Способ компенсации неравномерности видеосигнала матричного фотоприемника Советский патент 1984 года по МПК H04N5/21 H04N3/14 

Изобретение относится к преобразо ванию оптических изображений в видеосигнал, в частности к матричным преобразователям свет - сигнал, и может использоваться в растровых телевизионных системах и интроскопии. Известен способ компенсации неравномерности видеосигнала матричного фо топриемника, заключающийся в том, что матричный фотоприемник из п х m элементов, расположенных по строкам я столбцам, при калибровке облучают контрольной подсветкой и для каждого 1J -го элемента определяют и запоминаю коэффициент передачи видебтракта Wij при котором его выходной сигнал равен эталонному, а при информативной засветке синхронно со сканированием элементов коэффициент передачи видеотрак та устанавливают равным соответствующеку значению N,j СО Недостатком такого способа является низкая точность компенсации неравномерности видеосигнала из-за отсутст вия учета неравномерности распределения излучения реальных источников контрольной подсветки. Наиболее близким к предлагаемому является способ компенсации неравномерности видеосигнала матричного фотоприо1 ника, основанный на предварительной калибровке, заключающийся в трехкратном облучении матричного фотоприемника излучением, усилении видеосигнала (i,j ) элемента матрично(Го фотоприемника, где i - порядковый номер строки матричного фотоприемника ( 1 1, 2, 3, ...), а j - порядковый номер его столбца ( j 1,2, 3, ...), до величины опорного напряжения, запоминании соответствующего коэффициента усиления , определении коэффициента компенсации путем усреднения запомненных коэ.ффициентов передачи i последующем усилений видеосигнала с каждого (i,j ) элемента с коэффициентом компенсации 2 . Недостатком известного способа является наличие систематической ошиб ки, обусловленной неравномерностью пространственного распределения интен сивности эталонного излучения. Цепь изобретения - повьшение точности компенсации путем уменьшения влияния неравномерности распределения эталонного излучения. . Поставленная цель достигается тем, что согласно способу компенсации неравномерности видеосигнала матричного фотоприемника, основанному на предварительной калибровке, заключающемуся в трехкратном облучении матричного фотоприемника эталонным излучением, усилении видеосигнала с каждого . d,i) элемента матричного фотоприемника, где i - порядковый номер строки матричного фотоприемника ( i 1,2, 3, ...),aj - порядковый номер его столбца () 1, 2, 3, ...), до величины опорного напряжения, запоминании соответствующего коэффициента усиления N , определении, коэффициента компенсации по трем запомненным коэффициентам усиления N, М;. , N и последующем усилении 4J IJ с каждого (i, j ) элеменвидеосигналата с коэффициентом компенсации калибровке перед вторым облучением сдвигают матричный фотоприемник относительно первого положения параллельно его столбцам на расстояние между его строками, а -перед третьим облучением сдвигают матричный фотоприемник параллельно его строкам на расстояние между его столбцами, а определяют коэффициент компенсации по формуле Согласно предлагаемому способу алибровку можно условно разбить на ри цикла: при исходном положении атричного фотоприемника и при двух двигах. Пусть при калибровке распределеие излучения контрольной подсветки о площади матричного преобразоватея описывается произвольной функций F,j , тогда для каждого элемента ожно составить уравнение калибровки первом цикле ii-Oij-N;j V,, - чувствительность элемента, находящегося в строке с номером 1 и столбце с номером j ; 3 о - эталонное напряжение, Njj- коэффициент передачи видеотракта, который определяют из условия (1) в момент передачи сигнала от 1J -го элемента в первом дакле калибровки и за поминают . Во втором цикле калибровки осуществляют первый сдвиг матричного фо топриемника параллельно столбцам вверх на расстояние, равное расстоянию между элементами в столбце. При ,этом для ч -го датчика первого столб ца уравнение калибровки во втором ци ле имеет вид -. где N. - коэффициент передачи видео тракта для -го элемента первого столбца, определяемый в момент передачи сигнала от этого элемента во втором цикле калибровки из условия (2). Из уравнений (1) и (2), записанны для элементов первого столбца, следу ет, что N li,. Из уравнения (3) видно, что значе ние и позволяет связать действие излучения в двух соседних точках первого.