Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 22

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

Если текущий пиксел ярче, чем смежные, то его яркостьповышается. Пример фильтрующей высокочастотной маски:0-1/4+200-1/4-1/4-1/40К сожалению, в то время как низкочастотная фильтрация сглаживаетшум, высокочастотная фильтрация делает противоположное: усиливает шум.Проблем не будет, если исходное изображение не слишком зашумлено;иначе шум заглушит изображение. Высокочастотная фильтрация можеттакже сделать мелкие детали преувеличенными. Обработанное изображениебудет смотреться зернистым и неестественным, а точечные источники иметьтемные венчики вокруг. Высокочастотная фильтрация может улучшитьизображение, подчеркивая детали, но необоснованное ее применение можетсущественно исказить изображение.Маска дефокусировки-этодругойтипвысокочастотногофильтра.Сначаламаскаформируется с помощью низкочастотной фильтрации изображения.

Затемона вычитается из исходного изображения. Это имеет эффект подчеркиванияконтуров изображения Обычно маска масштабируется перед вычитанием,что дает пользователю больше возможностей для управления качествомподчеркивания. Сила используемого низкочастотного фильтра может бытьтакже отрегулирована.

Сильно размытая маска используется для удалениякрупномасштабных различий яркости, а слегка размытая маска подчеркиваетмелкие детали.БПФ-фильтрация.Фильтрация с большими ядрами свертки может требовать чрезвычайномного времени. К счастью, есть лучший способ фильтрации.

Методиспользует быстрое преобразование Фурье (БПФ). После того как БПФвыполнено, результат ничем не напоминает исходное изображение. Если естьбольшие, но медленные изменения яркости в исходном изображении, тоБПФ-изображение выглядит ярче в углах и вокруг границ. Если изменениеяркости большие и быстрые, то центр изображения выглядит более ярким.Поскольку БПФ перестраивает изображение так, что быстро изменяющиесяособенности находятся в одном месте, а медленно изменяющиеся - в другом,то может применяться любой фильтр. После фильтрации результата БПФвыполняется обратное БПФ.

Если корректировка выполнялась правильно, торезультатом обратного БПФ будет отфильтрованное изображение.Сначала генерируется форма фильтра. Для этого берется БПФ-ядрасвертки или непосредственно генерируется форма, называемая передаточнойфункцией. Затем БПФ применяется к изображению. Каждый пиксел БПФизображенияумножаетсянасоответствующе:пикселфильтрующейматрицы. После обратного БПФ получает отфильтрованное изображение.Математически процесс идентичен пространственной фильтрации, нообработка происходит гораздо быстрее.Медианная фильтрацияявляется разновидностью низкочастотной фильтрации, которая лучшепомогает при подавлении шума.

Вместо замены текущего пиксела среднимзначением по окрестности, его заменяют медианой по окрестности.Медиана рассчитывается путем сортировки значений в порядкевозрастания. Значение элемента в середине списка является медианой.Половина пикселов ярче медианы, другая тусклее.При медианной фильтрации любой пиксел, значение которого намногоотличается от его соседей, исключается. Поэтому подавляется "импульсный"шум типа горячих пикселов и ударов космических лучей.

В отличие отдругих медианный фильтр является нелинейным. Это создает некоторыенеудобства. Например, попытка сгенерировать дефокусирующую маску смедианным фильтром может привести к результатам, которые не существуютв природе.5.2.5. Калибровка кадровКалибровка кадра разброса.Разбросом называют погрешность, которая происходит, когда пикселсчитывается из ПЗС-камеры. К сожалению, каждый пиксел в изображениичасто имеет слегка различный уровень смещения. Если это отклонение отпиксела к пикселу не удалить, то оно становится источником шума визображении. Кадр разброса, по существу, является экспозицией нулевойдлительности (или как можно близко к нулевой длительности) при закрытомзатворе.

Каждый пиксел будет иметь небольшое отклонение от среднегозначения, но если не учитывать даже малое количество шума, то этоотклонение для любого пиксела будет постоянным от изображения кизображению. Так как разброс постоянен от изображения к изображению, тоего можно вычесть.Кадр разброса содержит небольшое количество шума считывания. Этотшум генерируется электронной схемой, которая считывает пикселы.

