Формирователь сигналов изображения на основе матричного фотоприемного устройства с градиентной коррекцией неоднородности и дефектов фоточувствительных элементов

Заявляемая полезная модель относится к формирователям сигналов изображения (ФСИ) с микросканированием, в которых она предназначена для коррекции неоднородности и дефектов элементов матричного фотоприемного устройства (ФПУ) инфракрасного диапазона спектра.
Прототипом заявляемой модели является полезная модель [патент RU 151059 U1]. Прототип содержит последовательно расположенные объектив, микросканер, фотоприемное устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирователь градиентов входных сигналов, двумерный параллельный накопитель градиентов.
Отличие заявляемой модели состоит в том, что между АЦП и формирователем градиентов находится корректор входных сигналов, и соответственно формирователь градиентов осуществляет определение градиентов по входным скорректированным кадрам.
Замысел коррекции входных сигналов направлен на уменьшение шума микросканирования, определение этого шума сформулировано в [«Исследование нейронной схемы формирования изображения для ФПУ с микросканированием» Жегалов С.И., Фадеев В.В. // Успехи прикладной физики. 2015, № 6, с. 573-578], там же определяется мера влияния шума микросканирования на качество формируемого изображения.
Как и почему уменьшается шум микросканирования и, как следствие, повышается качество формируемого изображения, поясним с помощью [«Градиентная коррекция неоднородности фотоприемных устройств с микросканированием» Жегалов С.И., Соляков В.Н., Фетюхина В.Г. // Прикладная физика. 2011, № 6, с. 149-154].
n,m
n+,m+
Элементом шума микросканирования в градиенте (см. формулу (2) в статье) является компонента A⋅dР(τ).
2
n,m
n+,m+
Дисперсия этой компоненты σ(A⋅dР(τ)) является составляющей частью общей дисперсии ошибки, см. в статье ниже.
2
2
2
2
n,m/n+,m+
n,m
n,m/n+,m+
n,m
n+,m+
n,m
σ(dE)=σ (A⋅dР)+σ (A⋅dР(τ))+2⋅σ(SH).
n+,m+
n,m
n+,m+
2
Так как величина dP(τ) колеблется около нуля, то очевидно, что с ее уменьшением уменьшается и вклад дисперсии σ(A⋅dР(τ)) в общую дисперсию ошибки.
n,m
n+,m+
Корректор входных сигналов уменьшает влияние компоненты A⋅dР(τ) на градиенты за счет вычитания из входных кадров оценки изменения сцены от кадра к кадру. Оценка получается посредством линейной аппроксимации на основании того, что изменение значения сигнала на элементе (пикселе) фотоприемного устройства в зависимости от времени, в течение ближайших нескольких кадров достаточно близко к линейной зависимости.
Задачей предлагаемой полезной модели является построение устройства с линейной коррекцией входных сигналов, обеспечивающего повышение качества формирования изображения.
Задача решается тем, что формирователь сигналов изображения на основе матричного фотоприемного устройства с градиентной коррекцией неоднородности и дефектов фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные объектив, микросканер, фотоприемное устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), линейный корректор входных сигналов, формирователь градиентов скорректированных входных сигналов, двумерный параллельный накопитель градиентов, сигналы с ФПУ поступают на АЦП, сигналы с АЦП поступают на линейный корректор входных сигналов, сигналы с корректора поступают на формирователь градиентов скорректированных входных сигналов, сигналы с формирователя градиентов подают на двумерный параллельный накопитель градиентов, кадры скорректированного изображения снимают с выхода двумерного параллельного накопителя градиентов.
Сущность полезной модели поясним описанием работы устройства.
Блок-схема устройства заявляемой модели приведена на фиг. 1, где 1 - сцена; 2 - микросканер; 3 - матричное фотоприемное устройство; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - линейный корректор входных сигналов; 6 - формирователь градиентов скорректированных сигналов; 7 - двумерный параллельный накопитель градиентов; 8 - скорректированное изображение; 9 - объектив.
