СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ДЕФЕКТНЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНИКА
METHOD OF COMPENSATING FOR DEFECTIVE PHOTOSENSITIVE ELEMENTS OF MULTIELEMENT PHOTODETECTOR

Изобретение относится к технике формирования изображений, в частности к оптико-электронным системам формирования и обработки инфракрасных изображений (ИК), в которых актуальна задача компенсации дефектности, и предназначено для компенсации дефектных фоточувствительных элементов фотоприемных устройств (ФПУ).
Известен способ компенсации дефектных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника (патент РФ №2025905 на изобретение, МПК: 5 H04N 5/20), заключающийся в том, что при формировании изображения сигнал от дефектного элемента замещают сигналом от предыдущего полноценного элемента.
К недостаткам приведенного способа относится, во-первых, невысокое качество тепловизионного изображения, получаемого с фотоприемника, в частности, на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути, во-вторых, высокие аппаратные затраты на реализацию компенсации фоточувствительных элементов, в-третьих, невысокая надежность компенсации дефектных элементов, зависимость от контрастности наблюдаемых сцен и, наконец, зависимость качества замещения дефектных элементов от нестабильности структуры на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути. Причины недостатков заключаются в следующем.
Известный способ не учитывает нестабильность структуры на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути (КРТ), в результате которой с течением времени на изображении появляются элементы в виде темных или белых точек. В способе для качественной компенсации дефектного элемента требуется периодическое обновление таблицы дефектных элементов. Соответственно способ требует дополнительных функций, обеспечивающих периодическую, осуществляемую в процессе работы, калибровку прибора, предназначенную для выполнения нового цикла обнаружения дефектных элементов. Кроме того, указанный способ предъявляет жесткие требования на качество алгоритмов обнаружения дефектных элементов, поскольку не обнаруженные дефектные элементы будут резко выделяться на малоконтрастных изображениях.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, - способ компенсации дефектных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника (К.О.Болтарь, Р.В.Грачев, В.В.Полунеев. Определение дефектных элементов матричных тепловизионных приемников в процедуре двухточечной коррекции // Прикладная физика, 2009, №1, с.81-85), заключающийся в том, что при формировании изображения сигнал от дефектного элемента замещают сигналом, полученным в результате усреднения от двух соседних недефектных элементов, либо замещают сигналом от ближайшего к нему недефектного элемента.
К недостаткам приведенного способа относится, во-первых, невысокое качество тепловизионного изображения, получаемого с фотоприемника, в частности, на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути, во-вторых, высокие аппаратные затраты на реализацию компенсации фоточувствительных элементов, в-третьих, невысокая надежность компенсации дефектных элементов, зависимость от контрастности наблюдаемых сцен и, наконец, зависимость качества замещения дефектных элементов от нестабильности структуры на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути. Причины недостатков заключаются в следующем.
Также как и первый из приведенных аналогов способ не учитывает нестабильность структуры на основе КРТ, в результате которой с течением времени на изображении появляются элементы в виде темных или белых точек. Также способ требует дополнительных функций, обеспечивающих периодическую, осуществляемую в процессе работы, калибровку прибора, предназначенную для выполнения нового цикла обнаружения дефектных элементов. Аналогично указанный способ предъявляет жесткие требования на качество алгоритмов обнаружения дефектных элементов, поскольку не обнаруженные дефектные элементы будут резко выделяться на малоконтрастных изображениях. Кроме того, способ не учитывает появления на изображении дефектных областей с количеством дефектных элементов более одного.
Техническим результатом изобретения является:
- снижение аппаратных затрат на реализацию компенсации дефектных фоточувствительных элементов;
- повышение качества тепловизионного изображения, в частности, получаемого с фотоприемника на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути;
- повышение надежности компенсации дефектного элемента независимо от контрастности наблюдаемых сцен;
- достижение независимости качества замещения дефектных элементов от нестабильности структуры на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути.
Технический результат достигают тем, что в способе компенсации дефектных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника, заключающемся в том, что при формировании изображения сигнал от дефектного элемента замещают, при этом компенсацию дефектных элементов осуществляют в два этапа, на первом этапе сигнал от дефектного элемента замещают сигналом от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента, на втором этапе применяют к полученному изображению медианную фильтрацию, для осуществления которой включают применение фильтра для участка изображения по порогу, привязанному к среднему значению шума фотоприемника, фильтрации подвергают те элементы, для которых разность значения сигнала элемента и медианы фильтра больше значения порога, им присваивают соответствующее значение медианы.
