[go: up one dir, main page]

RU2688616C1 - Method of compensation of geometric noise of infrared images - Google Patents

Method of compensation of geometric noise of infrared images Download PDF

Info

Publication number
RU2688616C1
RU2688616C1 RU2018118899A RU2018118899A RU2688616C1 RU 2688616 C1 RU2688616 C1 RU 2688616C1 RU 2018118899 A RU2018118899 A RU 2018118899A RU 2018118899 A RU2018118899 A RU 2018118899A RU 2688616 C1 RU2688616 C1 RU 2688616C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
brightness
frame
photosensitive elements
pixels
averaged
Prior art date
Application number
RU2018118899A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Алексеевич Кудинов
Олег Вячеславович Павлов
Иван Сергеевич Холопов
Original Assignee
Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" filed Critical Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод"
Priority to RU2018118899A priority Critical patent/RU2688616C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2688616C1 publication Critical patent/RU2688616C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T5/00Image enhancement or restoration
    • G06T5/50Image enhancement or restoration using two or more images, e.g. averaging or subtraction
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T5/00Image enhancement or restoration
    • G06T5/70Denoising; Smoothing
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00Details of television systems
    • H04N5/30Transforming light or analogous information into electric information
    • H04N5/33Transforming infrared radiation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

FIELD: data processing.SUBSTANCE: invention relates to the field of digital image processing and concerns a method for compensating the geometric noise of infrared images from sensors with a vertical arrangement of photosensitive elements. Method consists in receiving the radiation flux and subtracting from the brightness array of pixels of the input image of the array compensated constant components of the signals from the photosensitive elements. Array of constant component signals from photosensitive elements is obtained as a result of recurrent averaging of the brightness of pixels in a set of frames. In each frame, the rows are randomly rearranged, the variance of the brightness gradient is estimated in the recurrently averaged frame in the row direction, and compared with its previous maximum value. If this value is exceeded, the recurrent averaged frame is recorded to the memory, divided into low-frequency and high-frequency components, the high-frequency component is stored in memory and subtracted from the current frame. If the value is not exceeded, the previously stored high-frequency component is subtracted from the current frame.EFFECT: technical result consists in forming a calibration frame with uniform brightness, regardless of the brightness distribution of the observed scene.1 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки цифровых изображений, в частности - фильтрации помех, и может быть использовано для улучшения визуального качества инфракрасных изображений, для которых актуальна задача компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала с матричного фотоприемного устройства (МФПУ) - геометрического шума.The invention relates to the field of digital image processing, in particular - filtering noise, and can be used to improve the visual quality of infrared images, for which the actual task of compensating for the heterogeneity of the constant component of the signal from a matrix photodetector device (MFP) - geometric noise.

Из уровня техники известны способ и система коррекции геометрического шума (патент US 8503821, опубликовано 06.08.2013, МПК: G06K 9/40). В указанном способе компенсация основана на сопоставлении двух кадров видеопоследовательности и содержит следующие этапы:The prior art method and system for the correction of geometric noise (patent US 8503821, published 06.08.2013, IPC: G06K 9/40). In this method, compensation is based on the comparison of two frames of a video sequence and contains the following steps:

- оценку пиксельного смещения между первым и вторым кадрами с МФПУ, причем данная оценка выполняется по характерным особенностям (особым точкам) сцены в первом и втором кадрах;- assessment of the pixel offset between the first and second frames with mfpu, and this assessment is performed on the characteristic features (special points) of the scene in the first and second frames;

- определение различий яркости пикселей с первого и второго кадров, соответствующих одним и тем же объектам сцены;- determination of differences in brightness of pixels from the first and second frames corresponding to the same objects of the scene;

- компенсацию неоднородности яркости на основе различий в средней яркости кадров и информации о направлении смещения от кадра к кадру.- compensation of brightness inhomogeneity based on differences in the average brightness of frames and information on the direction of displacement from frame to frame.

Недостатком способа является ограничение его применения для малоконтрастных изображений, на которых межкадровое смещение по особым точкам оценивается с большой ошибкой.The disadvantage of this method is the limitation of its use for low-contrast images, in which the interframe offset at specific points is estimated with a large error.

