СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ БЛУМИНГА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR AUTOMATIC CORRECTION OF OPTOELECTRONIC SENSOR BLOOMING AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для коррекции искажений при формировании изображения оптико-электронным датчиком (ОЭД), вызванных блумингом - паразитным перетеканием зарядов в соседние ячейки ОЭД.
Известен способ коррекции искажений видеосигнала фотоприемника (патент РФ 2178626, опубл. 2002.01.20 по заявке 2000118951/09 от 2000.07.17), заключающийся в коррекции видеосигнала в соответствии с искажениями, обусловленными неэффективностью переноса заряда, формировании на выходе приемной ПЗС-матрицы сигнала с соответствующим коэффициентом искажения, а на выходе блока выработки сигнала коррекции сигнала коррекции с таким же коэффициентом искажения, постоянном и равномерном освещении контрольной ПЗС-матрицы, аналогичной приемной, источником, получении выходного сигнала путем деления сигнала, снятого с lj-го элемента приемной ПЗС-матрицы на сигнал, снятый с lj-ro элемента контрольной ПЗС-матрицы, где l - номер элемента в строке, j - номер строки.
Недостатком способа является высокая сложность устройства, реализующего данный способ, обусловленная необходимостью использования контрольной ПЗС-матрицы и источника.
Известно устройство - телевизионная камера (патент РФ 2199191, опубл. 2003.02.20 по заявке 2001100731/09 от 2001.01.09), содержащее ПЗС-матрицу, пиковый детектор, АЦП, формирователь длительности накопления, одновибратор, первый и второй RS-триггеры, элемент "ИЛИ" и инвертор.
Недостатком устройства является низкая точность получаемого изображения из-за снижения уровня видеосигнала для предотвращения появления искажений, вызванных блумингом.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения телевизионных изображений высокой четкости в камере на обычных ПЗС (патент РФ 2143789, опубл. 1999.12.27 по заявке 98102201/09 от 1998.01.23), заключающийся в том, что видеосигналы ПЗС, сдвинутые относительно друг друга вдоль двух осей координат, пройдя необходимую обработку, записываются таким образом, что создают информационное поле, и после гребенчатой фильтрации и полной апертурной коррекции образуют видеосигнал телевидения высокой четкости.
Недостатком данного способа является низкая точность коррекции искажений, вызванных блумингом ПЗС-матриц, а также невозможность коррекции искажений после получения (записи) изображений.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ получения телевизионных изображений высокой четкости в камере на обычных ПЗС (патент РФ 2143789, опубл. 1999.12.27 по заявке 98102201/09 от 1998.01.23), содержащее коммутатор, блок окончательной обработки, блок управления, телевизионную камеру, содержащую оптический блок, два идентичных канала, каждый из которых содержит ПЗС, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок предварительной обработки и блок памяти.
Недостатком устройства является высокая сложность устройства, обусловленная необходимостью использования двух ПЗС-матриц для получения видеосигнала, сложность настройки устройства для обеспечения идентичности параметров обоих ПЗС, а также невозможность работы устройства с любыми ОЭД (не только ПЗС, но и ОЭД на базе других типов датчиков).
Технической задачей изобретения является повышение точности автоматической коррекции искажений изображения, вызванных блумингом.
Задача решается тем, что в известный способ получения телевизионных изображений высокой четкости в камере на обычных ПЗС, включающий запись видеосигнала, введены автоматическое определение областей изображения, искаженных блумингом ОЭД, коррекция искажений расчетом откорректированных яркостей пикселов искаженных областей с последующей записью откорректированных яркостей пикселов искаженных областей изображения.
Техническая задача решается тем, что в устройство, содержащее АЦП, блок памяти (БП), введены ОЭД и контроллер, причем выход ОЭД подключен к первому входу АЦП, группа выходов АЦП подключена к первой группе входов БП и второй группе выходов контроллера, группа выходов БП подключена к группе входов контроллера, первый выход контроллера соединен со вторым входом АЦП, второй выход контроллера подключен к входу БП, первая группа выходов контроллера соединена со второй группой входов БП, группа входов-выходов контроллера используется для передачи откорректированного изображения.