В способе на первом этапе сигнал от дефектного элемента замещают сигналом от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента, при этом проводят замещение относительно всех одиночных дефектных элементов, расположенных по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента.
В способе на первом этапе сигнал от дефектного элемента замещают сигналом от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента, при этом проводят замещение относительно всех дефектных элементов, расположенных подряд по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента.
В способе включают применение фильтра для участка изображения по порогу тем, что с порогом сравнивают разность между значением сигнала центрального элемента маски фильтра и значением медианы фильтра.
В способе значение порога выбирают пропорциональным среднему значению шума фотоприемника.
В способе медианную фильтрацию осуществляют с маской размера (2k+1)×(2k+1) элемента, где k - целое число и k≥1.
В способе медианную фильтрацию осуществляют с маской размера 3×3 элемента.
2,1
3,1
4,1
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 приведен участок изображения размером 5×5 пикселей с указанием порядковых номеров, соответствующих фоточувствительным элементам. На Фиг.2 показан один из примеров участка исходного изображения размером 5×5 пикселей, в формировании которого участвуют дефектные фоточувствительные элементы - S, S и S, помеченные черным цветом. Фиг.3 иллюстрирует первый этап компенсации дефектных элементов. Фиг.4 иллюстрирует результат работы медианного фильтра с порогом, например, 10 на втором этапе компенсации. Фиг.5 иллюстрирует результат работы медианного фильтра на втором этапе компенсации, в случае, когда порог равен 5.
Достижение технического результата в предлагаемом изобретении осуществляется следующим образом. На начальном этапе производят замещение всех предварительно обнаруженных дефектных элементов соседним слева полноценным элементом. Это позволяет уменьшить аппаратные затраты на дальнейшую реализацию компенсации дефектных элементов. Уменьшение указанных затрат обусловлено падением эффективности медианного фильтра при существовании на изображении дефектных участков, соизмеримых с размерами медианного фильтра.
На следующем этапе осуществляют медианную фильтрацию полученного теплового изображения, в частности, с маской размера 3×3 элемента. В результате медианной фильтрации резкие перепады яркости устраняются независимо от момента калибровки прибора. При этом фильтрации подвергают только те элементы, для которых разность значения сигнала элемента и медианы фильтра больше значения некоторого порога, пропорционального среднему значению шума фотоприемного устройства. Это, в свою очередь, позволяет также исключить полное размывание изображения, присущее применению медианного фильтра. Таким образом, обеспечивают повышение качества тепловизионного изображения, в частности, получаемого с фотоприемника на основе КРТ, и достигают надежности компенсации дефектного элемента независимо от контрастности наблюдаемых сцен, а также независимости качества замещения дефектных элементов от нестабильности структуры на основе КРТ.
В общем, при реализации способа с достижением указанного технического результата медианную фильтрацию осуществляют с маской размера (2k+1)×(2k+1) элемента, где k - целое число и k≥1. Например, при маске 5×5 элементов. Однако следует отметить, что при увеличении маски более чем 3×3 элемента увеличиваются ресурсы, необходимые для реализации фильтра. Кроме того, при увеличении размера маски начинает происходить размытие контуров изображения и, как следствие, снижение четкости изображения (http://www.controlstyle.ru/articles/science/text/amf/). В связи с этим размер маски выбирают, исходя из условий эксплуатации фотоприемного устройства, от характера решаемых задач при его применении.
В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры с участком изображения 5×5 пикселей (см. Фиг.1), в отношении которого для каждого пикселя указан порядковый номер, соответствующий фоточувствительным элементам.
Пример 1.
В предлагаемом способе компенсации дефектных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника при формировании изображения замещают сигнал от каждого дефектного элемента (см. Фиг.2). Компенсацию дефектных элементов осуществляют в два этапа. На первом этапе сигнал от дефектного элемента замещают сигналом от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента. На втором этапе применяют к полученному изображению медианную фильтрацию.
2,1
3,1
4,1
1,1
3,2
4,2
2,2
2,2
3,4
На первом этапе проводят замещение относительно всех дефектных одиночных элементов, расположенных по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента, а также проводят замещение относительно всех дефектных элементов, расположенных подряд по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента. Так, на Фиг.2 элементы S, S и S являются дефектными элементами, они указаны в таблице дефектных элементов прибора и помечены черным цветом. На первом этапе компенсации указанные элементы замещают на элемент S, и они приобретают соответствующее значение, равное 50. Аналогично, элементы S и S замещают на значение элемента S, равное 65. Здесь элемент S и элемент S являются элементами, не указанными в таблице дефектных элементов прибора в качестве дефектных элементов. Данные элементы соответствуют случаю изменения характеристик фоточувствительного элемента КРТ - при изменении характеристик элементы начинают резко контрастировать с окружающими их элементами.
