Методики улучшения изображения

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

    

1. Аналитическая оценка многоканального способа расширения  динамического диапазона телевизионной системы

    Для охранной телекамеры условия наблюдения могут быть охарактеризованы как  условия с параметрической и  непараметрической априорной неопределенностью  сюжетов.

Поэтому высокое качество телевизионного изображения, наблюдаемого в одном кадре для объектов с резким отличием по контрасту, рассматривается как решение задачи по преодолению априорной неопределенности сюжетов по параметру “освещенность”. Как неоднократно отмечалось [1, 2, 3], для этой ситуации решающим параметром (показателем) назначения применяемой телекамеры является ее динамический диапазон.

В общем случае динамический диапазон D определяется соотношением:

D = (E_max – E_min)/ DE, (1)

где E_max и E_min – максимальная и минимальная освещенности объекта соответственно, ΔE – минимальное дифференциальное значение освещенности объекта, подлежащее анализу.

Эта формула  является обобщенной, так как учитывает  частные случаи.

Пусть, например, ΔE = E_min.

Тогда D = (E_max – E_min)/E_{min =} E_max /E_min – 1 » E_max /E_min.

При оценке последнего соотношения для динамического  диапазона в децибелах имеем:

D = 20 lg(E_max /E_min). (2)

Если положить величину ΔE = 1 лк, причем это значение ΔE > E_min, тогда значение динамического диапазона D = E_max – E_min, т.е. численно равно величине диапазона освещенностей в относительных единицах.

Основными параметрами, определяющими динамический диапазон телевизионной системы, являются:

• отношение сигнал/шум преобразователя “свет-сигнал”;
• линейность характеристики преобразования “свет-сигнал”;
• максимальный заряд пиксела (элемента) преобразования “свет-сигнал”.

В общем случае для фотоприемника на матрице  ПЗС последовательность преобразования включает следующие этапы:

• установку предварительного смещения на детекторные элементы (очистку от накопленного паразитного заряда);
• выдержку в течение заданного интервала времени детекторных элементов в режиме накопления фотозарядов;
• перезапись информационных зарядов из накопительных элементов в буферную запоминающую секцию;

• построчный и поэлементный сдвиг массива информационных зарядов из элементов памяти в выходной считывающий элемент.

Величина максимального  заряда обычно ограничивается емкостью накопительного (детекторного) элемента C_{Д. нак} и напряжением в режиме накопления на нем относительно порогового напряжения [4]:

Q_{вых. i макс} £ Q_{Д. макс} = С_{Д. нак} (U_{нак. макс} – U_пор). (3)

Элементы секции памяти и выходного регистра во время  переноса зарядов на считывающий  элемент должны обеспечить неискаженную передачу этого заряда на выход, что обеспечивается выбором разности напряжений высокого U_{в. уj} и низкого U_{н. уj} уровней фазовых сигналов для данной секции или регистра:

U_{в. yj} – U_{н. yj} ≥ Q_{вых. i макс} /C_эj, (4)

где C_эj – эффективное значение емкости элементов соответствующей секции или регистре; j – номер секции или регистра.

Режим смещения выходного считывающего элемента (т.е. его максимальный выходной перепад  напряжения ∆U_{вых. макс}) также должен быть задан исходя из неискаженной передачи максимального заряда от детекторных элементов:

∆U_{вых. макс} = U_оп – U _{о. макс} ≥ Q_{Д. макс} /C_сч, (5)

где U_оп – опорное напряжение, устанавливаемое на емкости считывающего элемента; U_{о. макс} – максимальное остаточное напряжение на емкости; C_сч – эффективное значение емкости считывающего элемента с учетом действия всех шунтирующих емкостей.

Таким образом, значения управляющих напряжений выбираются исходя из обеспечения неискаженной передачи максимального заряда детекторного элемента на выход и считывания его.

При увеличении заряда в потенциальной яме в  ней происходит уменьшение потенциала. Если количество заряда и дальше будет возрастать, то через некоторое время начнется перетекание его в соседние ячейки. В этом случае на изображении происходит расплывание ярких деталей. Это явление называется оптической пересветкой (blooming).

Для уменьшения размытия создаются ячейки специальных  конструкций. В общем виде для n-канала проводимости (носители заряда – электроны) это выглядит так. Вдоль каждого  столбца фотоячеек проводится узкая  стоковая область, которая находится под большим положительным потенциалом и отделена от ямы некоторым барьером. Теперь избыточный заряд будет переходить в сток, и искажений изображения не возникнет.

Заряды от мощного  ослепляющего источника переполняют  емкость накопителя ячейки, избыточный заряд сливается в антиблюминг, что приводит к ограничению сигнального заряда, оставшегося в накопителе ячейки. Поэтому выходной электрический сигнал фоточувствительной матрицы ПЗС видоизменяется – существенно снижаются сигналы от ослепляющих источников. Но физически они ограничены некоторым максимальным значением U_max, которое определяется емкостью накопителя при заданных глубине потенциальной ямы и потенциале электрода антиблюминга. Указанное значение U_max и определяет номинальный уровень “белого” в видеосигнале.

