УДК 681.784.88

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ МАТРИЦ ФПЗС

Валовень Татьяна Юрьевна1, Теплякова Елена Сергеевна2, Строев Владимир Михайлович3
1Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Биомедицинская техника»
2Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Биомедицинская техника»
3Тамбовский государственный технический университет, к.т.н., доцент, доцент кафедры «Биомедицинская техника»

Аннотация
Способ обработки изображений на основе матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью выполняет пространственно - временную обработку изображения одновременно с его формированием. Он позволяет выделять неподвижные и движущиеся слабоконтрастные объекты на нестационарном фоне, при пониженной неоднородности чувствительности ячеек матрицы прибора с зарядовой связью и обеспечивает ослабление ложных пространственных объектов.

Ключевые слова: , , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Валовень Т.Ю., Теплякова Е.С., Строев В.М. Способ обработки изображений на основе матриц ФПЗС // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/06/83380 (дата обращения: 09.06.2017).

В телевизионных системах при обработке малоконтрастных изображений уменьшается отношение сигнал/шум и возрастает влияние неоднородности приёмников изображений [1].
В видеокамерах на основе ФПЗС выходной сигнал может отличаться на разных участках матрицы из-за того, что при изготовлении невозможно достичь абсолютной точности толщина электродов МОП – накопителя, размеров фоточувствительных ячеек. 
Значение данных факторов меняется от ячейки к ячейке и характеризует шумы ФПЗС. Шумы подразделяются на флуктационные и детерминированные.
Флуктуационные шумы – это шум переноса и шум выходного устройства, который пропорционален корню квадратному из емкости узла считывания. 
Детерминированные шумы – это помехи от тактового питания и геометрические шумы, вызванные неоднородностью чувствительности ячеек ФПЗС и распределения темнового тока (рис. 1). 

Рисунок 1. Изображение усиленных шумов ФПЗС

Измерить и учесть темновой ток, иногда уравнять чувствительность всех ячеек ФПЗС возможно программными средствами, но это затруднительно при работе в реальном масштабе времени и сопряжено с дополнительными искажениями полезного сигнала.
Предполагаемый способ может быть использован при создании систем технического зрения для пространственно-временной обработки (ПВО) слабоконтрастных медицинских изображений.
Известны способы ПВО изображений на основе матриц ФПЗС и устройство для его реализации [2, 3], заключающиеся в том, что ПВО выполняют путем дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах ФПЗС, и перемещают в пространстве изображение относительно матрицы ФПЗС. Время накопления в каждой точке пространства изменяют пропорционально величине отсчетов импульсной характеристики реализуемого пространственно-временного фильтра в зависимости от вида фильтрации.
Недостатки данных способов следующие:
при изменении освещенности сцены происходит более быстрое достижение предельного уровня зарядов в ячейке за время дискретного накопления, что не учитывается в способе и исключает возможность адаптации устройства ПВО к изменению условий наблюдения и, следовательно, может привести к переполнению потенциальных ям матрицы ФПЗС в процессе дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения, и внесению искажений при осуществлении ПВО;
неравномерность чувствительности ячеек ФПЗС приводит к паразитной модуляции изображения и, соответственно, ухудшает наблюдение слабоконтрастных объектов.
Предлагаемый способ позволяет выполнять ПВО изображения одновременно с его формированием, обеспечивающую выделение неподвижных и движущихся слабоконтрастных объектов на нестационарном фоне при пониженной неоднородности чувствительности ячеек матрицы прибора с зарядовой связью.
Способ, реализующий ПВО включает следующие последовательные действия: 
проецирование области наблюдения на матрицу фоточувствительных приборов с зарядовой связью изображения; 
дискретное накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью; 
взаимное пространственное смещение изображения и матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью; 
измеряется освещенность проецируемого изображения и в зависимости от величины освещенности формируется сигнал, который управляет длительностью дискретного накопления зарядов Тн i,s;
во время накопления с интервалом Тн i,s/m производится синхронный сдвиг проецируемого изображения на одну ячейку матрицы и сдвиг внутри матрицы на одну ячейку в том же пространственном направлении. 
Для осуществления конкретного вида фильтрации необходимо задать параметры перемещения, которые определяют частотные характеристики реализуемого пространственно-временного фильтра, время накопления в каждой точке пространства изменяется пропорционально величине отсчетов импульсной характеристики реализуемого пространственно-временного фильтра в зависимости от вида фильтрации, а между накоплениями осуществляется пауза на время, необходимое для обеспечения постоянства временного интервала между циклами накопления.
Также необходимо учитывать следующее: направление пространственного сдвига определяет направление ослабления неравномерности чувствительности ячеек матрицы, а число m сдвигов – результирующую неравномерность чувствительности ячеек матрицы.
Способ поясняется следующими рассуждениями и рис. 2 – 7. Введение синхронного сдвига проецируемого изображения на один элемент матрицы и сдвиг внутри матрицы на один элемент в том же направлении не приведет к искажению формируемого изображения сцены и истинного объекта на ней так, как взаимное расположение световых точек сцены и соответствующих точек зарядового профиля в ФПЗС до и после сдвига останется неизменным. Различие заключается в том, что после сдвига накопление производится соседними ячейками ФПЗС. Оно используется для понижения неравномерности чувствительности ячеек ФПЗС и ослабления ложных объектов в изображении.
В ячейке ФПЗС, на которую падает световой поток ФР за время накопления соберется заряд [4]
 ,
где  чувствительность ячейки ФПЗС.
Большинство ячеек ФПЗС обладают стандартной чувствительность . Тогда можно записать, что , где  - относительная чувствительность ячейки ФПЗС.
Пусть формирование изображения равномерно освещенной сцены, излучающей световой поток , производится матрицей ФПЗС размерность 5х5 за время , при этом большинство ячеек имеют стандартную чувствительность  , а часть -  (рис. 2). 
Тогда в прототипе сформируется двухуровневый зарядовый профиль (рис. 3). При этом уровни зарядового профиля равны  и  .
Таким образом, ячейки с чувствительностью  сформируют зарядовый профиль, образующий пространственный ложный объект – вертикальная линия, амплитуда которого будет равна
 