Замещение всех предварительно обнаруженных дефектных элементов соседним слева полноценным элементом (см. Фиг.3) уменьшает аппаратные затраты на дальнейшую реализацию компенсации дефектных элементов. Это объясняется тем, что при существовании на изображении дефектных участков, соизмеримых с размерами медианного фильтра, эффективность медианного фильтра падает.
На втором этапе применяют к полученному изображению медианную фильтрацию (см. Фиг.3), при которой включают применение фильтра для участка изображения по порогу. При этом включают применение фильтра для участка изображения по порогу посредством того, что с порогом сравнивают разность между значением сигнала центрального элемента маски фильтра и значением медианы фильтра. Значение порога пропорционально среднему значению шума фотоприемника. Порог фильтра выбирают равным 10. Медианную фильтрацию осуществляют с маской размера 3×3 элемента. Благодаря медианной фильтрации устраняют резкие перепады яркости независимо от момента калибровки прибора.
2,2
3,4
2,2
3,2
4,2
2,2
3,2
4,2
3,4
При этом фильтрации подвергают только те элементы, для которых разность значения сигнала элемента и медианы фильтра больше значения указанного порога, который привязывают к среднему значению шума фотоприемника. Это позволяет исключить полное размывание изображения, присущее применению медианного фильтра. В данном случае размыванию изображения подвергаются только участки с перепадами яркости больше установленного порога. Так, на Фиг.3 элементы S и S, являясь необнаруженными дефектными элементами, составляют резкий контраст с окружающими элементами. Кроме того, в отношении элемента S, то его значение получают элементы S и S, указанные в таблице дефектных элементов как дефектные элементы. При применении медианного фильтра с порогом 10 элементам S, S, S и S присваивают соответствующие значения медианы при прохождении маски с размером 3×3 элемента фильтра по соответствующим элементам (см. Фиг.4).
Рассмотренный пример является одним из частных случаев реализации в отношении величины порога и размера маски.
Пример 2.
В предлагаемом способе компенсации дефектных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника при формировании изображения замещают сигнал от каждого дефектного элемента (см. Фиг.2). Компенсацию дефектных элементов осуществляют в два этапа. На первом этапе сигнал от дефектного элемента замещают сигналом от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента. На втором этапе применяют к полученному изображению медианную фильтрацию.
2,1
3,1
4,1
1,1
3,2
4,2
2,2
2,2
3,4
На первом этапе проводят замещение относительно всех дефектных одиночных элементов, расположенных по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента, а также проводят замещение относительно всех дефектных элементов, расположенных подряд по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента. Так, на Фиг.2 элементы S, S и S являются дефектными элементами, они указаны в таблице дефектных элементов прибора и помечены черным цветом. На первом этапе компенсации указанные элементы замещают на элемент S, и они приобретают соответствующее значение, равное 50. Аналогично, элементы S и S замещают на значение элемента S, равное 65. Здесь элемент S и элемент S являются элементами, не указанными в таблице дефектных элементов прибора в качестве дефектных элементов. Данные элементы соответствуют случаю изменения характеристик фоточувствительного элемента КРТ - при изменении характеристик элементы начинают резко контрастировать с окружающими их элементами.
Замещение всех предварительно обнаруженных дефектных элементов соседним слева полноценным элементом (см. Фиг.3) уменьшает аппаратные затраты на дальнейшую реализацию компенсации дефектных элементов. Это объясняется тем, что при существовании на изображении дефектных участков, соизмеримых с размерами медианного фильтра, эффективность медианного фильтра падает.
На втором этапе применяют к полученному изображению медианную фильтрацию (см. Фиг.3), при которой включают применение фильтра для участка изображения по порогу. При этом включают применение фильтра для участка изображения по порогу посредством того, что с порогом сравнивают разность между значением сигнала центрального элемента маски фильтра и значением медианы фильтра. Значение порога пропорционально среднему значению шума фотоприемника. Порог фильтра выбирают равным 25. Медианную фильтрацию осуществляют с маской размера 3×3 элемента. Благодаря медианной фильтрации устраняют резкие перепады яркости независимо от момента калибровки прибора.