Если принять, что освещенность светлых поверхностей объектов, находящихся под прямым солнечным светом (E_max), составляет 100 000 лк, а освещенность в тени (E_min) не более 1 лк, то для одновременного телевизионного наблюдения этого сюжета необходим динамический диапазон телекамеры в пять порядков. Получение телевизионных изображений сюжетов с подобным динамическим диапазоном потребует отношения сигнал/шум (ψ) преобразователя “свет-сигнал”, оцениваемого величиной:

ψ = 20 lg 100 000 = 100 дБ.

Современные телекамеры с преобразователем “свет-сигнал”, выполненным в виде ПЗС-матрицы, обеспечивают максимальное отношение сигнал/шум 48 – 52 дБ или 251,2 – 398,1 раз. Дальнейшее увеличение отношения сигнал/шум при помощи охлаждения преобразователя не дает значительного выигрыша.

В работе [5] предлагается способ расширения динамического диапазона  путем создания многоканальной камерной системы.

Выполним аналитическую  оценку этого способа и его  возможных вариантов.

Расчет будем  вести параллельно с изложением признаков данного изобретательского решения.

Пусть величина отношения сигнал/шум матрицы  ПЗС измеряется соотношением:

ψ = U_сп /U_шп, (6)

где U_сп – максимальное напряжение линейного участка световой характеристики фотоприёмника; U_шп – напряжение шумов ПЗС.

Тогда требуемый динамический диапазон яркостей (N) в расчете на N каналов:

N = (E_max – E_min)/DE Ψ = (E_max – E_min)U_шп /DEU_сп. (7)

Наблюдаемое оптическое изображение сцены совмещают  с телевизионным растром каждого  канала. В каждом из каналов регулируют чувствительность путем управления длительностью времени накопления зарядов в матрице ПЗС, рассчитывая на передачу объектов, имеющих большие уровни освещенности. В настроенной системе минимальный уровень видеосигнала (U_с) каждого канала соответствует уровню ограничения размаха видеосигнала предыдущего канала.

Крутизна преобразования “свет-сигнал” каждого канала:

S_i = U_сп /E_i, (8)

где E_i – минимальное пороговое значение освещенности объекта, с которого начинает работать данный канал.

Величину E_i можно считать оценкой светового смещения каждого канала:

E_i = (E_max – E_min)(N_i – 1)/N + E_min, (9)

где N_i – номер данного канала.

И, наконец, все  каналы собирают в единую систему  таким образом, чтобы минимальный  уровень светового диапазона  каждого канала соответствовал уровню ограничения светового диапазона предыдущего канала, а сумма динамических диапазонов всех каналов тракта преобразования была бы равна динамическому диапазону освещенности объекта.

Световые характеристики составляющих и синтезированная  световая характеристика N-канальной системы (отмечена полужирными линиями) представлены на рис. 18.

 
Рис. 18. Световые характеристики N-канальной телевизионной системы 

Очевидно, что  для обеспечения динамического  диапазона в 100 000 раз при использовании  в качестве преобразователей “свет-сигнал” современных матриц ПЗС в телевизионной системе потребуется громадное число каналов N, которое равно: 100 000 / (251,2 ÷ 398,1) ≈ 398 ÷ 251 (!).

Попытаемся найти  выход из этой ситуации, рассмотрев частный случай, когда число каналов N = 2. Тогда величина светового смещения второго канала E₂, определяемая по формуле (9), составит:

E₂ = (E_min + E_max)/2.

Крутизна преобразования первого канала S₁ по соотношению (3) равна:

S₁ = U_сп /E₂.

Крутизна преобразования второго канала S₂ по соотношению (3):

S₂ = U_сп /E_max.

Время накопления преобразователя “свет-сигнал”  первого канала (T_н1) превышает время накопления преобразователя “свет-сигнал” второго канала (T_н2), т.е. T_н2 < T_н1. Световые характеристики первого и второго каналов, а также световые характеристики двухканальной системы изображены на рис. 19.

 
Рис. 19. Световые характеристики двухканальной  системы

 
Рис. 20. Иллюстрация разделения диапазона освещенностей на два канала

Предлагаемое решение поясняется на рис. 20, где а) − освещенность на объекте в системе координат (E, X); б) и в) − видеосигналы i-строки телевизионного растра на объекте для первого и второго каналов.

При использовании  в телекамере в качестве единственного  первого канала преобразования “свет–сигнал”  динамический диапазон (D₁) составит:

D₁ = E₂ − E_min.

Динамический  диапазон двухканальной системы (D₂) составит:

D₂ = E_max – E_min = 2(E₂ – E_min),

т.е. выигрыш  в динамическом диапазоне двухканальной  системы составляет два раза. Соответственно величина T_н1 в два раза больше величины T_н2.