1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗРЕНИЕ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ Международная лаборатория «Сенсорика», ИПМ им.М.В.Келдыша РАН Андреев Виктор Павлович, к.ф.-м.н. Коррекция геометрического шума в СТЗ со сканирующей линейкой фотодатчиков методом отслеживания строк подвижного изображения Москва, 2011г.

2 Параллельное сканирование линейкой фотодатчиков: Отсчёты видеосигнала U i,j формируются в процессе последовательной коммутации фотодатчиков линейки (ФД i ), которые, как единое целое, перемещаются в направлении, перпендикулярном расположению фотодатчиков на линейке (сканирование). У U i,j E(x) КОММУТАТОРКОММУТАТОР Сканирование j = 1, 2 …, M ФД1 ФД2 ФД3 ФД i ФД N Поле изображения

3 Функция преобразования ИК-излучения в электрический сигнал фотодатчика: где : S i - интегральная чувствительность i -го фотодатчика ( 0 < S i 1 ); C i - составляющая видеосигнала, обусловленная темновым током i -го фотодатчика ( C i 0 ); E i (x) - функция яркости оптического изображения, сканируемого по оси x i –м фотодатчиком ( E i (x) 0 ); N - число фотодатчиков в линейке.

4 Разброс параметров фотодатчиков линейки U E (i+1) C ( i ) (i-1) U i = S i * E + C i «Геометрический» шум - несоответствие выходного сигнала U i (x) изображению E i (x). Возникает вследствие разброса значений чувствительности { S i } и значений темновой составляющей { C i } фотодатчиков

5 Проявление «геометрического» шума

6 Процесс коррекции видеосигнала разделяется естественным образом на две части: собственно компенсация неравномерности видеосигнала, которую следует выполнять с частотой опроса фотодатчиков линейки: вычисление корректирующих коэффициентов { K i } и { R i }, которое может выполняться с более медленной скоростью.

7 Вычисление корректирующих коэффициентов Использование одного или двух эталонных источников излучения. Использование статистических свойств изображения. Использование движения оптического изображения относительно поля сканирования

8 Коррекция искажений, вызванных разбросом по чувствительности Точные значения переходных коэффициентов G i,i+1 получаются при : Переходные коэффициенты, вычисленные по кадру длиной L :

9 Вычисление значений корректирующих коэффициентов по чувствительности { K i } для i = 1, 2, …, N где: k – номер опорного фотодатчика

10 Коррекция искажений, вызванных разбросом по темновой составляющей Переходные коэффициенты, вычисленные по кадру длиной L (при ): Точные значения переходных коэффициентов Q i,i+1 получаются при: где:

11 Вычисление значений корректирующих коэффициентов по темновой составляющей { R i } для i = 1, 2, …, N где: k – номер опорного фотодатчика

12 i,i+1 =1 и E i,i+1 =0, если организовать сканирование одной строки оптического изображения двумя смежными фотодатчиками: 1.Использовать дефлектор, встроенный в оптико-механическую систему сканирования, для смещения оптического изображения в направлении нормали к направлению сканирования ровно на межпиксельное расстояние. 2.Организовать или использовать медленное перемещение оптического изображения в направлении нормали к направлению сканирования и зафиксировать момент, когда ( i - 1 )-й фотодатчик будет сканировать i -ю строку изображения.

13 Дискретная модель процесса сканирования Jh j = 1, 2, …, M q = 1, 2, …, 2 h - время кадра t – время опроса N фотодатчиков За время кадра T изображение смещается на y

14 Дискретная модель фотодатчика следует, что отсчёты выходного сигнала для j -й строки i -го фотодатчика при сканировании i -й строки оптического изображения и соседнего ( i - 1)-го фотодатчика при сканировании ( i - 1)-й строки (без учета аддитивной составляющей) для i = 1, 2, …, N j = 1, 2, …, M Из линейной модели фотодатчика

15 Критерий Определим функцию: В процессе перемещения изображения перпендикулярно направлению сканирования ( i -1)-й фотодатчик постепенно будет приближаться ( q 2 h ) к участку изображения с яркостью E i,j, и в тот момент, когда ( i -1)-й фотодатчик займет место i -го фотодатчика ( q =2 h ), т.е. будет сканировать i -ю строку изображения, для всех j отсчетов i -го и ( i -1)-го фотодатчика