Изобретение может быть использовано для снижения искажений изображения, вызванных наличием в поле зрения ОЭД ярких источников излучения малого углового размера, и соответствует критерию “промышленная применимость”.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг.2 - примеры изображений, искаженных блумингом ОЭД, на фиг.3 - изображения после коррекции искажений.
Блуминг - процесс “перетекания” заряда в матрице ОЭД с сильно освещенных пикселей на менее освещенные соседние, вызванный переполнением потенциальной ямы в ячейке (пикселе). Искажения, вызванные блумингом, проявляются в виде вертикальных ярких полос ниже и выше яркого объекта с малыми угловыми размерами (фиг.2).
Устройство содержит (фиг.1) ОЭД 1, АЦП 2, блок памяти 3, контроллер 4, причем выход ОЭД 1 подключен к первому входу АЦП 2, группа выходов АЦП 2 подключена к первой группе входов БП 3 и второй группе выходов контроллера 4, группа выходов БП 3 подключена к группе входов контроллера 4, первый выход контроллера 4 соединен со вторым входом АЦП 2, второй выход контроллера 4 подключен к входу БП 3, первая группа выходов контроллера 4 соединена со второй группой входов БП 3, группа входов-выходов контроллера 4 используется для передачи откорректированного изображения.
Устройство работает следующим образом. Аналоговый сигнал, характеризующий изображение рабочей сцены, с выхода ОЭД 1 поступает на первый вход АЦП 2. АЦП 2 производит аналого-цифровое преобразование и на группе выходов АЦП 2 формируется цифровое значение яркости текущего передаваемого пиксела и поступает на первую группу входов БП 3. С первого выхода контроллера 4 на второй вход АЦП 2 поступает сигнал, управляющий работой АЦП 2. На вторую группу входов БП 3 с первой группы выходов контроллера 4 поступает значение адреса, по которому записывается значение яркости текущего передаваемого пиксела. Со второго выхода контроллера 4 на вход БП 3 поступает сигнал, разрешающий запись информации в блок памяти 3. После прихода последнего пиксела текущего кадра в БП 3 записано изображение, представляющее собой матрицу значений яркостей пикселов, возможно искаженное блумингом ОЭД.
Для автоматического определения областей изображения, искаженных блумингом, последовательно анализируют яркости пикселов каждого столбца кадра. Признаком принадлежности столбца искаженной области изображения (признаком наличия искажений в столбце) является одновременное выполнение следующих условий:
а) незначительное расхождение яркостей пикселов столбца, определяемое неравенством
i,j
Δ пор
где Y - размер кадра по вертикали, совпадающий с разрешающей способностью ОЭД по вертикали, I - яркость i-го пиксела j-го анализируемого столбца, I - пороговое значение расхождения яркостей, априори задаваемое для используемого ОЭД, первоначально однократно определяемое в автоматизированном режиме;
s,j
б) наличие непрерывной последовательности  (где t, m - ординаты начала и конца последовательности) пикселов столбца с яркостями I, большими или равными средней яркости  столбца, такой что
Δtm
где I - пороговое значение яркости пикселов, определяющее допустимое различие яркостей пикселов непрерывной последовательности .
Ординаты t и m начала и конца последовательности определяются по перепаду яркости между соседними пикселами:
ΔТМ
М
-
где I пороговое значение яркостей пикселов, позволяющее определить границу последовательности, Т - количество пикселов, достаточное для достоверного определения границы последовательности.
Δtm
ΔТМ
М
Значения I, I, Т первоначально однократно определяются в автоматизированном режиме для используемого ОЭД;
в) наличие непрерывных последовательностей пикселов ,  с яркостями, большими или равными средней яркости анализируемого столбца, в соседних с анализируемым столбцах. Последовательности определяются выражениями
г) незначительные отличия ординат верхней и нижней границ последовательностей, указанных в пунктах “в” и “б”
tm
tm
где Δ - априори задаваемая величина (как правило Δ=3);
max
д) близость средней яркости  пикселов столбца к максимально возможной яркости I пикселов кадра
ΔМ
где I - априори задаваемая величина для используемого ОЭД, первоначально определяемая в автоматизированном режиме;
е) близость средних яркостей пикселов последовательностей, указанных в пунктах “в” и “б”, максимальному значению яркости пикселов кадра
ΔM'
ΔМ'
ΔМ
где I - априори задаваемая величина для используемого ОЭД, первоначально определяемая в автоматизированном режиме, как правило I<I.