2,2
3,4
2,2
3,2
4,2
2,2
3,2
4,2
3,4
При этом фильтрации подвергают только те элементы, для которых разность значения сигнала элемента и медианы фильтра больше значения указанного порога, который привязывают к среднему значению шума фотоприемника. Это позволяет исключить полное размывание изображения, присущее применению медианного фильтра. В данном случае размыванию изображения подвергаются только участки с перепадами яркости больше установленного порога. Так, на Фиг.3 элементы S и S, являясь необнаруженными дефектными элементами, составляют резкий контраст с окружающими элементами. Кроме того, в отношении элемента S, то его значение получают элементы S и S, указанные в таблице дефектных элементов как дефектные элементы. При применении медианного фильтра с порогом 25 элементы S, S, S и S сохраняют свои первоначальные значения, т.к. разность между соответствующим значением медианы фильтра при прохождении маски с размером 3×3 элемента по соответствующим элементам и значением элемента не превышает установленный порог 25. Результатом осуществления действий способа будет участок изображения со значениями, представленными на Фиг.3. Для указанного порога эффективность осуществления второго этапа способа отсутствует.
Пример 3.
В предлагаемом способе компенсации дефектных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника при формировании изображения замещают сигнал от каждого дефектного элемента (см. Фиг.2). Компенсацию дефектных элементов осуществляют в два этапа. На первом этапе сигнал от дефектного элемента замещают сигналом от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента. На втором этапе применяют к полученному изображению медианную фильтрацию.
2,1
3,1
4,1
1,1
3,2
4,2
2,2
2,2
3,4
На первом этапе проводят замещение относительно всех дефектных одиночных элементов, расположенных по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента, а также проводят замещение относительно всех дефектных элементов, расположенных подряд по строке, на сигнал от полноценного элемента, расположенного слева от дефектного элемента. Так, на Фиг.2 элементы S, S и S являются дефектными элементами, они указаны в таблице дефектных элементов прибора и помечены черным цветом. На первом этапе компенсации указанные элементы замещают на элемент S, и они приобретают соответствующее значение, равное 50. Аналогично, элементы S и S замещают на значение элемента S, равное 65. Здесь элемент S и элемент S являются элементами, не указанными в таблице дефектных элементов прибора в качестве дефектных элементов. Данные элементы соответствуют случаю изменения характеристик фоточувствительного элемента КРТ - при изменении характеристик элементы начинают резко контрастировать с окружающими их элементами.
Замещение всех предварительно обнаруженных дефектных элементов соседним слева полноценным элементом (см. Фиг.3) уменьшает аппаратные затраты на дальнейшую реализацию компенсации дефектных элементов. Это объясняется тем, что при существовании на изображении дефектных участков, соизмеримых с размерами медианного фильтра, эффективность медианного фильтра падает.
На втором этапе применяют к полученному изображению медианную фильтрацию (см. Фиг.3), при которой включают применение фильтра для участка изображения по порогу. При этом включают применение фильтра для участка изображения по порогу посредством того, что с порогом сравнивают разность между значением сигнала центрального элемента маски фильтра и значением медианы фильтра. Значение порога пропорционально среднему значению шума фотоприемника. Порог фильтра выбирают равным 5. Медианную фильтрацию осуществляют с маской размера 3×3 элемента. Благодаря медианной фильтрации устраняют резкие перепады яркости независимо от момента калибровки прибора.
2,2
3,4
2,2
3,2
4,2
2,2
3,2
4,2
3,4
4,1
При этом фильтрации подвергают только те элементы, для которых разность значения сигнала элемента и медианы фильтра больше значения указанного порога, который привязывают к среднему значению шума фотоприемника. Это позволяет исключить полное размывание изображения, присущее применению медианного фильтра. В данном случае размыванию изображения подвергаются только участки с перепадами яркости больше установленного порога. Так, на Фиг.3 элементы S и S, являясь необнаруженными дефектными элементами, составляют резкий контраст с окружающими элементами. Кроме того, в отношении элемента S, то его значение получают элементы S и S, указанные в таблице дефектных элементов как дефектные элементы. При применении медианного фильтра с порогом 5 всем элементам, для которых разность между соответствующим значением медианы фильтра при прохождении маски с размером 3×3 элемента по соответствующим элементам и значением элемента превышает установленный порог, будут заменены на соответствующие значения медианы. Так, будут заменены дефектные элементы S, S, S и S. Кроме того, при указанном пороге фильтра будут заменены элементы, которые дефектными не являются. Так, например, будет заменен элемент S. (Фиг.5).