16 Алгоритм 1. Для i -го фотодатчика, сканирующего [ i ]-ю строку оптического изображения, запомнить значения 2. Для ( i - 1 )-го фотодатчика с периодичностью сканирования ( T ) выполнять вычисления по формуле: 3. Когда ( i - 1 )-й фотодатчик займет место i –го, т.е. [ q = 2h ], для каждой пары отсчетов m и n (из M на строке) Можно предложить следующий интегральный критерий: для всех j отсчетов [ i ]-й строки для всех j отсчетов [ q ]-й строки для всех j отсчетов d q – расстояние между i -й строкой оптического изображения и центром ( i - 1 )-го фотодатчика при q -м сканировании

17 Проверка эффективности метода путем моделирования на ЭВМ ( x x y ) – pixel исходного цифрового изображения; a = 20 pixels ; h = 25 pixels.

18 Исходные цифровые изображения 1. Аэрофотоснимок 2790 × 480 pixels, 256 уровней квантования яркости 2. Аэрофотоснимок 3000 × 470 pixels, 256 уровней квантования яркости Направление сканирования

19 Эксперимент 1 (изображение 1) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 =C 2 =C 3 =C 4 =C 5 =0; q = y есть 1 pixel за кадр. J(d)/J max dqdq Разброс параметров по { S} составляет 25%

20 Эксперимент 1 (изображение 2) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110 ; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 =C 2 =C 3 =C 4 =C 5 =0; q = y есть 1 pixel за кадр. J(d)/J max dqdq Разброс параметров по { S} составляет 25%

21 Эксперимент 2 (изображение 1) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 =170, C 2 =100, C 3 =220, C 4 =80, C 5 =190; q = y есть 1 pixel за кадр. J(d)/J max dqdq Разброс параметров: по { S} составляет 25% и по { С } составляет 86%

22 Эксперимент 2 (изображение 2) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 =170, C 2 =100, C 3 =220, C 4 =80, C 5 =190; q = y есть 1 pixel за кадр. J(d)/J max dqdq Разброс параметров: по { S} составляет 25% и по { С } составляет 86%

23 Эксперимент 3 (изображение 1) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 = C 2 = C 3 = C 4 = C 5 =0; q = y есть 1 pixel за кадр. Угол 5,7 О (5/50): Ошибка 1 pixel J(d)/J max dqdq Разброс параметров по { S} составляет 25%

24 Эксперимент 3 (изображение 2) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 = C 2 = C 3 = C 4 = C 5 =0; q = y есть 1 pixel за кадр. Угол 5,7 О (5/50): Ошибка 1 pixel J(d)/J max dqdq Разброс параметров по { S} составляет 25%

25 Эксперимент 4 (изображение 1) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 = C 2 = C 3 = C 4 = C 5 =0; q = y есть 1 pixel за кадр. Угол 11,3 О (10/50): Ошибка 6 pixels J(d)/J max dqdq Разброс параметров по { S} составляет 25%

26 Эксперимент 4 (изображение 2) N = 5 (5 фотодатчиков); M = 110; S 1 = 1.0, S 2 = 0.75; S 3 = 1.0, S 4 = 0.75; S 5 = 1.0; C 1 = C 2 = C 3 = C 4 = C 5 =0; q = y есть 1 pixel за кадр. Угол 11,3 О (10/50): Ошибка 0 pixels J(d)/J max dqdq Разброс параметров по { S} составляет 25%

27 Выводы: 1.Позволяет зафиксировать смещение изображения на величину межпиксельного расстояния с точностью до долей этого расстояния 2.Устойчив к разбросу параметров фотодатчиков линейки и за счет интегральности устойчив к качеству исходного изображения 3.Устойчив к изменению направления смещения оптического изображения относительно направления сканирования (до ±11 0 ) 4. Может быть использован как для решения задачи борьбы с «геометрическим» шумом, так и для стабилизации оптического изображения на поле сканирования (в некоторых прикладных задачах) Предложенный критерий:

28 Международная лаборатория «Сенсорика», ИПМ им.М.В.Келдыша РАН Коррекция геометрического шума в СТЗ со сканирующей линейкой фотодатчиков методом отслеживания строк подвижного изображения ВОПРОСЫ ? Андреев Виктор Павлович Москва, 2011г.