Методы повышения качества изображения, формируемого цветными одноматричными телевизионными камерами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Баранов, Павел Сергеевич

• Баранов, Павел Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Баранов, Павел Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ, ФОРМИРУЕМОГО ТЕЛЕВИЗИОННЫМИ КАМЕРАМИ НА МНОГОСИГНАЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКАХ

1.1 . Современные тенденции построения ТВ камер на многосигнальных фотоприемниках

1.2 . Разрешающая способность ТВ камер на многосигнальных фотоприемниках

1.3 . Чувствительность ТВ камер на многосигнальных ФП

1.4 . Помехоустойчивость телекамеры к артефактам передачи цветного изображения

1.5 . Выводы к главе 1

2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СТРУКТУР КОДИРУЮЩИХ СВЕТОФИЛЬТРОВ ДЛЯ МНОГОСИГНАЛЬНЫХ ФП

2.1 . Модель преобразования сигнала в ФП с произвольной СКС

2.2 . Универсальный алгоритм восстановления полноцветного изображения

2.3 . Анализ помехоустойчивости к цветовым артефактом телекамеры на ФП с произвольной СКС

2.4 . Анализ разрешающей способности телевизионной камеры на ФП с произвольной СКС

2.5 . Анализ чувствительности телевизионной камеры на\ ФП с произвольной СКС

2.6 . Синтез СКС с заданными параметрами

2.7 . Выводы по главе 2

3. КОМПЕНСАЦИЯ СТРУКТУРНЫХ АРТЕФАКТОВ МНОГОСИГНАЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНИКА

3.1 . Анализ причин возникновения вертикального смаза в МПЗС

3.2 . Методы снижения уровня смаза в цветных ТВ камерах на МПЗС

3.3 . Разброс параметров выходных устройств ФП

3.4 . Методы компенсации разброса параметров выходных устройств ФП113

3.5 . Выводы к главе 3

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА

4.1 . Моделирование предложенных структур кодирующих светофильтров

4.2 . Экспериментальное исследование метода компенсации вертикального смаза в МПЗС

4.3 . Моделирование алгоритма компенсации разброса параметров многовыходных ФП

4.4 Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

163

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ — апертурно-частотная характеристика

ДПФ - дискретное преобразование Фурье

ДКВ - двойная коррелирующая выборка

КМОП - комплементарный металл-оксид полупроводник

КП - кадровый перенос

КЧХ - контрастно-частотная характеристика

МПЗС - матричный прибор с зарядовой связью

ПДО - плавающая диффузионная область

ПЗС - прибор с зарядовой связью

СКС - структура кодирующих светофильтров

СП - строчный перенос

ТВ - телевизионный

ТВЧ - телевидение высокой четкости

ФД - фотодиод

ФНПЧ - фильтр нижних пространственных частот

ФП - фотоприемник

ФПМ - функция передачи модуляции

BSI - back side illumination

CTNE - charge transfer non-efficiency

FF - fill factor

FPN - fixed pattern noise

FSI - front side illumination

HDTV - high definition television

MTF — modulation transfer function

PSNR - peak signal noise ratio

UHDTV - ultra high definition television

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы повышения качества изображения, формируемого цветными одноматричными телевизионными камерами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

Актуальность исследования

В настоящее время одной из главных тенденций производителей ТВ камер является переход от трехматричной к одноматричной схеме формирования сигналов цветного телевидения. Прежде всего, это связано с недостатками трехматричной схемы, такими как сложность, дороговизна, значительные габаритные размеры и масса.

Одноматричная ТВ камера для формирования цветного изображения использует один монохромный фотоприемник (ФП), на поверхность которого нанесена структура кодирующих светофильтров (СКС). Она производит разделение падающего света на спектральные диапазоны (Д, С, В и др.) и производит их дискретизацию в плоскости ФП.

При одноматричной схеме формирования цветного изображения происходит уменьшение чувствительности цветной ТВ камеры в 6 — 10 раз по сравнению с черно-белой, а также разрешающей способности на 20 - 30% по сравнению с ТВ камерой, использующей три ФП. Кроме того, сформированное изображение содержит различного рода ложные сигналы и артефакты, вызванные особенностями используемого ФП, параметрами СКС, внешними помехами.

Вопрос оценки качества изображения, формируемого ТВ камерой, достаточно сложный и неоднозначный. До сих пор не выработано строгой методики оценки качества изображения, не регламентированы параметры и критерии, по которым следует производить анализ. Традиционно для ТВ системы как показатели качества выделяются такие параметры как чувствительность, разрешающая способность, помехоустойчивость к различного рода артефактам, возникающим на изображении в процессе его передачи.

