Диссертация (1143951), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Следовательно, конструктивные особенности ФП25следует учитывать при проектировании не только самих измерительных систем, нои алгоритмов обработки изображений для них. Кроме того, анализ спектральныххарактеристиксистемы«объект-оптическая схема-фотоприемник»особенноважен при измерениях в условиях нестационарных спектральных характеристик.Такие условия свойственны, например, для систем с переменными условиямиосвещения, для объектов различных цветов, для объектов с интенсивным тепловымсвечением при разных температурах.Равномерность характеристик ФП.
Различия характеристик темнового токаи нуля сигнала отдельных элементов растра приводят к аддитивным составляющимсигнала, проявляющихся в виде аддитивного шума на изображении. Различия всвет-сигнальной характеристике приводят к аналогичным мультипликативнымсоставляющим.Равномерностьхарактеристикограниченатехнологиейизготовления и качеством материалов ФП.При описании равномерности различают следующие характеристики: светсигнальная характеристика элементов, смещение нуля сигнала, темновой ток.Различия в свет-сигнальной характеристике элементов ФП типа ПЗС составляютпорядка 1% (выраженное как среднеквадратическое значение), и могут доходитьдо 10% для ФП типа КМОП, что обусловлено наличием встроенных в каждыйэлемент растра электронных элементов (усилители, преобразователи). Величинаразбросатемновоготокакакправиловышеразбросасвет-сигнальнойхарактеристики и может составить более 10%.
Небольшая часть элементов (какправило, не более 1%) может обладать крайне высоким значением темнового тока,что приводит к насыщению сигнала этих элементов даже при малых временахнакопления (т.н. «горячие пиксели»), что проявляется в виде импульсного шумаизображения. Для снижения величины шума, вызванного неравномерностьюхарактеристик элементов ФП, следует проводить их поэлементную калибровку споследующей коррекцией перед обработкой изображений.Количествоуровнейквантованияопределяетчувствительностьизмерительной системы к изменениям яркости изображения и для современныхФП соответствует 10-12 разрядам двоичного кода (для коммерческих применений)26и может достигать 16 разрядов (для научных применений).
С целью оптимизацииобъемов потоков данных распространено 8-разрядное представление сигналовизображений. В том случае, если количество уровней квантовая на выходе системыменьше динамического диапазона элементов ФП, до этапа квантования применяютэлектронное усиление сигнала, что позволяет скомпенсировать вызваннуюнедостатком уровней квантования неопределенность сигнала.
Как правилоиспользуется линейное преобразование аналоговой величины сигнала в цифровойкод с постоянным шагом квантования во всем диапазоне. Однако, с учетом того,что сигнал подвержен влиянию фотонного шума мультипликативного типа,постоянный шаг квантования приводит либо к избыточному кодированию шума наверхнем диапазоне яркостей, либо к слишком грубому квантованию на нижнемдиапазоне. В литературе описаны эффективные нелинейные способы выбора шагаквантования [26], предназначенные для лучшего обеспечения баланса объемаданных и точности представления сигнала.Глубинапотенциальнойямыэлементанакопленияопределяетнаибольшую достижимую величину отношения сигнал-шум (ОСШ) для данногоФП в отдельно взятом кадре.
Следовательно, глубина потенциальной ямы вомногом определяет предельные характеристики случайных составляющихпогрешностей измерений. С учетом наличия фотонного шума, собственного шумаФП (величиной σ), наибольшее ОСШ для одиночного кадра может быть выраженокак:SNRMAX =N MAXN MAX + σ 2,где NMAX – глубина потенциальной ямы, величина шума в знаменателевыражена среднеквадратическим отклонением сигнала.
Глубина потенциальнойямы зависит от размера элемента накопления и для коммерчески-доступныхсовременных ФП составляет 103-105 носителей сигнала.Динамический диапазон (ДД) ФП характеризуется двумя величинами:внутрикадровым и межкадровым динамическим диапазоном. Внутрикадровый ДДопределяется, прежде всего, предельным ОСШ, а также количеством уровней27квантования АЦП. Для современных ФП предельно достижимый внутрикадровыйДД составляет порядка 104, в то время как динамический диапазон яркостейобъектов в переменных условиях освещения нередко превышает 109. Длярасширения динамического диапазона представимых ФП яркостей применяютперестраиваемоевремянакоплениясигнала,чтопозволяетреализоватьмеждкадровый ДД системы существенно более высоким по сравнению свнутрикадровым.Диапазон времени накопления современных коммерческих КМОП ФПварьируется от порядка 10-5 с до нескольких секунд. Основным фактором,ограничивающим верхний предел длительности накопления, является шумтемнового тока.
При активном охлаждении ФП диапазон времени накопленияможет быть расширен – до нескольких минут при охлаждении элементами Пельте,и до десятков часов при охлаждении жидким азотом. Нижний предел временинакопления для ФП типа ПЗС может быть снижен до 10-8 с за счет примененияспециализированных методов управления накоплением [27].Частота дискретизации светочувствительного поля (кадровая частота) длятрадиционных стандартов формирования изображения составляет 25 или 50Гц (взависимости от типа развертки). Однако в современных цифровых системах, атакже в измерительных системах, не привязанных к традиционным стандартамтелевизионных сигналов, кадровая частота ФП настраивается в процессе работысистемы.