Известны способы коррекции неоднородности сканирующих многоэлементных фотоприемных устройств по сигналам сцены (патент RU 2347324, опубликовано 28.05.2007, МПК: H04N 5/33 и патент RU 2411684, опубликовано 10.02.2011, МПК: H04N 5/33, H04N 1/409), в которых:Known methods for correcting the heterogeneity of scanning multi-element photodetectors by scene signals (patent RU 2347324, published 05/28/2007, IPC: H04N 5/33 and patent RU 2411684, published on 10.02.2011, IPC: H04N 5/33, H04N 1/409) in which:

- производится последовательная регистрация элементов сцены соседними фоточувствительными элементами сенсора при сканировании, которое выполняется в направлении, перпендикулярном линейкам фоточувствительных элементов;- sequential registration of the scene elements by adjacent photosensitive elements of the sensor is performed during scanning, which is performed in the direction perpendicular to the lines of photosensitive elements;

- определяется зависимость сигналов каждого элемента от сигналов соседнего элемента и по этим зависимостям оцениваются параметры корректирующих функций: коэффициенты полиномов первого порядка (патент RU 2347324, опубликовано 28.05.2007, МПК: H04N 5/33) или второго порядка (патент RU 2411684, опубликовано 10.02.2011, МПК: H04N 5/33, H04N 1/409);- the dependence of the signals of each element on the signals of the neighboring element is determined and the parameters of the corrective functions are estimated by these dependencies: coefficients of first-order polynomials (patent RU 2347324, published on 28.05.2007, IPC: H04N 5/33) or second order (patent RU 2411684, published 10.02 .2011, IPC: H04N 5/33, H04N 1/409);

- после оценивания параметров функций последовательно осуществляется коррекция сигналов каждого элемента фотоприемного устройства относительно предыдущего.- after evaluating the parameters of the functions, the signals of each element of the photoreceiver are corrected sequentially relative to the previous one.

Недостатками рассмотренных способов являются:The disadvantages of the considered methods are:

- необходимость попадания световых потоков одних и тех же элементов сцены на соседние элементы МФПУ и попадание потоков соседних элементов сцены на один и тот же элемент устройства;- the need for the light fluxes of the same elements of the scene to hit the adjacent elements of the mfpu and the flows of the neighboring elements of the scene to the same element of the device;

- большое время обработки, связанное с вычислением коэффициентов линейной регрессии для каждой пары соседних пикселей кадра.- large processing time associated with the calculation of the linear regression coefficients for each pair of adjacent frame pixels.

От указанных недостатков свободен способ выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников сканирующих линеек тепловизоров (патент RU 2113065, опубликовано 10.06.1998, H04N 5/33), который содержит следующие этапы:From these drawbacks, there is a free method for leveling the uneven sensitivity of photodetectors of scanning lines of thermal imagers (patent RU 2113065, published 10.06.1998, H04N 5/33), which contains the following steps:

- построчно разлагают видеосигнал с выходов фотоприемников,- line by line decompose the video signal from the outputs of photodetectors,

- видеосигналы с выхода каждого фотоприемника суммируют вдоль каждой строки,- video signals from the output of each photodetector summarize along each line,

- сглаживают полученную последовательность суммарных сигналов в направлении кадровой развертки,- smooth the resulting sequence of total signals in the direction of the vertical scan,

- для каждой строки вырабатывают корректирующий сигнал путем деления сглаженного суммарного сигнала для данной строки на соответствующий этой строке суммарный сигнал,- for each line produce a correction signal by dividing the smoothed sum signal for a given line by the sum signal corresponding to this line,

- формируют результирующий выровненный сигнал на каждой строке посредством умножения видеосигнала строки с выхода фотоприемника на соответствующий корректирующий сигнал.- form the resulting aligned signal on each line by multiplying the video line from the output of the photodetector to the corresponding correction signal.

Сглаживание последовательности суммарных сигналов в направлении кадровой развертки также может осуществляться заменой значений суммарных сигналов, полученных на интервале времени формирования строк, на значение суммы соседних с ним значений суммарных сигналов.The smoothing of the sequence of total signals in the direction of the frame sweep can also be carried out by replacing the values of the total signals received in the time interval of forming the rows with the value of the sum of the neighboring values of the total signals.

Способ, согласно его описанию, подразумевает направление считывания зарядовых пакетов с МФПУ по строкам, однако при изменении направления суммирования видеосигналов (со строки на столбец) и сглаживания суммарных сигналов (в направлении строчной развертки) также может быть применен и к МФПУ с вертикальным направлением считывания зарядовых пакетов.The method, according to its description, implies the direction of reading charge packets with mfpu in rows, however, when changing the direction of summing video signals (from row to column) and smoothing the sum signals (in the direction of line scanning), it can also be applied to mfpu with vertical reading direction of charge packages.

