CC BY
11
УДК 621.397.13
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ШУМА ОХЛАЖДАЕМОГО МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА ИК-ДИАПАЗОНА
Н.П.Корнышев, М.Д.Любимов, А.С.Сенин*, Ю.В.Степанов*
QUANTITATIVE AND QUALITY ESTIMATION OF FIXED PATTERN NOISE OF IR MATRIX SENSORS
N.P.Kornyshev, M.D.Liubimov, A.S.Senin*, Iu.V.Stepanov*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Nikolai.Kornishev@novsu.ru
*ЗАО «ЭЛСИ», Великий Новгород
Рассматриваются вопросы временной стабильности количественных характеристик геометрического шума в матричных фотоприемниках ИК-диапазона. Приводятся результаты оценки изменения дисперсии геометрического шума на интервале времени до 6 часов.
Ключевые слова: матричные фотоприемники, геометрический шум
This paper considers the problems of the timing stability of quantitative characteristics of the fixed pattern noise in the IR matrix sensor. Estimations of the changes in the fixed pattern noise dispersions for the time period of 6 hours are resulted. Keywords: IR matrix sensor, fixed pattern noise
Геометрический шум (ГШ) принято считать детерминированной помехой [1], с которой борются в основном компенсационными методами [2], основанными на запоминании эталонных кадров изображений, полученных при последовательном равномерном облучении фотоприемника от источника с низким («холодная» калибровка) и высоким («горячая» калибровка) уровнем излучения (так называемая двухточечная коррекция). Результаты исследований данного метода опубликованы в ряде источников, в частности в [3-7].
Вместе с тем вопросы долговременной временной стабильности геометрического шума в литературе освещены недостаточно. Так, например, из известной литературы можно выделить работу [3], в которой произведена оценка временной стабиль-
ности параметров двухточечной коррекции в течение 45 минут.
Однако с практической точки зрения интерес представляет оценка стабильности в течение более продолжительного интервала времени, а именно несколько часов.
Целью данной статьи является ознакомление с результатами обработки видеоданных, полученных при 6-часовом технологическом прогоне двух образцов камеры с охлаждаемым матричным фотоприемником ИК-диапазона.
Методика эксперимента
При технологическом прогоне фотоприемник равномерно облучался от АЧТ с температурой 30°С при экспозиции 3 мс. Контрольные измерения на-
чинались после заданного времени выхода системы охлаждения фотоприемника на рабочий режим. Затем через каждые 30 минут производилась фиксация в ПЭВМ видеопоследовательностей, содержащих не менее 256 видеокадров форматом 512^640. Видеопоследовательности обрабатывались в среде МАТЛАБ путем их преобразования в формат с плавающей запятой double и усреднялись по 256 реализациям. Ниже приведен текст фрагмента программы в МАТЛАБ для получения усредненного изображения R из видеопоследовательности CAPTURE.avi.
video=VideoReader('C:\MATLAB\CAPTURE.avi'); n=2 5 6;
R=double(read(video,1)); for k=2:n
R1=double(read(video,k));
R=(R+R1);
end;
R=R/n;
Из усредненных изображений формировались контрольные изображения, в которых дополнительно выравнивался фон путем вычитания соответствующих сглаженных изображений в маске 15^15, а также устранялись дефекты путем сравнения значений яркостей элементов с заданным порогом и замены в случае его превышения средним значением по полю. В контрольных изображениях оценивалось математическое ожидание, а также дисперсия и среднеквадратическое отклонение (СКО).
Указанная выше последовательность операций иллюстрируется рис.1, на котором представлены 3^-модели соответствующих изображений. Так, исходному усредненному по 256 реализациям изображению, содержащему дефектные элементы и смесь геометрического шума с уменьшенным в результате усреднения флуктуационным шумом на фоне, имеющем некоторую неравномерность по краям изображения, соответствует 3^-модель, приведенная на рис.1а. Модель соответствующая сглаженному исходному изображению, показана на рис.1б, а модель, соответствующая контрольному изображению, предназначенному для количественной оценки геометрического шума, приведена на рис.1в.
Ь* * «
Рис.1. 30-модели исходного, сглаженного и контрольного изображений с кодированием уровней яркости
Ниже приведен текст программы в МАТЛАБ для получения контрольного изображения F из исходного усредненного изображения R.
