СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ШУМА МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА
METHOD OF COMPENSATION OF GEOMETRIC NOISE OF MATRIX PHOTO RECEIVER

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.
1
2
2
2
2
2
1
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 y для низкого и y для высокого уровня облученности фотоприемника запоминают. Затем рассчитывают коэффициенты k, характеризующие относительную чувствительность элементов фотоприемника по формуле k=y/m, где m средняя яркость изображения y. 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=y. Недостатком данного способа является низкая точность при работе в увеличенном динамическом диапазоне изменения сигнала.
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
2
1
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: y=kx+b и у=kx+b. При этом x=m и x=m - исходные значения яркости элементов матричного фотоприемника без ГШ при равномерном низком и высоком уровне облученности элементов фотоприемной матрицы, соответствующие средним значениям яркости m и m изображений y и y. Из рассмотренной выше системы уравнений следует значение k=(y-y)/(m-m).
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
1
1
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 y для низкого и y для высокого уровня облученности фотоприемника запоминают и рассчитывают средние значения яркости m и m для изображений y и y, соответственно. Далее для каждого элемента матричного фотоприемника рассчитывают значения коэффициентов k по формуле k=(y-y)/m-m). 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-y)/k+m.
мин
макс
мин
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≤t≤t относительно минимального времени экспозиции t, 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.
1
2
1
2
1
2
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 y для низкого и элементов кадра изображения y для высокого уровня облучения, вычислении средних значений m и m яркости элементов в кадрах изображений y и y, 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
1
мин
макс
макс.
2
1
мин
макс
0
0
а
согласно изобретению для повышения точности, в процессе калибровки запоминают цифровые значения яркости элементов кадра изображения y при минимальном времени экспозиции фотоприемника t. Задают максимальное время экспозиции t при низком уровне равномерной облученности фотоприемника и запоминают в цифровой форме получаемые при этом значения яркости элементов кадра изображения y Вычисляют их среднее значение. Осуществляют преобразования и запоминают полученные значения яркости элементов кадров изображений x и x. Вычисляют коэффициент  для устанавливаемого времени t экспозиции фотоприемника в пределах t≤t≤t, вычисляют значения яркости элементов эталонного кадра изображения y и определяют их среднюю яркость m, а при информативном облучении фотоприемника с установленным временем экспозиции t. Формируют выходное изображение X и анализируют его.
1
2
1
2
1
2
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 y и y, для низкого и для высокого уровня облучения, соответственно, вычислении средних значений m и m яркости элементов в кадрах изображений y и y, 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
1
мин
макс
макс
в котором с целью повышения точности цифровые значения яркости элементов кадра изображения y в процессе калибровки запоминают при минимальном времени экспозиции фотоприемника t, задают максимальное время экспозиции t при низком уровне равномерной облученности фотоприемника и запоминают в цифровой форме получаемые при этом значения яркости элементов кадра изображения y, вычисляют их среднее значение, осуществляют преобразования по формулам
2
1
мин
макс
а
Запоминают полученные значения яркости элементов кадров изображений x и x. Вычисляют коэффициентпо формуле для устанавливаемого времени t экспозиции фотоприемника в пределах t≤t≤t
0
Вычисляют значения яркости элементов эталонного кадра изображения y по формуле
0
0
0
мин
мин
и определяют их среднюю яркость m, а при информативном облучении фотоприемника с установленным временем экспозиции t формируют выходное изображение X в соответствии с выражениями X=x-y+m, если t≠t и X=x, если t=t.
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.
мин
макс
мин,
макс
мин
1
макс
2
1
2
макс
мин
макс
1
2
макс
1
2
макс
1
2
1
1
2
2
макс
макс
мин
макс
мин
0
0
2
1
0
0
0
мин
мин
а
a
а
а
Поток излучения проходит через объектив 1 и попадает на фотоприемник ИК-камеры 2. Время экспозиции t задается в ИК-камере 2 в пределах t≤t≤t. Значения t, t, t вводятся в компьютер 4 в ручном режиме. Калибровка камеры осуществляется при t=t. Получаемые при калибровке изображения y, у при низкой температуре абсолютно черного тела (АЧТ) и y, 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 y, y, y, а также значения t, t и t обрабатываются программным путем с целью вычислении средних значений m, m и m яркости элементов в кадрах изображений y, y и y, преобразования по формулам x=(y-y)k+m и x=(y-y)k+m а также получения значений коэффициентов  по формуле: =(t-t)/(t-t). Затем программным путем вычисляются значения яркости элементов y эталонного изображения по формуле: y=х+(1-)х и определяется их средняя яркость m. 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-y+m, если t≠t и X=x, если t=t.
Выходные цифровые значения яркости элементов изображения X отображаются на экране дисплея компьютера 4.
a
мин
На фиг. 2 представлено исходное, содержащее ГШ (), и результирующие изображения, полученные по способу-аналогу (б) и по заявляемому способу (в) при времени экспозиции t=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++.