К недостаткам способа следует отнести высокое качество коррекции геометрического шума только при съемке сцен с однородным фоном, при котором световой поток, падающий на все элементы МФПУ, приблизительно одинаков. При наличии в кадре протяженных (в направлении считывания заряда с фоточувствительных элементов МФПУ) объектов с яркостью, отличной от яркости фона (большей или меньшей), выравнивание средней яркости в строках/столбцах МФПУ приводит к артефактам: появлению на участках фона полос (темных или светлых) с шириной, соответствующей ширине протяженного объекта. Такой эффект проиллюстрирован на Фиг. 1 и Фиг. 2, где приведен фрагмент изображения с инфракрасной камеры коротковолнового диапазона Xenics Bobcat 640 до и после коррекции геометрического шума согласно рассматриваемому способу соответственно. Как видно на Фиг. 2, над изображением вышки сотовой связи с низкой яркостью появляется полоса, яркость которой выше яркости фона.The disadvantages of the method include high quality geometric noise correction only when shooting scenes with a uniform background, in which the luminous flux incident on all elements of the mfp is approximately the same. If there are objects in the frame (in the reading direction of the charge from the photosensitive elements of the mfpu) objects with brightness different from the brightness of the background (more or less), the alignment of the average brightness in the mfp lines / columns leads to artifacts: the appearance of bands in the background background (dark or light ) with a width corresponding to the width of an extended object. This effect is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2, where a fragment of an image from an Xenics Bobcat 640 short-range infrared camera is shown before and after the geometric noise correction according to the method under consideration, respectively. As seen in FIG. 2, a band appears above the low-brightness cell tower image, the brightness of which is higher than the background brightness.

Повысить равномерность яркости калибровочной сцены позволяет усреднение последовательности кадров во времени, которое дает положительный эффект, но только на большом наборе различных сцен с некоррелированными сюжетами. Однако для большинства практических задач, связанных со съемкой вне помещений, сцена кадра, как правило, состоит из двух областей различной яркости: менее контрастной в верхней части кадра (небо) и более контрастной - в нижней (расположенные на земле объекты). Также зачастую углы перемещения камеры по азимуту превосходят углы перемещения в плоскости угла места. В таких случаях усреднение по последовательности кадров приводит к формированию калибровочного изображения с двумя областями, имеющими различную яркость.A uniformity of the brightness of the calibration scene allows for averaging the sequence of frames in time, which gives a positive effect, but only on a large set of different scenes with uncorrelated scenes. However, for most practical tasks related to shooting outdoors, the frame scene usually consists of two areas of different brightness: less contrast in the upper part of the frame (sky) and more contrast - in the lower part (objects on the ground). Also, often the angles of movement of the camera in azimuth exceed the angles of movement in the plane of the elevation angle. In such cases, averaging over a sequence of frames leads to the formation of a calibration image with two regions with different brightness.

Сформировать однородный по яркости калибровочный кадр позволяет выбранный по совокупности признаков в качестве прототипа способ компенсации неоднородности усиления фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника (патент RU 2449491, опубликовано 27.04.2012, МПК: H04N 5/33, G02B 23/12). В указанном способе постоянные составляющие сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате расфокусирования, за счет введения в тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента, формирующего на входе фотоприемника равномерный поток излучения или поток с заданной равномерностью. Компенсация заключается в том, что осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют обработку вырабатываемого фотоприемником сигнала в соответствии с формулойA calibration frame that is homogeneous in brightness can be selected as a prototype to select a method for compensating the heterogeneity of amplification of photosensitive elements of a multi-element photodetector (patent RU 2449491 published 27.04.2012, IPC: H04N 5/33, G02B 23/12). In this method, the constant components of signals from photosensitive elements are obtained as a result of defocusing, by introducing a thermal imaging device of a defocusing element into the optical system path, which forms a uniform radiation flux or a stream with a given uniformity at the input of the photoreceiver. The compensation consists in receiving the radiation flux to be registered and processing the signal produced by the photo-receiver in accordance with the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

S - массив пикселей изображения в результате компенсации,S is an array of image pixels as a result of compensation,

T(in) - входной массив пикселей изображения, поступающего с многоэлементного фотоприемника,T (in) is the input array of pixels of the image coming from the multi-element photodetector,

T(fon) - массив постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов, полученных в результате выполнения оптического расфокусирования,T (fon) is an array of constant components of signals from photosensitive elements obtained as a result of optical defocusing,

K - массив коэффициентов для коррекции чувствительности элементов,K - an array of coefficients for the correction of the sensitivity of the elements,

i и j - номер пикселя в строке и номер строки изображения соответственно. При формировании скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов путем расфокусирования сохраняют требуемое поле зрения тепловизионного прибора.i and j - the number of pixels in a row and the row number of the image, respectively. When forming compensated constant components of signals from photosensitive elements by defocusing, the required field of view of the thermal imaging device is retained.

Недостатком способа прототипа является усложнение конструкции объектива тепловизионного прибора, связанное с необходимостью введения в него дополнительной расфокусирующей линзы.The disadvantage of the prototype method is the complexity of the design of the lens of a thermal imaging device associated with the need to introduce an additional defocusing lens into it.

Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, заключается в необходимости формирования однородного по яркости калибровочного кадра для оценки геометрического шума матричного фотоприемного устройства (МФПУ), независимо от сюжета наблюдаемой сцены, без применения расфокусирующей линзы в оптическом тракте инфракрасной камеры.The technical problem solved by the creation of the claimed invention is the need to form a uniform brightness gauge frame for estimating the geometric noise of the matrix photoreceiver (MFP), regardless of the plot of the observed scene, without using a defocusing lens in the optical path of the infrared camera.

Технический результат заключается в формировании калибровочного кадра с равномерной яркостью, вне зависимости от распределения яркости наблюдаемой сцены для МФПУ с вертикальным направлением считывания зарядовых пакетов.The technical result consists in forming a calibration frame with uniform brightness, regardless of the brightness distribution of the observed scene for mfpu with the vertical direction of reading the charge packets.

Технический результат достигается за счет того, что способ компенсации геометрического шума инфракрасных изображений от сенсоров с вертикальным расположением линеек фоточувствительных элементов заключается в том, что осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют вычитание из массива яркости пикселей входного изображения массива скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов (оценки геометрического шума). При этом он отличается от прототипа тем, что массив постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате рекуррентного усреднения яркости пикселей совокупности кадров. При формировании кадра с усредненной яркостью перестановку строк осуществляют таким образом, что яркости пикселей, соответствующих фоточувствительным элементам матричного фотоприемного устройства (МФПУ) в строках с четными номерами, усредняют с яркостями пикселей, находящимися только в четных строках, а яркости пикселей, соответствующих фоточувствительным элементам МФПУ в строках с нечетными номерами, усредняют с яркостями пикселей, находящимися только в нечетных строках. Причем в каждом кадре случайным образом переставляют строки, оценивают дисперсию градиента яркости в рекуррентно усредненном кадре в направлении строк и сравнивают с ее предыдущим максимальным значением. Если данное значение превышено, выполняют запись в память рекуррентно усредненного кадра, разделяют его на низкочастотную и высокочастотную составляющие, сохраняют высокочастотную составляющую в памяти и вычитают ее из текущего кадра. Если значение не превышено, из текущего кадра вычитают ранее сохраненную высокочастотную составляющую.The technical result is achieved due to the fact that the method of compensating the geometric noise of infrared images from sensors with vertical lines of photosensitive elements consists in receiving the radiation flow to be recorded and subtracting the input image of the array of compensated constant components from the photosensitive elements from the brightness array of pixels. (geometric noise estimates). At the same time, it differs from the prototype in that the array of constant components of the signals from the photosensitive elements is obtained as a result of recurrent averaging of the brightness of the pixels of the set of frames. When forming a frame with averaged brightness, the permutation of the rows is carried out in such a way that the brightness of the pixels corresponding to the photosensitive elements of the matrix photoreceiver (MFP) in the rows with even numbers is averaged with the brightness of the pixels that are only in the even lines, and the brightness of the pixels corresponding to the photosensitive elements of the mfpU in rows with odd numbers, averaged with pixel brightness, located only in odd lines. Moreover, in each frame, the rows are randomly rearranged, the variance of the brightness gradient is estimated in the recurrently averaged frame in the row direction and compared with its previous maximum value. If this value is exceeded, they write to the memory of the recurrent averaged frame, divide it into low-frequency and high-frequency components, retain the high-frequency component in memory and subtract it from the current frame. If the value is not exceeded, the previously stored high-frequency component is subtracted from the current frame.

Наличие геометрических шумов обусловлено принципом формирования сигнала с МФПУ путем последовательного опроса сигналов всех фоточувствительных элементов встроенным электронным коммутатором, из-за чего выходной сигнал содержит стационарные шумы, вызванные неоднородностью темнового тока. Геометрический шум проявляется на изображении в виде горизонтальных или вертикальных полос различной яркости в зависимости от направления считывания зарядовых пакетов с МФПУ: по строкам или по столбцам.The presence of geometric noise due to the principle of signal generation with mfpu by sequentially polling the signals of all photosensitive elements built-in electronic switch, because of which the output signal contains stationary noise caused by the heterogeneity of the dark current. Geometric noise appears on the image as horizontal or vertical stripes of different brightness depending on the direction of reading the charge packets with mfpu: in rows or in columns.

Достижение технического результата основано на принятии двух гипотез: гипотезы об аддитивном характере геометрического шума и гипотезы об одинаковой постоянной составляющей у всех фоточувствительных элементов каждого столбца МФПУ. Указанное смещение обусловлено технологией изготовления МФПУ для инфракрасных камер (Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004, стр. 452).The achievement of the technical result is based on the adoption of two hypotheses: the hypothesis of the additive nature of the geometric noise and the hypothesis of the same constant component of all photosensitive elements of each column of the mfpu. The specified offset is due to the technology of manufacturing mfpu for infrared cameras (Tarasov, VV, Yakushenkov, Yu.G. Infrared systems of the "looking" type. - M .: Logos, 2004, p. 452).

Геометрический шум (статья Perry D.L., Dereniak E.L. Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensors // Optical Engineering. - 1993. Vol. 32. - P. 1854-1859), описывается линейной моделью:Geometric noise (article Perry D.L., Dereniak E.L. Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensors // Optical Engineering. - 1993. Vol. 32. - P. 1854-1859), described by a linear model:

Figure 00000002
Figure 00000002

Yij - яркость пикселей изображения с геометрическим шумом,Y ij - the brightness of the image pixels with geometric noise,

i и j -номер строки и столбца сенсора,i and j are the row and column of the sensor,

gj - коэффициент усиления элементов j-й линейки,g j - the gain of the elements of the j-th line,

Xij - яркость пикселей изображения без геометрического шума,X ij - the brightness of the pixels of the image without geometric noise,

bj - постоянное смещение яркости на выходе элементов j-й линейки.b j - constant brightness offset at the output of the elements of the j-th ruler.

В ряде литературных источников, например (статья Hardie R.C. at al. Scene-based nonuniformity correction with video sequences and registration // Appl. Opt. - 2000. - Vol. 39, No. 8. - P. 1241-1250; статья Zuo C. at al. Improved interframe registration based nonuniformity correction for focal plane arrays // Infrared Phys. Technol. - 2012. - Vol. 55, No. 4. - P. 263-269; статья Cao Y. at al. Correction in Infrared Imaging System using ID Horizontal Differential Statistics // IEEE Photonics Journal. - 2017. - Vol. 9, No. 5), показано, что модель (2) может быть упрощена до одного параметра - постоянного смещения:In a number of literary sources, for example (article Hardie RC at al. Scene-based nonuniformity correction and registration sequences // Appl. Opt. - 2000. - Vol. 39, No. 8. - P. 1241-1250; article Zuo C. at al., Improved interframe registration for the focal plane arrays // Infrared Phys. Technol. - 2012. - Vol. 55, No. 4. - P. 263-269; article by Cao Y. at al. Correction in Infrared Imaging System using ID Horizontal Differential Statistics // IEEE Photonics Journal. - 2017. - Vol. 9, No. 5), it is shown that the model (2) can be simplified to one parameter - a constant offset:

Figure 00000003
Figure 00000003

а коррекция аддитивного геометрического шума заключается просто в вычитании его оценок для каждого j-го столбца:and the correction of additive geometric noise is simply to subtract its estimates for each j-th column:

Figure 00000004
Figure 00000004

что исключает из обработки согласно (1) операцию деления на коэффициент усиления gj.which excludes from the processing according to (1) the division by the gain factor j j .

Таким образом, принятие двух приведенных выше гипотез является справедливым.Thus, the acceptance of the two hypotheses given above is fair.

Способ компенсации геометрического шума инфракрасных изображений осуществляется следующим образом.The method of compensation of the geometric noise of infrared images as follows.

1. Получают видеосигналы с МФПУ и преобразуют их в цифровые сигналы.1. Receive video signals from mfpu and convert them to digital signals.

2. Выполняют усреднение полученных от МФПУ кадров во времени согласно следующему алгоритму:2. Averaging the frames received from the mfpU in time according to the following algorithm:

2.1 - в полученном в k-й момент времени кадре случайным образом перестанавливают все его строки и получают кадр

Figure 00000005
в результате перестановки строк пиксели j-го столбца кадра соответствующие одной линейке фоточувствительных элементов с вертикальным направлением считывания зарядовых пакетов, в кадре
Figure 00000006
по-прежнему остаются в j-м столбце;2.1 - in a frame received at the k-th instant of time, randomly stop all its lines and get a frame
Figure 00000005
as a result of row permutation, pixels of the j-th column of the frame corresponding to one line of photosensitive elements with a vertical direction of reading charge packets, in the frame
Figure 00000006
still remain in the jth column;

2.2 - по рекуррентному правилу оценивают вспомогательный кадр Nk:2.2 - according to a recurrent rule, an auxiliary frame N k is estimated:

Figure 00000007
Figure 00000007

где n - количество ранее принятых кадров;where n is the number of previously received frames;

2.3 - по кадру Nk оценивают дисперсию градиента яркости при движении по строке (в горизонтальном направлении):2.3 - frame N k estimate the variance of the brightness gradient when moving along the line (in the horizontal direction):

Figure 00000008
Figure 00000008

где оператор

Figure 00000009
означает вычисление математического ожидания;where is the operator
Figure 00000009
means calculating the expectation;

2.4 - При формировании Nk с равномерной яркостью фона оценка дисперсии Dhk будет максимальна и равна мощности шума сенсора.2.4 - When forming N k with a uniform background brightness, the dispersion estimate Dh k will be maximum and equal to the noise power of the sensor.

если при получении нового кадра к оценка дисперсии Dhk больше, чем ее предыдущее максимальное значение Dhmax, это означает, что отношение «геометрический шум - фон» во вспомогательном кадре выросло и качество оценивания геометрического шума, а, следовательно, и его коррекции, повысится, поэтому выполняется запись Nk в калибровочный кадр K:if, when a new frame is received, the dispersion estimate Dh k is greater than its previous maximum value Dh max , this means that the “geometric noise-background” ratio in the auxiliary frame has increased and the quality of geometric noise estimation, and, consequently, its correction, will increase therefore write N k to the calibration frame K:

Figure 00000010
Figure 00000010

3. Оцененный калибровочный кадр K разделяется на две составляющих: низкочастотную KНЧ, содержащую фон, и высокочастотную KВЧ, содержащую геометрический шум сенсора:3. The estimated calibration frame K is divided into two components: a low-frequency K LF containing a background and a high-frequency K RF containing the geometric noise of the sensor:

Figure 00000011
Figure 00000011

4. Выполняется компенсация геометрического шума согласно математической модели (4):4. Geometric noise compensation is performed according to the mathematical model (4):

Figure 00000012
Figure 00000012

с последующим линейным контрастированием кадра Xk.followed by linear contrasting frame X k .

Случайная перестановка строк в кадре Yk на этапе 2.1 с последующим усреднением таких кадров на этапе 2.2 позволяет выровнять яркость фона в кадре Nk даже при наличии на сцене областей различной яркости (для съемки вне помещений - областей «небо» и «подстилающая поверхность»).The random permutation of rows in Y k frame in step 2.1, followed by averaging of frames in step 2.2 can align the background brightness in the N k frame even in the presence on the scene areas of different brightness (for shooting outdoors - regions "sky" and "earth's surface") .

При формировании кадра с усредненной яркостью, перестановку строк осуществляют таким образом, что яркости пикселей, соответствующих фоточувствительным элементам матричного фотоприемного устройства (МФПУ) в строках с четными номерами, усредняют с яркостями пикселей, находящимися только в четных строках, а яркости пикселей, соответствующих фоточувствительным элементам МФПУ в строках с нечетными номерами усредняют с яркостями пикселей, находящимися только в нечетных строках.When forming a frame with averaged brightness, the permutation of the rows is carried out in such a way that the brightness of the pixels corresponding to the photosensitive elements of the photodetector array device (MFP) in the even-numbered rows is averaged with the brightness of the pixels that are only in the even rows, and the brightness of the pixels corresponding to the photosensitive elements The mfpu in the rows with odd numbers are averaged with the brightness of the pixels that are only in the odd lines.

На Фиг. 3 представлена блок-схема рассмотренного выше алгоритма компенсации геометрического шума.FIG. 3 shows a block diagram of the geometric noise compensation algorithm discussed above.

Принцип работы алгоритма поясняют Фиг. 4-9.The principle of operation of the algorithm is explained in FIG. 4-9.

На Фиг. 4 показан кадр видеопоследовательности с инфракрасной камеры коротковолнового диапазона.FIG. Figure 4 shows a frame of a video sequence from a short-range infrared camera.

На Фиг. 5 показан вспомогательный кадр N1000, полученный усреднением 1000 кадров после случайной перестановки строк.FIG. 5 shows an auxiliary frame N 1000 , obtained by averaging 1000 frames after randomly swapping rows.

На Фиг. 6 отражен результат компенсации геометрического шума на Фиг. 4 согласно (5) с последующим расширением динамического диапазона яркостей до 255 путем линейного контрастирования.FIG. 6 shows the result of the geometric noise compensation in FIG. 4 according to (5) with the subsequent expansion of the dynamic range of brightness to 255 by linear contrasting.

На Фиг. 6 видно, что результат компенсации геометрического шума по заявляемому способу для статического положения камеры при съемке содержит артефакты коррекции аналогично компенсации по способу патента RU 2113065, опубликовано 10.06.1998, МПК: H04N 5/33). Устранение артефактов достигается за счет движения камеры в ходе съемки.FIG. 6 that the result of geometric noise compensation by the present method for a static camera position when shooting contains correction artifacts similar to compensation according to the method of patent RU 2113065, published June 10, 1998, IPC: H04N 5/33). Elimination of artifacts is achieved by the movement of the camera during the shooting.

На Фиг. 7 показан кадр с инфракрасной камеры.FIG. 7 shows a frame from an infrared camera.

На Фиг. 8 показан вспомогательный кадр N1000, сформированный при выполнении этапов 2.1 - 2.4 по видеопоследовательности из 1000 кадров с изменяющимся сюжетом: в ходе съемки камеру медленно перемещают в направлении по часовой стрелке и против часовой стрелки.FIG. 8 shows the auxiliary frame N 1000 , formed during the execution of steps 2.1 - 2.4 in a video sequence of 1000 frames with a changing plot: during the shooting, the camera is slowly moved in the clockwise and counterclockwise directions.

На Фиг. 9 продемонстрирован результат компенсации геометрического шума на Фиг. 7 с последующим расширением динамического диапазона яркостей до 255.FIG. 9 shows the result of the geometric noise compensation in FIG. 7 with the subsequent expansion of the dynamic range of brightness to 255.

Следует отметить, что если камера в ходе оценки калибровочного кадра K перемещается, и в поле ее зрения попадают сцены с различными сюжетами, то качество компенсации геометрического шума повышается. Это объясняется тем, что в силу центральной предельной теоремы закон распределения яркости фона калибровочного кадра стремится к нормальному, и накопление статистики геометрического шума является эффективным. Действительно, на Фиг. 9, в отличие от Фиг. 6, отсутствуют артефакты коррекции в виде полос с яркостью, отличной от яркости фона. Артефакты компенсации проявляются при наличии протяженных вертикальных объектов в кадре.It should be noted that if the camera moves during the evaluation of the calibration frame K, and scenes with different scenes fall in its field of view, the quality of compensation of the geometric noise increases. This is explained by the fact that, due to the central limit theorem, the law of brightness distribution of the background of the calibration frame tends to be normal, and the accumulation of geometric noise statistics is effective. Indeed, in FIG. 9, unlike FIG. 6, there are no correction artifacts in the form of stripes with a brightness different from the brightness of the background. Compensation artifacts occur when there are extended vertical objects in the frame.

Особенностью некоторых инфракрасных камер с цифровым выходом является формирование кадров с ярко выраженной чересстрочной структурой. Такой эффект для камеры Xenics Bobcat 640 проиллюстрирован на Фиг. 10 (масштаб - 1600%). Для таких камер на этапе 2.1 перестановка четных и нечетных строк выполняется отдельно. При этом четные строки после перестановки попадают только на четные позиции, а нечетные строки - только на нечетные позиции.A feature of some infrared cameras with digital output is the formation of frames with a pronounced interlace structure. This effect for the Xenics Bobcat 640 camera is illustrated in FIG. 10 (scale - 1600%). For such cameras in step 2.1, the permutation of even and odd lines is performed separately. In this case, even lines after permutation fall only on even positions, and odd lines - only on odd positions.

Таким образом, предлагаемый способ компенсации геометрического шума инфракрасных изображений позволяет осуществлять формирование калибровочного кадра с равномерной яркостью вне зависимости от распределения яркости наблюдаемой сцены для МФПУ с вертикальным направлением считывания зарядовых пакетов.Thus, the proposed method of compensating the geometric noise of infrared images allows the formation of a calibration frame with uniform brightness, regardless of the brightness distribution of the observed scene for mfpu with vertical reading direction of charge packets.

Claims (1)

Способ компенсации геометрического шума инфракрасных изображений от сенсоров с вертикальным расположением линеек фоточувствительных элементов, заключающийся в том, что осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют вычитание из массива яркости пикселей входного изображения массива скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов, отличающийся тем, что массив постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате рекуррентного усреднения яркости пикселей совокупности кадров, причем при формировании кадра с усредненной яркостью перестановку строк осуществляют таким образом, что яркости пикселей, соответствующих фоточувствительным элементам матричного фотоприемного устройства (МФПУ) в строках с четными номерами, усредняют с яркостями пикселей, находящимися только в четных строках, а яркости пикселей, соответствующих фоточувствительным элементам МФПУ в строках с нечетными номерами, усредняют с яркостями пикселей, находящимися только в нечетных строках, при этом в каждом кадре случайным образом переставляют строки, оценивают дисперсию градиента яркости в рекуррентно усредненном кадре в направлении строк и сравнивают с ее предыдущим максимальным значением; если данное значение превышено, выполняют запись в память рекуррентно усредненного кадра, разделяют его на низкочастотную и высокочастотную составляющие, сохраняют высокочастотную составляющую в памяти и вычитают ее из текущего кадра; если значение не превышено, из текущего кадра вычитается ранее сохраненная высокочастотная составляющая.The method of compensating the geometric noise of infrared images from sensors with a vertical arrangement of photosensitive element lines, which consists in receiving the radiation flux to be recorded and subtracting the input image of the compensated constant components of the photosensitive elements from the brightness array of pixels from the photosensitive elements, characterized in that the array is constant component signals from photosensitive elements are obtained as a result of recurrent averaging the brightness of the pixels of the set of frames, and when forming a frame with averaged brightness, the permutation of the rows is carried out in such a way that the brightness of the pixels corresponding to the photosensitive elements of the photodetector array device (mfpu) in even-numbered rows is averaged with pixel brightness that are only in even rows, and the brightness the pixels corresponding to the photosensitive elements of the mfpu in the rows with odd numbers are averaged with the brightness of the pixels that are only in the odd lines, with each m frame randomly rearranged the line, estimate the variance of the brightness gradient in a recurrently averaged frame in the direction of the lines and compare it with its previous maximum value; if this value is exceeded, write a recurrent averaged frame into memory, divide it into low-frequency and high-frequency components, store the high-frequency component in memory and subtract it from the current frame; if the value is not exceeded, the previously stored high-frequency component is subtracted from the current frame.
RU2018118899A 2018-05-22 2018-05-22 Method of compensation of geometric noise of infrared images RU2688616C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018118899A RU2688616C1 (en) 2018-05-22 2018-05-22 Method of compensation of geometric noise of infrared images