Вкачественных камерах шум может быть очень низким, но он никогда неравен нулю. Его можно легко подавить, комбинируя множество кадровразброса. В идеале другие типы кадров калибровки (темновой и плоскогополя) должны самостоятельно быть калиброваны по кадру разброса.Разброс для конкретной ПЗС-камеры постоянен в течение длительногопериода времени. Это означает, что достаточно сгенерировать кадрыразброса только однажды и использовать их на всех изображениях в течениемногих месяцев. Обратите внимание, что некоторые ПЗС-камеры могутиметь зависимость разброса от температуры. Небольшие изменения вразбросе не так важны сами по себе, но они могут ухудшать эффективностькалибровки плоского поля.Калибровка темнового кадра.Каждая ПЗС-камера генерирует некоторое количество темнового тока,который накапливается в пикселах в течение экспозиции.

Темновой токгенерируется тепловой энергией, поэтому в высококачественных камерахохлаждают ФПМ ПЗС, чтобы минимизировать данный эффект.Главная проблема с темновым током состоит в том, что оннакапливаетсясразнойскоростьювкаждомпикселе.Еслинекомпенсировать темновой ток, то он добавит большое количество шума визображение. Однако этот эффект может быть легко устранен вычитаниемтемнового кадра. Темновой кадр - снимок, экспонированный при тех жеусловиях, что и нормальный снимок, но при закрытом затворе. Так кактемновой ток в каждом пикселе постоянен при постоянной температуре, тотемновой кадр можно вычесть из нормального кадра, чтобы исключитьвлияние темнового тока.К сожалению, в то время как скорость накопления темнового потокапостоянна, фактическое накопление темнового потока случайно. Удвоениетемного потока увеличивает случайный шум в раз. Большинство ФПМ ПЗСимеют горячие ячейки, которые генерируют большие количества темновоготока; это также означает, что они производят значительно большееколичество шума.

Так как шум случаен и потому непредсказуем, его нельзяисключить. Можно снизить влияние горячих пикселов, но их нельзяполностью исправить.В процессе экспонирования разброс значений темнового тока от ячейкик ячейке приводит к существенному изменению уровня черного для каждогопиксела. Простое вычитание темнового кадра значительно улучшаеткачествоизображения.Возможно,этотакжеувеличиваетуровеньсуммарного шума в изображении. Средний темновой ток вычитается, но шумвсегдаувеличиваетсявкореньквадратныйизсуммыквадратовсоставляющих. Поэтому простое вычитание одного темнового кадраувеличивает уровень шума на 41 %.

Усредняя 10 темновых кадров, можноуменьшить уровень шума приблизительно до 5 %; большее количествокадров может уменьшить добавленный шум незначительно.Так как горячие пикселы вносят дополнительный шум, то можно всееще находить, что изображение имеет "веснушки" (спеклы) послекалибровки; они только стали меньше, некоторые темные, а другие яркие.Есть несколько методов удаления этих шумящих пикселов.

Один путьсостоит в том, чтобы просто заменить их средним значением по окрестностипикселов. Лучший путь заключается в том, чтобы слегка поворачиватькамеру между экспозициями. Таким образом распределение шумовойсоставляющей каждого горячего пиксела будет отличаться от кадра к кадру.Затем можно комбинировать несколько кадров, используя медианный илисигма-алгоритм, который исключит вклад горячих пикселов вообще.Чемболеедлительнаяэкспозицияиспользуется,тембольшенакапливается темнового тока. Это означает, что темновой и световой кадрыдолжны иметь то же самое время экспозиции для выполнения калибровки.Кроме того, они должны быть отсняты в точно такой же температуре,поскольку скорость накопления темнового тока изменяется пропорциональнотемпературе.

Многие ПЗС-камеры имеют в своем составе холодильники свысокой точностью регулирования температуры; это значительно упрощаетуправление темновыми кадрами.Некоторые камеры не имеют температурного регулирования. Еслитемпература изменяется, то темновой кадр больше не будет работать. Этообычно встречается в астрономической практике, когда температурапонижается в течение ночи.

Характеристики

Список файлов лекций