столбца (а значит и во всех точках вдоль первого столбца матричного фотоприемника). Определяем значения коэффициентов И- , которые получились бы при калибровке равномерным источником с распределением 1. Используя (I получаем 5t .rF,,-N,,. Подставив в (4) из (3), полу N. -w. .-Ш.р -N . N;, M-Nt.- для . Из соотношений (5) можно последовательно определить бее N « если задать -М, , так как после определения N;, и N,. распределение эта лонного излучения ионизации вдоль пе вого столбца фотоприемника известно лишь в относительных единицах. Полагая, что it ц (т.е. счи тая Г, 1) и последовательно ис58пользуя рекуррентное соотношение (5). В третьем цикле калибровки осуществляем второй сдвиг матричного фотоприемника параллельно строкам влево. на расстояние, равное расстоянию между элементами в строке. Для элементов, находящихся в -и строке, уравнение калибровки имеет вид .j-iDij-N Vo, . где N -. коэффициент передачи видеотракта для 1J -го элемента, определяемый в момент передачи сигнала от этого элемента в третьем цикле калибровки из условия (7). Используя эти уравнения совместно с уравнением (1) и проводя аналогичные рассуждения, получаем выражение для коэффициента передачи M-j , который получился бы при калибровке равномерным источником с распределе 1 нием - гн-; Рекуррентное соотношение CS) после последовательной подстановки и совместнб с (6) дает выражение для И„Д9Я1П,5«1 Л 3- Н,.5., ,, Апя.И,).2, «.:,%,-- - Выражение (9) можно записать в другом виде, если применить функцию йЛ , равную единице при i j и нулю в противном случае «V 4 - й%7№v - iJ.% Для сдвигоэ вправо и вниз получаются те же соотношения. На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства, реализукяцего предлагаемый способ. S1 Устройство содержит матричный фотоприемник t из ( i, j ) элементов, расположенных по строкам и столбцам соответственно, решающий усилитель 2, множительный цифроаналоговый преобраэователь (ЦАП) 3, цифровой комму татор 4, блок 5 памяти на П строк и ГП + 1 столбцов, логический блок 6, компаратор 7, источник 8 опорного напряжения и блок 9 синхронизации, блЬк 10 выборки и хранения и аналого вый коммутатор 11. Устройство работает следующим образом. Имеются два основных режима работы устройства: калибровка и компенсация. Калибровка повторяется по мере необходимости и осуществляется со ласно предлагаемому способу в три ци ла при трех пространственных положениях матричного фотоприемника относи тельно потока излучения контрольно засветки, в каждом из которых производятся коммутации электрических связей устройства. В первом цикле калибровки первые (цифровые) входы ЦА.П 3 через цифровой коммутатор 4 подключены к выходу логического блока 6, а его второй (опорный) вход через аналоговьй коммутатор 11 подсоединяется к выходу матричного фотоприемника 1. Резистор 12 через аналоговый коммутатор 11 по ключается к выходу решающего усилителя 2. Блок 5 памяти устанавливается в режим записи. Синхронно со сканированием элементов для каждого из них за время передачи сигнала от одного элемента с помощью логического блока 6 и компаратора 7 определяется двоичный код N,j на цифровых входах НАЛ 3, при котором выходное напряжение решающего усилителя 2 равно напряжению опорного источника 8. Эти двоичные коды записываются в соответствуюпще ячейки блока 5 памяти, причем в (Ш + 1)-й столбец его записывается то же, что и в , а их ; 1есятичные эквиваленты определяются как где V0 - напряжение опорного источника}R - выходное сопротивление F-; - распределение интенсивности излучения контрольной 8 подсветки на |j -м элементе, DIJ - чувствительность п -го элемента; RO - сопротивление резистора 12. Во втором цикле калибровки согласно предлагаемому способу матричный фотоприемник вручную или с помощью какого-либо привода, механизма перемещения и т.п. сдвигается относительно первого положения параллельно столбцам на расстояние, равное расстоянию между эле1 1ентами. Для сигналов от каждого из элементов первого столбца, т.е. для j 1, осуществляются три операции. При первой операции первые входы ЦАП 3 подключены к выходу блока 5 памяти через цифровой коммутатор 4, а второй вход ЦАП подсоединен через аналоговый коммутатор 11 к выходу матричного фотоприемника 1. Резистор 12 через аналоговый коммутатор 11 подключен к выходу решающего усилителя 2. Блок 5 памяти устанавливается в режим неразрушающего считьлвания, причем адрес считывания должен обеспечивать при передаче сигнала от элемента, находяш.