Экспериментально и теоретически было показано, что используемая в ТВ камере С КС в значительной степени влияет на все три параметра, определяющих качество формируемого изображения. Крупные фирмы-производители

предлагают собственные новые СКС, однако ни одна из них не смогла занять лидирующих позиций. Недостаточная теоретическая проработанность методологии анализа СКС и алгоритмов их синтеза, не позволяют найти СКС, использование которой существенно повысит качество формируемого изображения. Используемые на данный момент СКС лишь производят взаимообмен чувствительности на разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым артефактам по сравнению с наиболее распространенной СКС Байера.

Передаваемое ТВ камерой изображение может содержать такие артефакты как блюминг, вертикальный смаз, геометрические искажения, вызванные бегущим затвором, неэффективность переноса, геометрический шум и другие. Активное развитие твердотельных ФП позволило либо полностью устранить артефакты присущие предыдущим поколениям ФП, либо существенно снизить их заметность. Однако наиболее актуальной задачей является разработка методов компенсации цветовых муаров, вертикального смаза в матричных приборах с зарядовой связью (МПЗС) и разброса параметров выходных устройств ФП.

В настоящее время многие исследователи и научные коллективы занимаются разработкой новых методов повышения качества изображения формируемого ТВ камерой. В решение задач, относящихся к рассматриваемой проблеме, внесли вклад Рыфтин Я.А., Антипин М.В., Быков P.E., Гоголь A.A., Полосин Л.Л., Цыцулин А.К., Тимофеев Б.С., Дворкович В.П., Прэтт У., Певзнер Б., Кондат Л., Хиракава К., Пенгвей X., и др.

Цель исследования.

Целью работы является разработка и исследование методов одновременного повышения разрешающей способности, чувствительности и помехоустойчивости цветной одноматричной ТВ камеры, за счет использования новых СКС, а также синтез алгоритмов компенсации артефактов, возникающих в процессе формирования изображения.

В соответствии с поставленной целью основными направлениями работы являлись:

1. Разработка модели формирования изображения в цветной одноматричной ТВ камере с произвольной СКС;

2. Разработка методики анализа влияния СКС на чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к цветным артефактам ТВ камеры;

3. Разработка алгоритма синтеза СКС, обеспечивающей повышение чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

4. Анализ артефактов, возникающих в процессе формирования изображения и разработка методов их компенсации;

5. Разработка экспериментальных стендов и моделей. Проведение экспериментальных исследований и компьютерного моделирования, анализ полученных результатов.

Научная новизна работы

1. Разработаны методики анализа, позволяющие рассчитать чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к артефактам, для ТВ камер на ФП с произвольной СКС при заданных начальных условиях;

2. Предложен алгоритм синтеза, позволяющий найти шаблоны СКС при заданных начальных ограничениях, обеспечивающие повышение чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

3. Синтезированы несколько СКС, использование которых позволяет одновременно повысить чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым артефактам по сравнению с СКС Байера.

4. Разработан алгоритм компенсации вертикального смаза в цветных . МПЗС со строчным переносом, отличающийся тем, что он эффективен при

уровнях смаза, достигающих 0,9 от максимальной амплитуды видеосигнала с ФП и индифферентен к положению яркого объекта в поле зрения ТВ камеры;

5. Предложен метод, позволяющий компенсировать разброс параметров выходных устройств в цветных МПЗС и КМОП-сенсорах с двумя и более выходными устройствами до уровня существенно ниже порогового контраста зрительного анализатора человека.

Практическая значимость работы

1. Предложенные методики анализа характеристик ТВ камер с произвольной СКС позволяют дать объективную оценку используемым и предлагаемым СКС, а также сформулировать параметры, которым должна удовлетворять СКС для повышения чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

2. Одна из синтезированных СКС позволяет повысить чувствительность ТВ камеры по сравнению с СКС Байера на 4,5 дБ, помехоустойчивость к цветовым артефактам (до -60 дБ), а также добиться разрешающей способности в горизонтальном и вертикальном направлении сопоставимой с разрешающей способностью черно-белой ТВ камеры.

3. Разработанный алгоритм компенсации вертикального смаза позволил получить время накопления в МПЗС со строчным переносом вплоть до 100 не, что обеспечило работоспособность телевизионной камеры в диапазоне рабочих освещенностей от 0,001 лк до 100000 лк без использования автодиафрагмы.

4. Предложенный статистический метод устранения разброса параметров выходных устройств может быть использован при проектировании цветных ТВ камер высокой и сверхвысокой четкости с несколькими выходными устройствами.

