Исследование метода спектрозональной селекции при перекрестных связях в каналах цветных видеокамер Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Исследование метода спектрозональной селекции

17

УДК 681.78

А. А. Мараев, А. Н. Тимофеев, С. Н. Ярышев

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ ПРИ ПЕРЕКРЕСТНЫХ СВЯЗЯХ В КАНАЛАХ ЦВЕТОВЫХ ВИДЕОКАМЕР

Предложены алгоритмы обработки спектрозональных изображений на едином матричном поле анализа с учетом перекрестных связей между элементами оптико-электронной системы предупреждения техногенных катастроф по пространственному положению элементов конструкции. Предложенный способ спектрозональных измерений координат активных реперных меток в поле зрения единого цветового матричного фотоприемника позволяет учитывать воздействие градиента температур воздушного тракта на процесс контроля оптико-электронной системы.

Ключевые слова: спектрозональный метод, оптико-электронная система, оценки координат изображений меток.

Для предупреждения техногенных катастроф возможно применять распределенные оптико-электронные системы (РОЭС) долговременного и оперативного контроля по пространственному положению элементов [1, 2], поскольку обследования технического состояния и экспертизы промышленной безопасности подавляющего большинства зданий и сооружений проводятся нерегулярно.

Использование РОЭС с многоэлементными фотоприемниками (МФП) имеет целый ряд преимуществ по сравнению с использованием остальных методов измерения координат. Погрешность таких измерителей достигает 0,05 от шага элемента фотоприемной многоэлементной структуры [3]. Помимо того, комплексирование информации по длине волны оптического излучения в многоканальных РОЭС с МФП [4] позволяет повысить эффективность работы систем такого класса.

В современных РОЭС существенное влияние на результат контроля оказывает среда распространения оптического излучения. Прежде всего, величина погрешности измерений зависит от таких явлений в атмосфере, как рефракция и турбулентность воздушного тракта. Рефракция вызывает систематическое отклонение направления распространения оптического излучения, в основном вследствие температурного градиента показателя преломления воздуха. Одним из способов уменьшения влияния рефракции является использование принципа спектрозональной селекции [5].

Целью настоящей работы является исследование возможности реализации спектрозо-нального метода при контроле пространственного положения активных реперных меток (РМ) РОЭС [1, 2] на МФП с учетом перекрестных связей между цветовыми фотоприемными матричными полями.

Наиболее доступным вариантом для реализации спектрозональной селекции является применение видеокамеры, каналы которой соответствуют трем основным цветам системы RGB [2]. В соответствии с шаблоном Байера три основных цвета формируют три спектрозональных канала RGB, информация с которых может быть снята с фотоприемника независимо друг от друга, так как каналы „обслуживаются" независимыми группами пикселов. На рис. 1 представлены кривые (4—6) спектральной плотности фоточувствительности пикселов соответственно для RGB составляющих (КМОП матрицы OV561) и 1—3 — спектральных составляющих яркости характерного RGB ПИД. Кривая 6 (рис. 1) спектральной плотности фоточувствительности пикселов синей (B) области спектра пересекается с областью чувствительности красных (R) полупроводниковых излучающих диодов (ПИД), в то время как кривая 3

спектральной области излучательной способности синих (В) ПИД не пересекается с кривой 1 красных. При обработке изображений РМ, реализованных белыми ПИД в разных спектральных диапазонах, между каналами возникают перекрестные связи, которые обусловливают выбор специальных алгоритмов обработки этих изображений РМ.

Рис. 1

На рис. 2 продемонстрировано пространственное расположение изображений синей 1 и красной 2 РМ на синих и красных матричных полях фоточувствительных элементов единой приемной матрицы при наличии вертикального градиента температуры в воздушном тракте: а — расположение синих полей, б — расположение красных полей. В соответствии с расположением элементов байеровского шаблона для матричного фотоприемника синие пикселы занимают нечетные номера элементов матричного поля и располагаются в нечетных строках (рис. 2, а); красные пикселы занимают четные номера элементов и располагаются в четных строках (рис. 2, б).