егося в строке фотоприемника с номером i , вывод информации КЗ ячейки блока 5 памяти, находящейся в его строке с номером 1 - 1, т.е. адрес должен запаздывать на один такт считы вания по строкам. Для i 1 операции не производятся. Выходное напряжение решающего усилителя при первой операции второго цикла равно 21 U О; V.-F:..-O;,-NJ.,,,-.-VO-O:- 4l vM и оно запоминается блоком 10 выборки и хранения. При второй операции первые входы ЦАП 3 переключаются через цифровой коммутатор 4 к выходу логического лока 6, на котором должен сохра- , няться двоичный код, получаемый при третьей операции с сигналом предыдуего элемента, т.е. с номером строки i - t. Запаздывание адреса вывода информации из блока памяти сохраняется. При операции с сигналом второго элемента, т.е. с номером j 2, цифровые входы ЦАП 3 должны оставаться подключенными к блоку 5 памяти, поскольку для первого элемента перауяи не производятся и результат третьей операции отсутствует. Второй ход ЦАП 3 через аналоговьй коммута71TOP 11 подключается к выходу решающе го усилителя 2, вход которого через тот же коммутатор 11 и резистор 12 подсоединяется в вькоду блока 10 выборки и хранения. Выходное напряжение решающего усилителя 2 для второй операции второго цикла равно 1-v-HiiV -.-. « « D м 2Ro N -.ц «0 .1 где десятичный эк ивгпент двоичного кода на выходе логического блока 6, сохраняющегося от третьей операции с сигналом предьщущего элемента. Это напряжение запоминается блоком 10 выборки и хранения, а предыдущее сбрасывается. Блок 5 памяти при этом устанавливается в режим записи. Запись производится с запаздыванием на один такт по строке, т.е. вместо N в память заносится результат вьшолнения третьей операции с сигналом от предьиущего элемента N, , которьй сохранялся до этого на логическом блоке 6. При третьей операции первые входы ЦАП 3 остаются подключенными через цифровой коммутатор 4 к выходу логического блока 6, а второй вход ЦАП 3 через аналоговый коммутатор 1 подсоединяется к выходу блока 10 вы борки и хранения. Резистор 12 через этот же коммутатор подключается к выходу решающего усилителя 2. С помощью логического блока 6 и компара тора 7 определяются двоичные коды , при которых выходное напряжен решающего усилителя 2 равно напряже нию источника 8. Уравнение сравнени напряжений имеет вид iEo-Ni N V, R й 11 О ) отсюда поскольку , то следовательно. Н -1-D./Таким образом, после первых двзос циклов калибровки получены и записа ны в первом столбце блока 5 памяти коэффициенты,-обратно пропорциональ ные чувствительности элементов первого столбца фотоприемника. 88 Для определения коэффициентов, выравнивающих чувствительность остальных элементов, согласно предлагаемому способу осуществляется третий цикл калибровки, в котором производится второй сдвиг матричного фотоприемника 1 относительно его первого расположения параллельно строкам на расстояние, равное расстоянию между его столбцами. Аналогично второму циклу калибровки производятся в той же последе- вательности и те же три операции с сигналами от каждого элемента фотоприемника. Отличие заключается в. i том, что в первой операции адрес считывания должен обеспечивать при передаче сигнала от элементов фотоприемника, находящихся в столбце с номером t , вывод информации из ячеек блока памяти, находящихся в столбце с номером j - 1, т.е. адрес должен запаздьтать на один такт считьтания по столбцам, а для сигналов от элементов второго столбца (j 2) - вывод информации не из первого, а из (т + 1)-го столбца блока памяти., Вторая и третья операции других отличий не имеют. Операции не выпол-. няются для элементов первого столбца фотоприемника. Приводя те же рассуждения, что и для второго цикла, получим что по окончании третьего цикла калибровки в блоке памяти оказываются записанными двоичные коды, десятичные эквиваленты которых определяются как , . ,. т.е. они обратно прОпорционалыил чувствительности соответствующих элементов фотоприемника и не зависят от распределения интенсивности излучения контрольной подсветки. В режиме компенсации первые (цифровые) входы ЦАП 3 подключа отся через цифровой коммутатор 4 к выходам блока 5 памяти, который устанавливается в режим нера рушающего одитыва ния,а второй вход ЦАП подс единяётся через аналоговый коммутатор 11 к выходу матричного фотоприемника t. Резистор 12 через тот же кокй утатор подключается к выходу решакщего усилителя 2. Синхронно со сканиро занием элементов осуществляется вывод ия911