При определении искаженных областей кадра контроллер 4 на втором выходе формирует сигнал, разрешающий чтение яркостей пикселов кадра, поступающий на вход БП 3, на группе выходов контроллер 4 последовательно формирует адреса анализируемых пикселов, поступающие на вторую группу входов БП 3. С группы выходов БП 3 на группу входов контроллера 4 поступают яркости анализируемых пикселов. Контроллер 4 по выражениям (1)-(13) определяет столбцы кадра, подверженные искажению блумингом.
Коррекция искажений производится для отдельно расположенных искаженных столбцов и для областей кадра, содержащих несколько искаженных столбцов, расположенных вплотную друг к другу, путем определения откорректированных яркостей каждого пиксела, принадлежащего искаженному столбу различными способами.
Откорректированная яркость  каждого пиксела отдельно расположенного искаженного столбца определяется по формуле
i,j-1
i,j+1
где I, I - яркости пикселов, расположенных слева и справа от текущего пиксела корректируемого столбца.
1
2
1
2
Коррекция яркостей пикселов искаженной области, содержащей два столбца с абсциссами j и j, причем j<j, производится по формулам
Для коррекции областей, содержащих более двух искаженных столбцов, определение откорректированных яркостей пикселов путем интерполяции по яркостям соседних пикселов по выражениям, аналогичным формулам (14), (15), не представляется возможным вследствие низкой точности интерполяции и, как следствие, низкой точности коррекции яркостей пикселов для больших областей. Коррекция таких областей производится путем линейного контрастирования, при котором откорректированная яркость  пиксела определяется по формуле
1
1
2
2
1
1
2
2
i>I, i<I, j>J, j<J,
1
2
1
2
1
2
const
1
2
const
max
min
где i, i - ординаты нижней и верхней строк, входящих в искаженную область, j, j - абсциссы левого и правого столбцов, входящих в искаженную область, I, I - ординаты нижней и верхней строк области, по которой производится определение параметров k, I, J, J - абсциссы левого и правого столбцов области, по которой производится определение параметров k, I, I', I' - априорно заданные величины, первоначально определяемые в автоматизированном режиме для используемого ОЭД.
Для коррекции изображения контроллер 4 рассчитывает по формулам (14)-(16) откорректированные значения яркостей пикселов искаженных столбцов (областей) и записывает откорректированные значения в БП 3: контроллер 4 последовательно на второй группе выходов формирует рассчитанные откорректированные значения яркостей пикселов, поступающие на первую группу входов БП 3, контроллер 4 на первой группе выходов последовательно формирует адреса, поступающие на вторую группу входов БП 3, по которым записываются яркости пикселов, контроллер 4 со второго выхода подает на вход БП 3 сигнал, разрешающий запись информации в БП 3.
Последовательность операций, выполняемых контроллером 4 при коррекции искажений, вызванных блумингом, следующая: определение искаженных областей кадра по выражениям (1)-(13), коррекция яркостей пикселов искаженных областей в соответствии с выражениями (14)-(16), повторение указанных операций до тех пор, пока при определении искаженных областей кадра не найден ни один искаженный столбец.
Откорректированное изображение передается для дальнейшего использования внешними устройствами по группе входов-выходов контроллера 4.
В качестве контроллера 4 может быть использована микроЭВМ или микроконтроллер (например, микроЭВМ, описанные в [Системы технического зрения: Справочник / В.И.Сырямкин, B.C.Титов, Ю.Г.Якушенков и др. // Под общей редакцией В.И.Сырямкина, B.C.Титова. Томск: МГП “РАСКО”, 1992. на cc.93-100 в главе 3.6 “Микропроцессоры и микроЭВМ для систем технического зрения”]).
Изобретение позволяет повысить точность коррекции искажений, вызванных блумингом ОЭД, и обеспечить возможность коррекции искажений любых типов ОЭД. Способ позволяет автоматически корректировать искажения изображения на программном уровне и может быть использован для повышения качества фотографий и видеозаписей после их записи (получения).