1 2

Рис. 2

Шаг синих элементов Ръх и Рьу по координатам 0Х и 07 в два раза больше шага матричного поля хг и уг по соответствующим координатам.

Для адекватной оценки координат изображения малоразмерного объекта методом определения энергетического центра (ЭЦ) тяжести требуется, чтобы линейные размеры изображения РМ составляли не менее 4—5 размеров элемента (пиксела) [3]. В этом случае вычисление оценки координат центра синего (В) изображения РМ Хьь цэ и Уьъ цэ (рис. 2, а) для синей области спектра МФП можно производить по формулам:

Исследование метода спектрозональной селекции 19

¡=М г=М

2 -=м Л [ ) х-] 2 j=N Л [ ^) Уi]

Хъъ ЦЭ = м Л ; Тъъ ЦЭ = N Л ±=Ш ' (1)

Mj=0 Л а (X) ^=0 Л е (у)

i=0 г=0

где хг-, у,- — координаты элементов, входящих в окрестность М^Ы; М, N — величина окрестности, содержащей изображение РМ (для квадратных областей М=Ы); а-^-) — суммарный сигнал с элементов, входящих в окрестность--й строки; а(хг) — суммарный сигнал с элементов, входящих в окрестность М^Ы, --го столбца.

Для красного канала шаг элементов Ргх и Ргу (рис. 2, б), так же как и в синем канале, по координатам 0Х и 07 будет в два раза больше шага матричного поля хг и уг по соответствующим координатам.

В этом случае вычисление оценки координат центра красного изображения РМ Хгг цЭ и Угг цэ для используемой системы координат 0X7 в красной области спектра МФП можно производить по аналогичным формулам синего канала:

i=N г=М

Л[ ( х- ) Х- ] 2 =N Л[ ( у- ) У- ]

i=0 . V _ л , 2 ^ -=0

2 - =М 1 ' 1 2 -=N

Хгг ЦЭ = Агх + М Л ±=Ш ; 7гг ЦЭ = Агу + N Л ±=Ш , (2)

М ^ I=л - '' ^ 'У N

м-=0 Л (х-) ^ Л а (у-)

г=0 г=0

где Агх и Агу — горизонтальная и вертикальная поправки в красном канале видеокамеры.

При наличии градиента воздушного тракта для матричного поля синих элементов изображения синей и красной областей излучения РМ будут смещены друг относительно друга (рис. 2, а). Для этого случая в алгоритме энергетического взвешивания изображений РМ на синем матричном поле координаты общего энергетического центра ХоЪцЭ и УоЪцЭ будут определяться выражениями:

i=N -=М

2 - =м Л [ъ(хг) хг + (хг) хг ] 2 г=N Л [б/ъ (у-) у- + (у-) у-

ХоЪ ЦЭ = М Л J=0N ; 7оЪ ЦЭ = N Л Л=j=M , (3)

-=0 Л[ (х-) + бгг (х-) ] г=0 л [е-ъ (у-) + а}г (у-)

г=0 г=0

где ХоъцЭ, 7оъцЭ — координаты общего энергетического центра изображений Я и G РМ на синем поле; хг-, у- — координаты элементов, входящих в окрестность МхЫ; 0/-ъ(хг), ОДх.) — суммарный сигнал с элементов, входящих в окрестность МхЫ, --й строки синих и красных элементов матрицы.

В то же время в алгоритме энергетического взвешивания изображений РМ на красном матричном поле координаты общего энергетического центра ХогцЭ (рис. 2, б) и Уощэ будут определяться как

2 - =м .=

Хог ЦЭ = А « + м Л0 % г п

-=0 Л[ (х-) + а1Г(х.)]

г=N

Л [ъ(хг) хг + (хг) хг ]

г=0

г=0

j=M

2 =N T[Qjb(y)y + Qjr(yj)yj

Yor ЦЭ = Ary +N S -, (4)

i=0 S Q (yj) + Qjr (yj) ] 1=0

где ХогцЭ, ГогцЭ — координаты общего энергетического центра изображений R и В РМ на красном матричном поле.