формации из блока 5 памяти и выходное напряжение решающего усилителя 2 при информативной засветке«с распределением F

устанавливается в

Ulji

соответствии со следующим вьфажением:

j -24-D j-N j

.-S- 9.Р . I R

R

т.е. различия в чувствительности элементов скомпенсированы.

В данной реализации при втором и третьем положениях фотоприемника осуществляется не определение коэффициентов усиления , N,; и N ,j в явном виде, а вычисление коэффициентов компенсации N- и по заявленному в способе cocTHomeiwro аналогоцифровым методом. Этот прием приводит, с одной стороны, к увеличению точности вычисления коэффициентов компенсации за счет того, что в них исключаются дополнительные шумы квантования, которые возникли бы при непосредственном определении коэффициентов усиления и М|, и последующем цифровом вычислении N ,j . С другой стороны, это решение позволило сохранить практически тот же объем блока памяти; который имелся в прототипе, тогда как при буквальной реализации предлагаемого способа необходимо этот объем увеличить в три раза (для хранения массивов данных N;j и ). Это является одним из основных достоинств данной реализации, так как блок памяти является наиболее дорогостоящим (не считая матричного фотоприемника) и энергоемким узлом подобных устройств.

Вычисление коэффициентов компенсации осуществляется синхронно со сканированием соответствующих элементов фотоприемника, а записываются они в блок памяти с задержкой на такт, при этом значенияN,. попадают в соответствующие ячейки блока памяти с номерами , J за счет того, что адрес считывания и записи во втором и третьем цикле калибровки уменьшен на единицу по строкам и столбцам соответственно. Эта последовательность вычисления и записи постоянна.

Компенсация после выполнения всех циклов калибровки может осуществляться в любом из трех использованных положений, а также в любом другом возмояном положении фотоприемника.

785810

поскольку после окончания калибровки поправочные коэффициенты усиления обратно пропорциональны чувствительности соответствзтощих элементов фотоприемника и не зависят от распределения интеисийности излучения, существующего при калибровке. Режим компенсации является основным режимом работы устройства, при котором

О информативное излучение преобразуется в электрические сигналы, очищается от неравномерности, вызьшаемой разбросом чувствительности элементов фотоприемника, и вьщается

S для дальнейщего использования. Поэтому положение фотоприемника в режиме компенсации не имеет значения и определяется условиями использования.

0 Синхронизация работы устройства

и управление всеми коммутациями свя. зей осуществляется блоком 9 синхронизации. Блок 10 выборки и хранения и аналоговый коммутатор 11 могут

быть выполнены по известным стандартным схемам, например, с использова-ни м двунаправленных ключей на полевых транзисторах с соответствующими схемами управления, что не имеет существенного значения.