Устройство работает следующим образом. Пояснение даем на примере микросканирования по 4-м направлениям.
Микросканер, как и в прототипе, осуществляет четырехпозиционную траекторию микросканирования: 4-ем очередным сдвигам изображения сцены относительно матрицы фотоприемного устройства на полпиксела - вправо, вниз, влево и вверх соответствуют 4 очередных сдвиговых кадра изображения с выхода фотоприемного устройства. К очередным 4-ым сдвиговым кадрам с фотоприемного устройства получают и бессдвиговый кадр, когда сцена через объектив и микросканер проецируется на фотоприемное устройство без сдвига. Получение этих очередных 5 кадров называем циклом микросканирования.
Формируются скорректированные очередные 5 входных кадров, бессдвиговый и сдвиговые.
Формируются очередные 4 градиентных кадра по скорректированным входным кадрам, как попиксельные разности очередных 4-х скорректированных сдвиговых кадров относительно основного - скорректированного бессдвигового кадра. Двумерным параллельным накоплением очередных 4-х градиентных кадров формируется очередной выходной кадр.
Скорректированные входные кадры формируются следующим образом.
Обозначим через S(i),SL(i),SV(i),SP(i),SN(i),S(i+1),… последовательность кадров с АЦП очередного цикла, i-го цикла микросканирования, где
S(i) - бессдвиговый кадр i 1-го цикла микросканирования;
SL(i) - сдвинутый влево кадр i+1-го цикла микросканирования;
SV(i) - сдвинутый вверх кадр i+1-го цикла микросканирования;
SP(i) - сдвинутый вправо кадр i+1-го цикла микросканирования;
SN(i) - сдвинутый вниз кадр i+1-го цикла микросканирования;
S(i+1) - бессдвиговый кадр i+1-го цикла микросканирования.
Формируется разность бессдвиговых кадров dS(i+1, i)=S(i+1)-S(i).
Формируются скорректированные входные кадры очередного цикла
К
S(i)=S(i);
К
SL (i)=SL(i) - dS(i+1, i) * 0.2;
К
SV(i)=SV(i)-dS(i+1,i)*0.4;
К
SP(i)=SP(i) - dS(i+1,1)*0.6;
К
SN=SN(i)-dS(i+1, i)*0.8.
5 выходных кадров получаются последовательно с двумерного параллельного накопителя градиентов:
1-й выходной кадр - по результатам накопления градиентов dS0L(i),dS0V(i),dS0P(i),dS0N(i), разностей скорректированного бессдвигового кадра (нулевого - нулевой сдвиг) и скорректированных сдвиговых кадров;
2-й выходной кадр - по результатам накопления градиентов dSL0(i),dSLV(i),dSLP(i),dLSN(i), разностей скорректированного влево сдвинутого кадра с остальными 4 скорректированными входными кадрами;
и т.д.,
5-й выходной кадр - по результатам накопления градиентов dSN0(i),dSNL(i),dSNV(i),dNP(i), разностей скорректированного вниз сдвинутого кадра с остальными.
В качестве инструмента для подтверждения работоспособности и подтвеждения эффективности заявляемой полезной использовалась полунатурная модель микросканирования с градиентной обработкой изображения [«Исследование нейронной схемы формирования изображения для ФПУ с микросканированием» Жегалов С.И., Фадеев В.В.//Успехи прикладной физики. 2015, № 6, с. 573-578].
В качестве сцены использовались записи выходных кадров с переносного тепловизора, наблюдалась местность с движущимися объектами, дополнительный элемент подвижности сцены вносили колебания тепловизора.
Источником информации для модели ФПУ являлись измерения сигналов реального ФПУ по входным сигналам с АЧТ для диапазонов температур и времен накопления. По измерениям определялись коэффициенты усиления и смещения постоянной составляющей элементов ФПУ, дефектные элементы, параметры временного шума.
Результаты с микросканированием с двухточечной коррекцией тех же последовательностей кадров по опорным сигналам, сопоставление осуществлялось по коэффициенту корреляции выходных и кадров сцены.
Результаты показаны в таблице.