% СГЛАЖИВАНИЕ ИСХОДНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ R w=fspecial('average',[15 15]); CR=imfilter(R, w, 'conv', 'replicate', 's ame') ;
% КОМПЕНСАЦИЯ ФОНА
dR=R-CR;
% ОЦЕНКА СКО
MR = mean(mean(dR));
DR = mean(mean((dR).л2))-MR.A2;
SDR = sqrt(DR);
% КОМПЕНСАЦИЯ ДЕФЕКТОВ
[x y]=size(R);
num=numel(R);
c=3*SDR;
for n=1:num
if dR(n)>MR+c F(n)=MR;
elseif dR(n)<MR-c F(n)=MR;
else F(n)=dR(n);
end
end
F=reshape(F,[x,y]);
б
в
а
Таблица 1
Значения математического ожидания, дисперсии и СКО ГШ в контрольных изображениях,
соответствующих интервалам 1 час
t, ч 0 1 2 3 4 5 6
Математическое ожидание, отн. ед. 152,48 156,67 157,19 156,85 156,54 156,93 157,17
Дисперсия, отн. ед. 45,02 48,35 48,6 48,33 48,2 48,62 48,74
СКО, отн. ед. 6,71 6,95 6,97 6,95 6,94 6,97 6,98
Таблица 2 Нормированные значения математического ожидания, дисперсии и СКО ГШ в контрольных изображениях, соответствующих интервалам 1 час
t, ч 0 1 2 3 4 5 6
Математическое ожидание, отн. ед. 0,97 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Дисперсия, отн. ед. 0,92 0,99 1,00 0,99 0,99 1,00 1,00
СКО, отн. ед. 0,96 1,00 1,00 1,00 0,99 1,00 1,00
Результаты количественной оценки временной стабильности ГШ
Результаты количественной оценки временной стабильности ГШ приведены в табл.1 и 2. Оценка параметров контрольных изображений F производилась в соответствии с выражениями для вычисления математического ожидания дисперсии D и средне-квадратического отклонения SD в среде МАТЛАБ, а именно:
М = теап(теап(Е)); D = теап(теап((Е).л2))-Мл2; SD = sqrt(D);
На рис.2 приведены графики зависимостей нормированных значений математического ожидания дисперсии D и СКО от времени t. Из рисунка видно, что характер этих зависимостей обладает сходством и характеризуется соответствующим изменением данных параметров на протяжении первого часа про-
гона. В дальнейшем характер зависимостей носит практически неизменный характер в пределах статистической погрешности.
М В, СКО , отн ед.
0.9 --
о,as -:-1-1-1-1-1-1
0 1 2 3 -I 5 6 f , Ч
—•—м —г- -*-ско
Рис.2. Графики зависимостей нормированных значений математического ожидания M, дисперсии D и СКО от времени t
Рис.4. 30-модели с кодированием по яркости, иллюстрирующие изменения в конфигурации дефектных элементов по полю изображения в процессе технологического прогона: t=0 (слева) и t=6ч (справа)
Изменение сигнала фотоприемника, облучаемого от АЧТ, имеющего постоянную температуру, иллюстрируется на рис.3, где показаны два изображения получаемого сигнала при кодировании его уровней яркости, соответствующие t = 0 и t = 6ч.
Одновременно на протяжении технологического прогона происходили изменения в пространственном расположении дефектных элементов и увеличение их числа, что иллюстрируется 3^-моделями, показанными на рис.4.
Аналогичные результаты были получены при повторении технологического прогона на другом образце аппаратуры. Результаты количественной оценки временной стабильности ГШ для второго образца приведены в табл.3.
Графики зависимостей нормированных значений математического ожидания дисперсии D и СКО от времени t для второго образца аппаратуры приведены на рис.5.
Таблица 3
Нормированные значения математического ожидания, дисперсии и СКО ГШ в контрольных изображениях, соответствующих интервалам 1 час
К ч 0 1 2 3 4 5 6
Математическое 0,95 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
ожидание, отн. ед.
Дисперсия, отн. 0,94 0,99 1,00 0,99 1,00 1,00 1,00
ед.
СКО, отн. ед. 0,98 1,00 0,99 1,00 1,00 0,99 1,00
М, С, СКО , ОТН. ед.
Рис.5. Графики зависимостей нормированных значений математического ожидания М, дисперсии D и СКО от времени t для второго образца аппаратуры
Ниже на рис.6 показана 3D-модель разности изображений, соответствующих времени t = 0 и t = 6 ч (сле-
Рис.6. ЗО-модель (вид сверху) разностного изображения F=64 - Ft=04 (слева) и F=64 - F=64 (справа)
ва), а также 3D-модель изображения, соответствующего времени t = 0 ч. В 3D-модели разностного изображения Ft=6ч - Ft=0ч наблюдается структура геометрического шума, свидетельствующая о его изменении в изображении Ft=6ч по отношению к изображению Ft=0ч.
Проведенная в процессе технологических прогонов аппаратуры оценка параметров ГШ охлаждаемых фотоприемников показала наличие стабилизации параметров ГШ аппаратуры через 1 час после выхода на рабочий режим системы охлаждения фотоприемника. После стабилизации параметры ГШ сохраняли свое значение на протяжении всего времени технологического прогона в течение 6 часов. Отклонение параметров составляло не более 1%. Время стабилизации параметров ГШ следует учитывать в методике калибровки аппаратуры при реализации метода двухточечной коррекции ГШ.
