камера (ИК-камера);

3 - устройство видеозаписи;

4 - компьютер.

Объектив 1, оптически связан с матричной ИК-камерой 2, последовательно подключенной к устройству видеозаписи 3 и компьютеру 4.

Способ осуществляется следующим образом.

Поток излучения проходит через объектив 1 и попадает на фотоприемник ИК-камеры 2. Время экспозиции t задается в ИК-камере 2 в пределах t_мин≤t≤t_макс. Значения t, t_мин,, t_макс вводятся в компьютер 4 в ручном режиме. Калибровка камеры осуществляется при t=t_мин. Получаемые при калибровке изображения y₁, у_макс при низкой температуре абсолютно черного тела (АЧТ) и y₂, при высокой температуре АЧТ последовательно преобразуются ИК-камерой 2 в электрический сигнал, который в свою очередь преобразуется в цифровую форму устройством видеозаписи 3 и последовательно передается на компьютер 4. Переданные в компьютер 4 исходные цифровые значения яркости элементов изображений y₁, y₂, y_макс, а также значения t, t_мин и t_макс обрабатываются программным путем с целью вычислении средних значений m₁, m₂ и m_макс яркости элементов в кадрах изображений y₁, y₂ и y_макс, преобразования по формулам x₁=(y₂-y₁)k+m₁ и x₂=(y₂-y_макс)k+m_макс а также получения значений коэффициентов а по формуле: a=(t-t_мин)/(t_макс-t_мин). Затем программным путем вычисляются значения яркости элементов y₀ эталонного изображения по формуле: y₀=ах₂+(1-а)х₁ и определяется их средняя яркость m₀. При информативном облучении с временем экспозиции t в компьютер 4 вводится изображение со значениями яркости элементов y, которые обрабатываются программным путем с целью формирования выходных цифровых значений яркости элементов изображения X в соответствии с выражениями X=x-y₀+m₀, если t≠t_мин и X=x, если t=t_мин.

Выходные цифровые значения яркости элементов изображения X отображаются на экране дисплея компьютера 4.

На фиг. 2 представлено исходное, содержащее ГШ (a), и результирующие изображения, полученные по способу-аналогу (б) и по заявляемому способу (в) при времени экспозиции t_мин=3 мс в процессе калибровки фотоприемника и времени экспозиции t=6 мс в процессе информативного облучения. В изображении, полученном по способу-аналогу (б), видна помеха в виде зернистой структуры. В изображении, полученном по заявляемому способу (в), зернистость значительно уменьшена. Справа от изображений представлены соответствующие им осциллограммы строк с одинаковыми номерами, иллюстрирующие существенное снижение помехи при реализации заявляемого способа по сравнению со способом-прототипом.

Изображения для низкого и высокого уровня облучения фотоприемников в процессе калибровки фотоприемника могут быть получены, например, путем последовательной съемки матричной ИК-камерой изображений излучателя по модели АЧТ при его низкой и высокой температуре. Фиксация изображений в компьютере может осуществляться через стандартное устройство видеозаписи, например, типа AverEZCapture фирмы AverMedia, подключаемое к PCI- шине компьютера. Результирующее изображение может быть получено, например, путем программирования в среде стандартного пакета MATLAB или путем создания специализированной программы, например, в среде С++.

Изобретение относится к области прикладного телевидения. Технический результат - повышение точности компенсации геометрического шума матричного фотоприемника при изменении времени его экспозиции в процессе информативного облучения. Способ компенсации геометрического шума матричного фотоприемника заключается в предварительной его калибровке путем поочередного равномерного облучения элементов фотоприемной матрицы от источника с низким и высоким уровнем излучения, при этом цифровые значения яркости элементов кадра изображения в процессе калибровки запоминают при минимальном времени экспозиции фотоприемника, задают максимальное время экспозиции при низком уровне равномерной облученности фотоприемника и запоминают в цифровой форме получаемые при этом значения яркости элементов кадра изображения, вычисляют их среднее значение, осуществляют преобразования и запоминают полученные значения яркости, вычисляют коэффициент для устанавливаемого времени t экспозиции фотоприемника, вычисляют значения яркости элементов эталонного кадра изображения и определяют их среднюю яркость, а при информативном облучении фотоприемника с установленным временем экспозиции t формируют выходное изображение. 2 ил.

Способ компенсации геометрического шума матричного фотоприемника, заключающийся в предварительной его калибровке путем поочередного равномерного облучения элементов фотоприемной матрицы от источника с низким и высоким уровнем излучения, запоминании в цифровой форме значений яркости элементов кадров изображений y₁ и у₂ для низкого и для высокого уровней облучения соответственно, вычислении средних значений m₁ и m₂ яркости элементов в кадрах изображений y₁ и у₂ соответственно, вычислении для каждого элемента кадра коэффициентов k по формуле: k=(y₂-y₁)/(m₂-m₁), получении в цифровой форме значений яркости элементов кадра изображения y в процессе информативного облучения и формировании цифровых значений яркости выходного изображения х в соответствии с выражением x=(y-y₁)/k+m₁, отличающийся тем, что цифровые значения яркости элементов кадра изображения y₁ в процессе калибровки запоминают при минимальном времени экспозиции фотоприемника t_мин, задают максимальное время экспозиции t_макс при низком уровне равномерной облученности фотоприемника и запоминают в цифровой форме получаемые при этом значения яркости элементов кадра изображения y_макс, вычисляют их среднее значение, осуществляют преобразования по формулам x₁=(y₂-y₁)k+m₁ и x₂=(у₂-у_макс)k+m_макс и запоминают полученные значения яркости элементов кадров изображений х₂ и х₁, вычисляют коэффициент a=(t-t_мин)/(t_макс-t_мин) для устанавливаемого времени t экспозиции фотоприемника в пределах t_мин≤t≤t_макс, вычисляют значения яркости элементов эталонного кадра изображения у₀ по формуле у₀=ах₂+(1-а)х₁ и определяют их среднюю яркость m₀, а при информативном облучении фотоприемника с установленным временем экспозиции t формируют выходное изображение X в соответствии с выражениями Х=х-у₀+m₀, если t≠t_мин и X=x, если t=t_мин.