Для определения величины вертикального градиента температуры воздушного тракта необходимо вычислить разность положений энергетических центров синего и красного изображения РМ:

AYrb = Ybb ЦЭ Yrr ЦЭ. (5)

Величину AYrb выражают через регистрируемые координаты Yob^ (3) изображения РМ на синем матричном поле и координаты Yc-цэ (4) изображения РМ на красном матричном поле с учетом коэффициентов перекрестной связи Krb и Kbr между синими и красными матричными полями.

Пусть уровни освещенности в изображениях синих и красных РМ отличаются в kbr раз, т.е.

kbr = Qbb i / Q rr li

где Qbbi — значение освещенности в i-м элементе изображения синей РМ; Qrrl — максимальное значение освещенности в i-м элементе изображения красной РМ. Тогда зависимость координаты положения энергетического центра Yb ЦЭ от регистрируемых координат положения энергетических центров Yob^ и Yc-цэ для синего изображения РМ в синем канале видеокамеры с учетом коэффициентов влияния перекрестных связей Krb, Kbr и kbr будет

Yb^=[ Yob^(Krb/kbr +1) - Yor^ Krb(Kbr + 1)]/(1 - Krb Kbr), (6)

а зависимость координаты положения энергетического центра Yr цЭ от регистрируемых координат положения энергетических центров Yob цЭ и Yor цЭ для красного изображения РМ в красном канале видеокамеры будет:

Yr цЭ =[Yor^ (1+ kbr Kbr) - YrJb^ Kbr (kbr + Krb )]/(1-Kbr Krb). (7)

Тогда c учетом выражений (6) и (7) спектрозональная разность AYrb будет:

AYrb=(Yor^[(1+kbrKbr)+Krb(Kbr+1)] - Yob^[Kbr(Kbr+Krb)+(Krb/kbr+1)])/(1-KrbKbr). (8)

Из выражения (8) нетрудно увидеть, что систематическая составляющая относительной погрешности регистрации спектрозональной разности в случае перекрестных связей сильно зависит от величины Krb, Kbr и kbr, поэтому при обработке результатов измерений спектрозо-нальной разности AYrb необходимо учитывать влияние коэффициентов перекрестных связей в соответствии с выражением (8).

Чтобы оценить возможность реализации спектрозонального метода с учетом перекрестных связей, экспериментально исследовалось влияние градиента температуры воздушного тракта на функционирование физической модели РОЭС с белыми ПИД.

В такой модели РОЭС излучение от белого ПИД проходит через объектив и попадает на цветовой МФП камеры. Разрешение передаваемого видеосигнала, контрастность или способ получения видеоинформации устанавливаются при помощи персонального компьютера, к которому подключена камера. В физической модели РОЭС использовалась камера VEC-545 (матрица КМОП OV5620 формата 1/2,5", размер пиксела 2,2x2,2 мкм, объектив Юпитер-21М, f = 200 мм, расстояние до источника 2,73 м). В качестве РМ использован белый ПИД AL-513RGB, создающий оптическое излучение в трех спектральных диапазонах (^шах= 470, 525 и 625 нм). Обработка и управление моделью РОЭС осуществлялись с помощью специальной компьютерной программы, разработанной в среде Lab View, только для двух длин волн В и R (соответственно 470 и 625 нм).

Исследование метода спектрозональной селекции

21

На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости координат УогцЭ и УоЬцЭ изображений РМ от времени наблюдения (нарастание температуры воздушного тракта) в синем (7) и красном (2) каналах видеокамеры с учетом корректировок перекрестных связей в синем (3) и красном (4) каналах. Как видно из хода кривых 7 и 2, при воздействии температуры на воздушный тракт наблюдается ожидаемое смещение координат центров изображений РМ. При этом координаты УогцЭ и УоьцЭ удаляются друг от друга, что указывает на увеличение спектрозональной разности АУгЬ. Рост оценки СКО координат УогцЭ и УоьцЭ прекращается через час, что характеризует наступление стационарного режима. За это время под воздействием температуры координаты изображений РМ УогцЭ и УоьцЭ сместились соответственно на 22,62 и 20,73 пкс, при этом максимальное СКО не превысило 0,5 пкс. Максимальная спектрозональная разность между измерениями ЦЭ в каналах составила АУгь = 0,14 пкс по вертикали и АХгь= 0,04 пкс по горизонтали, что соответствует градиенту температуры воздушного тракта.