Методы исследования

При решении поставленных задач применялись следующая аппаратура и основные методы исследований:

• Анализ и обобщение литературных данных по проектированию цветных одноматричных ТВ камер;

• Методы математического анализа, элементы линейной алгебры, комбинаторики, Фурье (гармонического) анализа;

• Статистические методы анализа и синтеза радиотехнических и ТВ систем;

• Компьютерное моделирование - разработка алгоритмов и моделей в среде Matlab и Wolfram Mathematica;

• Физические эксперименты.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Разработанные методики анализа характеристик ТВ камер на ФП с произвольной СКС позволяют, в отличие от существующих, позволяют производить объективную теоретическую оценку чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам, возникающим в процессе формирования изображения;

2. Предложенный алгоритм синтеза СКС позволяет найти шаблоны СКС, при заданных начальных ограничениях, которые обеспечивают повышение чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

3. Синтезированные в рамках работы СКС по сравнению с СКС Байера позволили существенно повысить чувствительность (от 3,8 дБ до 4,5 дБ), помехоустойчивость к цветовым артефактам (до -60 дБ), а также добиться разрешающей способности в горизонтальном и вертикальном направлении сопоставимой с разрешающей способностью черно-белой ТВ камеры.

4. Предложенный алгоритм компенсации вертикального смаза, в отличие от известных, эффективен при уровнях смаза, достигающих 0,9 от максимальной амплитуды видеосигнала с ФП, при произвольном положении яркого объекта в плоскости ФП, а также подходит для применения в цветных ТВ камерах;

5. Предложенный алгоритм компенсации разброса параметров выходных устройств в МПЗС и КМОП-сенсорах в отличие от известных, позволяет компенсировать заметную глазу границу раздела областей цветного ФП с ошибкой, не превышающий пороговый контраст зрительного анализатора человека без использования калибровки, таблиц преобразования, итерационных методов, что позволяет использовать его в ТВ камере с большим потоком данных.

Апробация работы

Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2012-2014 г. (г. Санкт-Петербург), на научно-технических конференция СПб НТОРЭС в 2011—2014 г. (г. Санкт-Петербург), на международных конференциях "Телевидение: передача и обработка изображений" в 2011-2014 г. (г. Санкт-Петербург), на 22-ой Международной научно-технической конференции «Современное телевидение и радиоэлектроника» в 2014 г. (г. Москва), на школе-семинаре «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире» в 2012-2013 г. (г. Санкт-Петербург).

Реализация и внедрение результатов исследований

Полученные научные и практические результаты использовались при выполнении следующих работ:

• ОКР и серийное производство изделия МОК-001 в ОАО «НИИТ» в интересах ОАО «ЛЗОС»;

• ОКР цветной и черно-белой ТВ камеры высокого разрешения СТЗ-КТА в ОАО «НИИТ»;

• НИР «Разработка и исследование методов динамического управления параметрами цифрового потока видеоданных» СПб ТЭТУ. № 01201152451. Сроки: 2011-2014.

• учебном процессе СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

1. КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ, ФОРМИРУЕМОГО ТЕЛЕВИЗИОННЫМИ КАМЕРАМИ НА МНОГОСИГНАЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКАХ

1.1. Современные тенденции построения ТВ камер на многосигнальных фотоприемниках

В ТВ системе качество формируемого изображения определяется в первую очередь характеристиками и параметрами ТВ камеры.

Главными тенденциями развития ТВ камер с момента их изобретения и до настоящего времени являются увеличение детализации получаемого изображения за счет использования большего количества элементов разложения (разрешающая способность по пространству), повышения кадровой частоты (разрешающая способность по времени), повышения чувствительности и снижение интенсивности артефактов, возникающих в процессе передачи изображения.

Первые ТВ системы использовали диски Нипкова для формирования видеосигнала на передающей стороне и оптического изображения на приемной. К 1934-1935 годам были разработаны и практически реализованы системы с разложением изображения на 180 и даже 375 строк. Чувствительность таких систем снижалась с увеличением числа элементов разложения, так как эти системы работали без накопления зарядов в течение кадра [1,2].

Начиная с 1907 года Б. Л. Розингом, К. Суитоном, Б. П. Грабовским, Я. А. Рыфтиным и др. проводились работы по созданию электронной системы телевидения. Широкое развитие и практическое внедрение электронное телевидение получило после изобретения передающих трубок с накоплением -иконоскопа В. К. Зворыкина, трехслойной мишени С.И Катаева и супериконоскопа В. П. Шмакова и П. В. Тимофеева [1, 2].

Важным этапом в развитии телевидения явилось внедрение цветного ТВ вещания по стандартам NTSC, PAL, SECAM в 1953, 1966 и 1967 годах соответственно. Совместимые аналоговые системы цветного телевидения имели невысокую помехоустойчивость и высокий уровень перекрестных искажений яркость-цветность и цветность-яркость.