Выводы
1. Временная стабильность ГШ сохраняется на достаточно продолжительном интервале времени в пределах 1% после стабилизации режима работы аппаратуры.
2. Время выхода на стабильный режим работы составляет дополнительно не менее 1 ч после выхода на рабочий режим системы охлаждения фотоприемника.
3. Операции по калибровке фотоприемников необходимо производить с учетом времени стабилизации режима.
1. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах, М.: Радио и связь, 1986. 184 с.
2. Сергунов А.А. Методы коррекции неравномерности чувствительности инфракрасных матричных фотоприемников // Известия вузов. Приборостроение. 2009. Вып.8 (52). С.38-42.
3. Соляков В.Н., Кортиков М.В. Исследования долговременной стабильности параметров двухточечной коррекции формирователя сигналов изображения на базе МФПУ формата 256x256 элементов // Прикладная физика. 2010. №1. С.58-61.
4. Брондз Д.С., Харитонова Е.Н. Коррекция геометрического шума МФПУ с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов передаточных характеристик матрицы полиномом Т-порядка. // Журнал радиоэлектроники. 2008. №11. С.1-29.
5. Алексеев С.В., Вяткин С.Н., Гаврилов А.Л. и др. Исследование неравномерности сигнала охлаждаемого матричного фотоприемника ИК-диапазона и предложения по
ее коррекции // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2015. № 7 (90). С.39-45.
6. Корнышев Н.П., Любимов М.Д., Сенин А.С. Оценка результатов коррекции геометрического шума в высокочувствительном матричном фотоприёмнике ИК-диапазона // Вопросы радиоэлектроники. Сер.: Техника телевидения. 2017. Вып.4. С.3-8.
7. Корнышев Н.П., Любимов М.Д., Сенин А.С. Количественная и качественная оценка геометрического шума матричных фотоприемников // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2017. №7 (105). С.23-26.
References
1. Khromov L.I., Lebedev N.V., Tsytsulin A.K., Kulikov A.N. Tverdotel'noe televidenie. Televizionnye sistemy s peremen-nymi parametrami na PZS i mikroprotsessorakh [Solid state TV. Multivariable television systems based on charge coupled devices and microprocessors]. Moscow, 'Radio i sviaz'" Publ., 1986. 184 p.
2. Sergunov A.A. Metody korrektsii neravnomernosti chuvstvitel'nosti infrakrasnykh matrichnykh fotopriemnikov [Methods for correction of not uniform sensivity of infrared focalplane arrays]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie - Journal of Instrument Engineering, 2009, vol. 52, no. 8, pp. 38-42.
3. Soliakov V.N., Kortikov M.V. Issledovaniia dolgovremennoi stabil'nosti parametrov dvukhtochechnoi korrektsii formirovatelia signalov izobrazheniia na baze MFPU formata 256kh256 ele-mentov [Researches of long-term stability of two-point nonuni-formity correction parameters for 256x256 InSb FPA]. Priklad-naia fizika - Applied Physics, 2010, no.1, p.58-61.
4. Brondz D.S., Kharitonova E.N. Korrektsiia geomet-richeskogo shuma MFPU s pomoshch'iu approksimatsii me-todom naimen'shikh kvadratov peredatochnykh kharakteristik matritsy polinomom T-go poriadka [Fixed Pattern Noise correction by least-squares approximation of image sensor's transfer characteristics with Tth degree polynomial]. Zhurnal radioelektroniki - Journal of Radio Electronics, 2008, no. 11, 29 p. Available at: http:/jre.cplire.ru/alt/nov08.
5. Alekseev S.V., Viatkin S.N., Gavrilov A.L., Isaev V.A., Kornyshev N.P., Malakhov A.N. Issledovanie neravnomer-nosti signala okhlazhdaemogo matrichnogo fotopriemnika IK-diapazona i predlozheniia po ee korrektsii [Investigating the non-uniform signal of a cooled photodetector array for IR regions and its correction]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2015, no. 7(90), pp. 39-45.
6. Kornyshev N.P., Liubimov M.D., Senin A.S. Otsenka rezul't-atov korrektsii geometricheskogo shuma v vysoko-chuvstvitel'nom matrichnom fotopriemnike IK-diapazona [Evaluation of the results of correction of geometric noise in a highly sensitive matrix detector of IR-range]. Voprosy ra-dioelektroniki. Ser. Tekhnika televideniia - Questions of radio-electronics. The TV equipment series, 2017, no. 4, p.3-8.
7. Kornyshev N.P., Liubimov M.D., Senin A.S. Kolichestven-naia i kachestvennaia otsenka geometricheskogo shuma ma-trichnykh fotopriemnikov [Quantitative and quality estimation of fixed pattern noise of matrix photodetectors]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2017, no. 7(105), pp. 23-26.