Г, пкс

710 670 630

590 550

0 10 20 30 40 50 /, мин

Рис. 3

С учетом коэффициента коррекции влияния перекрестных связей для значений КЬг =0,165, Кгь =0,013 разность между смещениями центров в каналах составляет АУгь = 0,039 пкс по вертикали и АХгь= 0,011 пкс по горизонтали.

В результате описанных исследований

— предложены алгоритмы пересчета оценки координат изображений активных РМ при спектрозональных измерениях на едином матричном поле анализа цветового МФП;

— доказана возможность синхронно обеспечивать СКО результата измерения положения изображения РМ не более 0,5 пиксела в двух спектральных диапазонах, используя выпускаемые серийно видеокамеры УЕС-545.

— доказано, что предложенный способ спектрозональных измерений координат активных РМ в поле зрения единого цветового МФП позволяет регистрировать воздействие градиента температур воздушного тракта на процесс контроля РОЭС.

Работа проведена в рамках федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 гг.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богатинский Е. М., Коротаев В. В., Мараев А. А., Тимофеев А. Н. Исследование путей ослабления влияния воздушного тракта в распределенных оптико-электронных системах предупреждения техногенных катастроф // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2010. № 3 (67). С. 130.

2. Лашманов О. Ю., Пантюшин А. В., Тимофеев А. Н., Ярышев С. Н. Исследование возможности применения спектрозонального метода для ослабления влияния воздушного тракта в оптико-электронных системах контроля положения // Там же. 2011. № 3 (73). С. 5—9.

1__ 3

\ - —

1 V ---

2

22

Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов

3. Соломатин В. А., Якушенков Ю. Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1986. № 9. С. 62—69.

4. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга; Логос, 2007. 192 с.

5. Latyev S. M., Pankov E. D., Prokofiev A. V., Tymofeev A. N. Refraction's slacking in optoelectronic systems for positioning of elements of ecological dangerous objects // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5381. P. 157—163.

Антон Андреевич Мараев

Александр Николаевич Тимофеев —

Сергей Николаевич Ярышев

Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: antoshka87@gmail.com

канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: timofeev@grv.ifmo.ru

канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: ysn63@mail.ru

Рекомендована факультетом ОИСТ

Поступила в редакцию 25.11.11 г.

УДК 681.78

Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФОТОДИОДОВ В ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОМ И ФОТОДИОДНОМ РЕЖИМАХ

Рассматриваются особенности работы фотодиодов на основе р—«-перехода в фотогальваническом (ФГ) и фотодиодном (ФД) режимах. Выводится выражение для полного тока фотодиода. Проанализированы достоинства и недостатки работы фотодиодов в ФГ- и ФД-режимах.

Ключевые слова: фотодиод, вольтовая чувствительность, фотогальванический режим, фотодиодный режим.

Фотодиодами (ФД) называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р—«-перехода, в которых при облучении появляется ЭДС (фотогальванический режим). В случае, когда к фотодиоду прикладывается питающее обратное напряжение, при облучении ФД появляется обратный ток неосновных носителей и реализуется фотодиодный режим. Фотодиоды изготавливают на основе гомогенного перехода (р—«-переход, образованный на границе двух областей одинакового материала, но с примесями противоположного типа). Возможно изготовление ФД и на основе гетерогенного перехода (р—«-переход, образованный на границе двух областей разного материала с примесями противоположного типа), барьера Шоттки (контактный барьер, образующийся на границе „металл—«-полупроводник" или „металл—р-полупроводник").

Рассмотрим особенности работы фотодиодов на основе р—«-переходов в фотогальваническом (ФГ) режиме [1]. После спекания «- и р-полупроводников начинается процесс диффузии основных носителей «п и рр в противоположные области (в которых они становятся