и будет определяться неравномерностью чувствительности ячеек ФПЗС.


Рисунок 2. Матрица чувствительности ФПЗС

Рисунок 3. Двухуровневый зарядовый профиль в ФПЗС

При выделении вертикальных линий предлагаемым способом разобьем стадию накопления на два этапа длительностью  между, которыми произведем сдвиг по горизонтали на одну ячейку матрицы. В результате первого этапа получим двухуровневый зарядовый профиль (рис. 4), причем и 
Вид зарядового профиля после сдвига представлен на рис.5. В результате второго этапа (без учета первого этапа накопления) получим двухуровневый зарядовый профиль (рис. 6), причем  и 
В результате суммирования зарядовых профилей, представленных на рис.5, 6 получим окончательный результат (рис. 7). Полученный зарядовый профиль тоже будет двух уровневым, причем  и 
Следовательно, амплитуда пространственного ложного объекта – вертикальная линия будет равна и будет определяться половинным значением неравномерности чувствительности ячеек ФПЗС.
Рассмотрим конкретный случай обработки – производится обработка двумерным фильтром с маской 7х7.


Рисунок 4. Двухуровневый зарядовый профиль в ФПЗС после первого этапа накопления

Рисунок 5. Двухуровневый зарядовый профиль в ФПЗС после сдвига 

Рисунок 6. Двухуровневый зарядовый профиль в ФПЗС за время второго этапа накопления

Рисунок 7. Результирующий двухуровневый зарядовый профиль в ФПЗС

В этом случае в процессе обработки будет произведено 49 синхронных сдвигов изображения сцены и зарядового профиля внутри ФПЗС. В результате изображение (рис.1) преобразуется в изображение, представленное на рис.8. Сигналы шумов в одной строке ФПЗС до и после обработки имеют следующий вид (рис.9). Из рис. 8, 9 видно, что несмотря на улучшение (близость к постоянной величине), уровень шумов в данном случае достаточно высок. В целом по изображению динамический диапазон усиленных шумов исходно был больше 18, а после обработки снизился до 2. Это указывает на необходимость предварительного отбора матриц ФПЗС с минимальным уровнем шумов.

Рисунок 8. Изображение усиленных шумов ФПЗС до и после обработки

Рисунок 9. Сигналы шумов в одной строке ФПЗС до и после обработки

Таким образом, рассмотренный способ выполняет пространственно – временную обработку изображения одновременно с его формированием, обеспечивающую выделение неподвижных и движущихся слабоконтрастных объектов на нестационарном фоне, при пониженной неоднородности чувствительности ячеек матрицы прибора с зарядовой связью и обеспечивает ослабление ложных пространственных объектов.


Библиографический список
  1. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью.  М.: Радио и связь, 1991. 264 с.
  2. Патент РФ №2216117, МПК7 H04N 5/14, 10.11.2003. Способ пространственно-временной обработки изображений на основе матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью и устройство для его реализации / В.П.Егоров: ФИПС, 2003.
  3. Коротких В.М., Тищенко А.И., Рябов С.П. Шумы телевизионных камер, нормировка по элементу с максимальным динамическим диапазоном. ST URL: http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/va1999_2/pages/23/pap_23.html (дата обращения 05.06.2017)


Все статьи автора «ingmgb»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: