Устройство формирования изображения

Устройство формирования изображения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области телевизионной техники и может быть использовано при проектировании телевизионных камер на фотоприемниках (ФП) с несколькими выходными устройствами, которые находят применение в камерах телевидения высокой четкости.

Для телевизионных камер телевидения высокой четкости стандарта 1080р ФП имеют 1920 активных пикселей по горизонтали и 1080 активных пикселей по вертикали, при частоте 25 кадров в секунду требуют частоты считывания данных 74,25 МГц. В то же время максимальная частота выходного устройства матричного прибора с зарядовой связью не может превышать 40 МГц. Это ограничение приводит к необходимости использования ФП с двумя выходными устройствами, позволяющего производить считывание половины всех пикселей через один выход, а вторую половину через другой выход с частотой считывания 37,125 МГц. Различие в коэффициентах преобразования выходных устройств приводит к тому, что на изображении появляется артефакт в виде разнояркости изображения относительно центральной оси. Таким образом, необходимо компенсировать различия между выходными устройствами ФП.

Известно устройство формирования изображения (U.S. Patent 6072603, Parks Cr., 2000), состоящее из ФП с двумя выходными устройствами, сигналы с которых поступают на вход одного из двух каналов обработки видеосигнала, каждый из которых включает блок двойной коррелированной выборки (БДКВ), блок усилителя (БУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок таблицы преобразования (БТП), причем выходы БТП каждого из каналов соединены с входами блока памяти (БП).

В общем случае сигнал на выходе ФП имеет нелинейную зависимость от освещенности, причем из-за разброса параметров электрических цепей обработки видеосигнала эта зависимость может быть существенной для разных выходных устройств.

Процесс компенсации неравномерности коэффициентов преобразования выходных устройств ФП заключается в генерации таблиц преобразования, полученных в процессе калибровки, которая включает два этапа - регистрация тестового изображения и генерация таблицы преобразования.

В фокус оптической системы камеры помещается специальное тестовое изображение, содержащее плавные градиенты изменения яркости вдоль границ областей ФП и происходит съемка. После окончания времени накопления происходит процесс параллельного считывания зарядовых пакетов через два выходных устройства. Затем аналоговый сигнал каждого выходного устройства поступает на БДКВ, в котором устраняются шумы установки потенциала плавающей диффузионной области, фликкер-шум, низкочастотные наводки и ослабляется тактовая наводка. После сигнал усиливается в БУ до требуемого уровня и подвергается аналого-цифровому преобразованию. Далее цифровые видеоданные поступают на БТП, который на этапе калибровки пропускает входной сигнал на выход без изменений в БП, где сохраняются сигналы с двух каналов. Таким образом происходит захват одного или нескольких кадров тестового изображения.

После этого производится расчет коэффициентов в таблице преобразования, который заключается в следующем. Первый канал выбирается в качестве опорного, а значения для второго канала вычисляются согласно методу наименьших квадратов:

где x - значения сигнала первого канала, у - значения сигнала второго канала, m - число уровней квантования.

Коэффициенты a_j являются решением уравнения

Все рассчитанные коэффициенты сохраняются в памяти, и процесс калибровки считается завершенным. При работе в обычном режиме через БТП проходит лишь один сигнал из двух.

Основным преимуществом данного устройства является точность степени коррекции свет-сигнальной характеристики. К недостаткам можно отнести необходимость оператора, который будет проводить повторную калибровку с изменением объекта съемки на тестовое изображение при изменении условий работы, таких как температура, общий уровень освещения. Это приводит к тому, что такое устройство не может работать автономно, что сужает спектр возможных применений.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому, является устройство формирования изображения, описанное в (U.S. Patent 7236199 В2, Hori et al. 2007), состоящее из ФП с двумя выходными устройствами, сигналы с которых, поступают на вход одного из двух каналов обработки видеосигнала, каждый из которых включает БДКВ, БУ, АЦП. После АЦП сигналы с двух каналов обработки последовательно проходят блок привязки уровня черного (БПУЧ), блок вычитания соседних пикселей (БВСП), блок суммирования разностей (БСР) и блок формирования коэффициента поправки (БФКП). Причем выход БФКП соединен с входом БУ одного из каналов.

На ФП, который разделен на две равные по размеру области, проецируется изображение. Пикселы, принадлежащие каждой из областей, последовательно считываются через собственное выходное устройство, неравномерность электрических параметров которых приводит к заметным артефактам на изображении. Сигнал с каждого выхода ФП сначала проходит через БДКВ, в котором устраняются шумы установки потенциала плавающей диффузионной области, фликкер-шум, низкочастотные наводки и ослабляется тактовая наводка. Затем сигнал усиливается в БУ до требуемого уровня и проходит аналого-цифровое преобразование. После чего в БПУЧ производится усреднение значения пикселов, закрытых от источника света. Если имеется возможность полностью перекрыть световой поток, то возможно использовать всю область ФП, если же такой возможности нет, то используют значения «темповых» пикселов по краям каждой из областей ФП. Итоговое значение уровня черного выбирается как среднее арифметическое из двух значений каждой из областей. После этого считают области, скомпенсированные по уровню черного. Затем производится компенсация по коэффициенту усиления для одного из каналов до уровня соответствующего опорному каналу. Для этого сначала вычисляется разность значений соседних пикселов в одной строке, но принадлежащих разным областям в БВСП. Такая операция производится в каждой строке изображения, на протяжении нескольких кадров. При этом разности значений соседних пикселов суммируются в БСР. На основании знака полученной суммы формируется решение об увеличении или уменьшении коэффициента поправки для одного из каналов в БФКП. Причем шаг изменения коэффициента поправки фиксирован.

Основным достоинством данного устройства является возможность компенсации различий в уровне черного и усиления для двух каналов на основе информации, полученной непосредственно из изображения объекта съемки, что позволяет работать системе в автоматическом режиме. Существенным недостатком является то, что коррекция коэффициента усиления производится с фиксированным шагом раз в кадр, что при большой разрядности АЦП и высокой требуемой точности может занимать до нескольких минут.

Технической задачей, решаемой изобретением, является компенсация различий в уровне черного и усиление для двух каналов за один кадр изображения с высокой точностью и простой реализацией, позволяющей работать с видеоизображениями высокой четкости в реальном времени.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, как и известное, содержит ФП, содержащий два выходных устройства, каждый из которых подсоединен к одному из двух идентичных каналов обработки видеосигнала, каждый из которых содержит последовательное соединение ДКВ, БУ и АЦП, а выход АЦП каждого из каналов соединен с одним из входов БПУЧ, имеющего два входа и два выхода, также включающее БФКП, выход которого соединен с входом БУ одного из каналов. Но в отличие от известного содержит последовательное соединение БД, два входа которого соединены с выходами БПУЧ, БФГ и БОМ, выход которого соединен с входом БФКП.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства формирования изображения, на фиг. 2 - схематичное изображение ФП, на фиг. 3 поясняется способ привязки уровня черного для двух каналов обработки видеосигнала, на фиг. 4 показано распределение коэффициента поправки вдоль границы раздела областей ФП, на фиг. 5 показана гистограмма массива коэффициентов поправки.

Устройство работает следующим образом. Оптический сигнал проецируется на ФП (1), разделенный на две области и содержащий два выходных устройства. В данном изобретении в качестве ФП используется матричный прибор с зарядовой связью (МПЗС) с размером Ν×2М, где N - число строк, Μ - число столбцов в каждой области ФП. После процесса накопления осуществляется считывание зарядовых пакетов из МПЗС в направлении, указанном стрелками на фиг. 2. Далее каждый трехуровневый аналоговый сигнал с двух выходных устройств проходит через соответствующий канал обработки видеосигнала I и II (фиг. 1). Сигнал с выхода ФП в каждом канале поступает в БДКВ (2), в котором устраняются шумы установки потенциала плавающей диффузионной области, фликкер-шум, низкочастотные наводки и ослабляется тактовая наводка. Затем сигнал усиливается до требуемого уровня в БУ (3) и проходит АЦП (4).

Схематичное представление характеристики свет-сигнала для ФП с двумя выходными устройствами изображено на фиг. 3: 1 - характеристика для канала I, 2 -характеристика для канала II. Канал с меньшим значением уровня черного принимается за опорный (на фиг. 3 это канал I). Соответственно привязка уровня черного производится в БПУЧ (5) только в канале II на величину ΔU_чер, которая характеризует разность уровня черного в каналах I и II. Значение уровня черного для каждого из каналов вычисляется путем усреднения всех «темповых» пикселей соответствующей области на ФП. Обычно ФП имеет не менее двух «темповых» строк и двух «темновых» столбцов на краях ФП. Далее определяется разность значений и производится привязка одного из каналов к опорному уровню (кривая 3 на фиг. 3).

Поскольку реальные изображения имеют достаточно большую пространственную избыточность, можно предположить с большой долей вероятности, что соседние пикселы изображения могут иметь одинаковое значение. Исходя из этого предположения соседние пикселы, находящиеся в одной строке, но в разных областях ФП с координатами i=1…N, j=Μ, с большой вероятностью будут иметь линейную зависимость

Y_i,m=k_i,m×x_i,m,

где x - значения пикселов второй из области, у - значения пикселов второй из области, k - линейный коэффициент поправки. Поиск коэффициентов производится в БД (6) путем деления пикселей, принадлежащих областям 1 и 2 с координатами i.M, где i=l…N (фиг. 2). Поскольку изображение имеет также и неравномерность распределения яркости по полю, то коэффициент поправки зависит от координаты, что отображено на фиг. 4. Полученный массив коэффициентов поправки можно рассматривать как случайную величину. Оценить математическое ожидание этой случайной величины можно по плотности вероятности. Так, в БФГ (7) производится формирование гистограммы, которую можно трактовать как плотность вероятности поправочного коэффициента. При построении гистограммы учитываются только те значения поправочного коэффициента, которые лежат в пределах ±t от значения опорного канала, где t - допуск на неравномерность коэффициентов преобразования выходных устройств ФП, обычно лежащий в пределах от 2 до 20%. Это позволяет не принимать во внимание участки изображения, содержащие высокочастотные составляющие, значительно ухудшающие степень точности определения коэффициента поправки. Количество корзин разбиения при построении гистограммы выбирается исходя из требуемой точности определения коэффициента поправки

где R - количество корзин. При этом номер корзины r связан с коэффициентом поправки следующим образом:

k_r=1 - t+ε·r.

После чего в БОМ (8) выделяется корзина, которая соответствует максимуму гистограммы, а номер будет определять искомый коэффициент поправки. На фиг. 5 изображены гистограммы поправочного коэффициента для разбиения на 8, 16, 64 корзины при t=20%. Затем в БФКП (9) значение искомого коэффициента поправки переводится в код, соответствующий усилению/ослаблению на требуемое количество дБ, и применяется в БУ соответствующего канала, который не был принят опорным. После этого считается, что изображение, сформированное ФП с двумя выходными устройствами, скорректировано по уровню черного и по усилению.

Достигаемый технический результат - устройство позволяет производить достаточно точную коррекцию уровня черного и усиления для разных каналов ФП без использования дополнительного оборудования, а используя лишь в качестве априорных данных захваченное изображение, что в совокупности с малыми требуемыми вычислительными затратами позволяет значительно расширить спектр задач, в которых используются камеры высокой четкости.

Устройство формирования изображения, включающее фотоприемник, содержащий два выходных устройства, каждый из которых подсоединен к одному из двух идентичных каналов обработки видеосигнала, каждый из которых содержит последовательное соединение блока двойной коррелированной выборки, блока усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а выход аналого-цифрового преобразователя каждого из каналов соединен с одним из входов блока привязки уровня черного, имеющего два входа, которые соединены с входами блока привязки уровня черного, имеющего два выхода, также включающее блок формирования коэффициента поправки, выход которого соединен с входом блока усилителя одного из каналов, отличающееся тем, что дополнительно введено последовательное соединение блока деления, два входа которого соединены с выходами блока привязки уровня черного, блок построения гистограммы и блок определения максимума, выход которого соединен с входом блока формирования коэффициента поправки.