Алгоритм адресации блока памяти отличается тем, что адрес считывания и записи по строкам в первом цикле запаздывает на один такт по сравнению со сканированием элементов фотоприемника, а во втором цикле на один такт запаздьгоает адрес .считывания и записи по столбцам. Эти простые операции могут вьшслняться без введения дополнительных средств путем использования уже имеющихся элементов синхрогенератора. Например,обычно для большинства запоминающих цифровых устройств адрес считывания по строкам и столбцам представляет собой двоичный код, который формируется с помощью двоичных счетчиков. На каждый такт код адреса соответствующего счетчика увеличивается на единицу синхронно со сканированием элементов фотоприемника. По окончании сканирования счетчики снова сбрасываются в исходное состояние (в начальный код) и т.д. Для реали зации необходимого для работы предлагаемого устройства запаздывания адреса достаточно во втором и третьем цикле калибровки устанавливать 11 1 необходимый начальный код на соответ ствующем счетчике. В большинстве выпускаемых промьшшенностью Двоичных счетчиков такой режим,предусмотрен и широко используется, В режиме компенсации и в первом цикле калибровки выход блока 10 выборки и хранения неподключен ни к одному из блоков (т.е. коммутатор связей отключает ее от остальных узлов) и ее функционирование не оказывает никакого влияния на работу устройства. Поэтому алгоритмы работы блока выборки и хранения может быть постоянен во всех режимах работы. Технико-экономические П1реимущества предлагаемого способа заключаются в увеличении точности компенсации за счет того, что коэффициенты компенса ции М,: не зависят от неравномернос ти распределения эталонного излучения, причем может быть получена скол угодно высокая точность компенсации при соответствующем выборе разряднос ти цифровых элементов, погрешности ЦАП и аналоговых узлов. Кроме того, поскольку при предлагаемом способе неравномерность распр 812 деления контрольной подсветки не имеет существенного значения, за исключением случая, когда имеются экстремальные точки (полное отсутствие излучения), то калибровка может производиться непосредственно на потоке информативного излучения. Это o6ecijeчивает высокую точность компенсации за счет идентичности спектральных характеристик излучения и уровня освещенности при калибровке и коьтенсации. Вследствие этого отпадает необходимость в специальном источнике эталонного излучения, что особенно важно в бортовой аппаратуре и снижает ее стоимость. Не нужны также и Специальные приспособления .(шторки, жалюзи и т.п.), обычно необходимые для перекрытия потока информативного излучения при калибровке в известном способе. Для светового излучения сдвиги пространственного расположения излучения и фотоприемника могут быть легко осуществлены с помощью системы подвижных зеркал и т.д.

СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ КЕРАВНОМЕРНОСТИ ВВДЕОСИГНАЛА МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА, основанньй на предварительной калибровке, заключающийся в трехкратном облучении матричного фотоприемника эталонным излучением, усилении видеосигнала с каждого (,j) элемента матричного фотоприемника, где 1 - порядковый номер строки матричного фотоприемника ( 1, 2, 3, ...), а j - порядковьй номер его столбца (l 1, 2, 3, ...), до величины опорного напряжения, запоминании соответствующего коэффициента усиления N ; , определении коэффициента компенсации по трем заполненным коэффициентам усиления N;; , М..|(|1. и последующем усилении и с каждого (i, 3 ) элемента деосигнала „ч , j - с коэффициентом компенсации N. , отличающийся тем, что, с целью повышения точности компенсации путем уменьщения влияния неравномерности распределения эталонного излучения, при калибровке перед вторым облучением сдвигают матричный фотоприемник относительно первого положения параллельно его столбцам на расстояние между его строками, а перед третьим облучением сдвигают матричS9 ный фотоприемник параллельно его стро кам на расстояние между его столбцами, а определяют коэффициент компенсации по формуле N,, для ,зИ irri .)-1-, кп NK, J-1 Ц ч,,NM-J, li AnftUl, 41 СХ) ... м;,„ Н KUM . „. П N -П -:г;-Д(,р ел 02 Cl : 5-1 ч эо