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018118899A RU2688616C1 (en) 2018-05-22 2018-05-22 Method of compensation of geometric noise of infrared images

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2688616C1 true RU2688616C1 (en) 2019-05-21

Family

ID=66636960

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018118899A RU2688616C1 (en) 2018-05-22 2018-05-22 Method of compensation of geometric noise of infrared images

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2688616C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2744483C1 (en) * 2020-06-29 2021-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" Method for compensating for geometric noise in a video sequence of infrared images based on an analysis of the observed scene
RU2755092C1 (en) * 2020-11-23 2021-09-13 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method for forming image with local brightness gradient and device for its implementation
RU2783065C1 (en) * 2021-07-29 2022-11-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Apparatus for selecting the contours of objects in hyperspectral images

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000079782A2 (en) * 1999-06-17 2000-12-28 Raytheon Company Non-uniformity compensation system and methods employing adaptive feedforward shunting
RU2411684C1 (en) * 2009-08-03 2011-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" Method of correcting non-uniformity of scanning multielement photodetectors based on scene signals
RU2449491C1 (en) * 2010-11-18 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Method of compensating for signal irregularity of photosensitive elements of multielement photodetector
US8503821B2 (en) * 2008-04-15 2013-08-06 Flir Systems, Inc. Scene based non-uniformity correction systems and methods

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000079782A2 (en) * 1999-06-17 2000-12-28 Raytheon Company Non-uniformity compensation system and methods employing adaptive feedforward shunting
US8503821B2 (en) * 2008-04-15 2013-08-06 Flir Systems, Inc. Scene based non-uniformity correction systems and methods
RU2411684C1 (en) * 2009-08-03 2011-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" Method of correcting non-uniformity of scanning multielement photodetectors based on scene signals
RU2449491C1 (en) * 2010-11-18 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Method of compensating for signal irregularity of photosensitive elements of multielement photodetector

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2744483C1 (en) * 2020-06-29 2021-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" Method for compensating for geometric noise in a video sequence of infrared images based on an analysis of the observed scene
RU2755092C1 (en) * 2020-11-23 2021-09-13 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method for forming image with local brightness gradient and device for its implementation
RU2783065C1 (en) * 2021-07-29 2022-11-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Apparatus for selecting the contours of objects in hyperspectral images
RU2817046C1 (en) * 2023-10-04 2024-04-09 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" Method of compensating for geometric noise of photodetector array, which is invariant to exposure time

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10412314B2 (en) Systems and methods for photometric normalization in array cameras
US6507018B2 (en) Ditherless non-uniformity compensation for infrared detector arrays with recursive spatial low pass filtering
US10021358B2 (en) Imaging apparatus, imaging system, and signal processing method
JP4798400B2 (en) Method and apparatus for setting black level of imaging device using optical black pixel and voltage fixed pixel
US8223235B2 (en) Digital imager with dual rolling shutters
US8610789B1 (en) Method and apparatus for obtaining high dynamic range images
US8463068B2 (en) Methods, systems and apparatuses for pixel value correction using multiple vertical and/or horizontal correction curves
US7876363B2 (en) Methods, systems and apparatuses for high-quality green imbalance compensation in images
US8902336B2 (en) Dynamic, local edge preserving defect pixel correction for image sensors with spatially arranged exposures
US20120091340A1 (en) Scene based non-uniformity correction for infrared detector arrays
US10417745B2 (en) Continuous motion scene based non-uniformity correction
US20150070536A1 (en) Image processing apparatus and control method thereof
KR20130012935A (en) Imaging array having photodiodes with different light sensitivities and associated image restoration methods
US8923644B2 (en) Image processing apparatus and systems using estimated point spread function
CN110501025B (en) On-orbit calibration method of rolling shutter area scan CMOS camera
RU2688616C1 (en) Method of compensation of geometric noise of infrared images
US20110069204A1 (en) Method and apparatus for image correction
US9628730B2 (en) Dark current gradient estimation using optically black pixels
CN111201778B (en) Imaging apparatus, exposure control method, computer-readable storage medium, and imaging device
RU2744483C1 (en) Method for compensating for geometric noise in a video sequence of infrared images based on an analysis of the observed scene
Ortiz et al. Radiometric calibration of vision cameras and intensity uncertainty estimation
Schoonees et al. Camera shading calibration using a spatially modulated field
JP6036998B2 (en) Imaging apparatus, image correction method, and image correction program
Tajbakhsh Color lens shade compensation achieved by linear regression of piece-wise bilinear spline functions
KR20200042725A (en) Evaluation method of noise characteristics in lens-free cmos photonic array sensor