При выборе ФП практический интерес представляет предельная кадроваячастота ФП.Предельная кадровая частота зависит от частоты дискретизации АЦП,количества параллельных каналов АЦП, количества считываемых элементоврастра и режима считывания. Как правило, современные ФП КМОП типасущественно превосходят по данному показателю традиционные ФП ПЗС типа. ВФП типа ПЗС доступ к элементам растра осуществляется последовательно, ипредельная частота ограничена частотой сдвигов зарядовых пакетов сигнала,составляющей для современных ФП порядка 40 МГц. Для увеличения кадровойчастоты ПЗС применяют многоканальное считывание сигнала.
Применяют от 2 до284, реже – до 16 каналов считывания. В КМОП ФП доступ к элементам растраосуществляетсяпроизвольно,чтообеспечиваетболеевысокуюстепеньпараллелизма процесса считывания, и позволяет достичь значительно болеевысоких кадровых частот по сравнению с ПЗС.Зачастую современные оптические измерительные системы востребованы вшироком спектре задач, связанных с измерением быстро изменяющихсяпараметров или измерения в переменных условиях формирования изображения.При этом простое повышение кадровой частоты ФП ведет к повышению потоковданных и энергопотребления систем считывания, обработки и передачиизображений.
Однако во многих случаях информация об измеряемом объектелокализована лишь в некоторой части изображения. В таком случае достаточносчитать и обработать лишь соответствующую часть элементов растра ФП, при этомснижение размера считываемой области компенсируется повышением кадровойчастоты ФП. Эта идея является частью концепции оптико-электронных систем сперестраиваемыми пространственно-временными характеристиками считыванияизображений, рассматриваемой в следующем разделе.Концепцияперестраиваемыхпространственно-временныххарактеристик считывания изображений. В отличие от неспециализированныхоптико-электронныхсистем,всистемахизмерениягеометрииобъектовсчитывание всего растрового поля ФП зачастую является избыточным –информация о геометрии объектов локализована лишь в небольших областяхизображения.Избыточностьведеткповышениюпотоковданныхиэнергопотребления систем считывания, обработки и передачи изображений.Современные аппаратные средства считывания изображений позволяют считать иобработать лишь заданную часть элементов растра ФП.
При этом снижается потокданных, что позволяет повысить временные характеристики системы.Концепция перестраиваемых пространственно-временных характеристиксчитывания изображений начала свое активное развитие с появлениемтвердотельных матричных ФП. Концепция в общем виде представляет собойвозможность считывания и управления отдельными элементами растра ФП в29произвольном порядке и в произвольное время.
На практике, вместо столь общегоподхода, в современных системах наиболее широкое распространение получилиследующие три принципа:• Программируемый выбор считываемой области растра ФП (областиинтереса);• Считываниеэлементоврастраспрограммируемымшагомсвозможностью суммирования сигналов соседних элементов (т.н.биннинг пикселей);• Возможность установки произвольного времени накопления сигнала.В зависимости от возможностей аппаратуры, первый и второй принципымогут быть использованы совместно или взаимоисключающе. Все три принципареализуются с помощью аппаратных возможностей ФП, однако их реализации дляФП типа КМОП и ПЗС существенно отличаются.Поскольку в КМОП ФП доступ к элементам растра на уровне архитектурыосуществляется произвольным образом, то теоретически возможно реализовать наих основе принцип перестраиваемых характеристик в общем виде.
Однакоэлектронные блоки управления параметрами считывания как правило встроены вФП, предоставляя разработчику системы лишь те возможности управления,которые были заложены производителем. Современные КМОП ФП позволяютсчитывать одну и или несколько областей интереса, с возможностьюкомбинирования с функций биннинга. Суммарное время считывания кадраопределяется характерным размером областей интереса (в зависимости отархитектуры – площадью, высотой или шириной).ПрииспользованиитехнологииПЗСуправлениесчитываниемосуществляется внешними устройствами, что позволяет разработчику системыреализовать существенно более широкий спектр алгоритмов управления.
Вчастности, известны реализации принципа области интереса и биннинга. Обаметода позволяют повысить кадровую частоту в обмен на снижение количествасчитываемых строк ПЗС матрицы. Гибкость управления процессом накопления и30считывания ПЗС матриц позволяет реализовать специализированные режимысчитывания, накопления и предварительной обработки сигнала [28]: режимсверхкороткого времени накопления [27], модуляционный режим [29], режимвременной задержки и накопления [30].Применение принципа биннинга пикселей позволяет не только сократитьвремя считывания изображения, но и повысить ОСШ. С этой же целью может бытьустановлено длительное время накопления сигнала.
Однако эффективностьприменения биннинга в определенных условиях может быть выше по сравнению сдлительным накоплением, поскольку при биннинге снижается величинагеометрического шума. Сравнение этих двух подходов более подробнорассмотрено в [31].Применение принципов области интереса и биннинга связано с потерейнекоторой информации об изображении: при считывании области интереса,информация об изображении вне ее полностью теряется; при биннинге – снижаетсячастота пространственной дискретизации изображения. В ряде задач ни та, нидруга потеря информации может быть недопустимой. В таком случае может бытьиспользована возможность гибкого программирования процесса считывания вматрицахтипаПЗС,чтопозволяетреализоватьпринципсчитывания,объединяющий в себе идеи биннинга пикселей и окна интереса, но с меньшимипотерями информации, чем каждое из этих решений в отдельности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