В 1979 и 1986 году началось вещание аналогового телевидения высокой четкости согласно стандартам MUSE и HD-MAC соответственно. Это позволило существенно повысить детализацию получаемых изображений [3]. С 1993 года предложено и широко используется несколько стандартов цифрового телевидения как стандартной, так и высокой четкости (DVB, HDTV, ATSC, ISDB). На данный момент происходит активное внедрение оборудования, работающего согласно стандартам UHDTV[4].

До середины 1970-х годов в качестве ФП использовались вакуумные передающие трубки, которые имели существенные недостатки, а именно плавающий растр, инерционность, высокую потребляемая мощность, высокие питающие напряжения, значительные габаритные размеры и массу, малый срок службы, чувствительность к электромагнитным помехам, значительные искажения цветопередачи [1, 2, 5].

С 1975 года вместо вакуумных передающих трубок начали использоваться твердотельные ФП, выполненные по ПЗС-технологии. Активное развитие данной технологии позволило устранить существенные недостатки присущие вакуумным трубкам [5]. В настоящее время вакуумные передающие трубки используются только в приложениях, связанных с работой при высокой температуре и в значительных радиационных полях.

В развитии ФП на ПЗС принимали активное участие такие специалисты как Бойл У., Смит Д., Секен К., Томпсет М., Хиничек Д, Барб К., Джанесик Д., Березин В.Ю., Котов Б.А., Пресс Ф.П., Вето A.B., Шилин В.А., Вишневский Г.И., Арутюнов В.А., Скрылев A.C. и другие.

К недостаткам ПЗС можно отнести технологическую сложность производства, относительную дороговизну крупноформатных ФП, сложность создания пиксела размером менее 3 мкм, ограниченную частоту считывания зарядовых пакетов, невысокую радиационную стойкость, резкий рост темнового тока с увеличением температуры и накопленной дозы, невозможность реализации концепции камера-на-кристалле [4, 6, 7].

С момента изобретения КМОП-сенсоров с активным пикселом в 1993 году [8, 9], они стали находить все большее применение, вытесняя ФП на ПЗС из многих областей [4, 10, 11]. Главными достоинствами ФП, выполненных по КМОП-технологии, являются низкое напряжение питания и потребляемая мощность, малые габаритные размеры и масса, низкая стоимость при крупносерийном производстве, возможность реализации пиксела размером до 1,0 мкм, высокая пропускная способность, повышенная радиационная стойкость [4, 10, 12]. В КМОП-сенсорах реализуются новые качества, такие как видеосистема на кристалле, возможность считывания окон произвольного размера, произвольный координатный доступ, спектральное разделение светового потока непосредственно в пикселе.

К недостаткам КМОП-сенсоров следует отнести больший уровень шумов и меньшую чувствительность по сравнению с ФП на ПЗС, наличие значительного геометрического шума (РРЫ).

За последнее время доля ПЗС в общем рынке ФП стремительно сокращается и к 2017 году составит примерно 5%, при объеме производства в диапазоне 70120 млн. шт. в год [10]. На данный момент ФП на базе КМОП используются не только в изделиях выпускаемых массово, но и в таких высокотехнологичных отраслях как космическое телевидение, медицина, научные исследования.

На рисунке 1.1 представлены тенденции использования различных типов ФП от времени и от области применения.

Отдельно стоит вопрос построения камер цветного телевидения. По способу формирования цветного изображения ТВ камеры можно разделить на две группы. Первая использует дихроичные зеркала и призмы для оптического разделения светового потока на 3-4 спектральных канала. В каждом канале используется свой собственный ФП (рисунок 1.2) [1, 2, 13].

Вторая группа, называемая одноматричной схемой, использует один ФП на поверхность которого нанесена так называемая СКС, под которой понимается периодически (или псевдо периодически) повторяющийся шаблон светофильтров, которые производят разделение оптического сигнала на несколько спектральных

диапазонов и дискретизацию их в плоскости ФП. Таким образом, один элемент ФП чувствителен только к определенному спектральному диапазону [2, 4, 12-14]. Такие ФП называются многосигнальными, т.к. позволяют сформировать сигналы яркости и цветности.

На данный момент известно большое количество СКС, некоторые из которых изображены на рисунке 1.3. Все СКС можно классифицировать по следующим признакам [13—28]:

• По способу кодирования цветовой информации (частотный СКС № 1, фазово-частотный, пространственный метод СКС № 2-15);

• По размеру шаблона СКС (2x2, 2x3, 3хЗ и т.д.);

• По типу используемых в СКС цветов (основные СКС № 2, 8, 10, 15, дополнительные СКС № 3, с белыми пикселами СКС № 5, 6, 9, 12, смешанные СКС № 4, 5 ,12, прочие спектральные диапазоны СКС №11, 14);

• По характеру регулярности шаблона (регулярная структура СКС № 2-7, 9-14; псевдо-периодическая структура СКС № 8, 15);

• По количеству белых пикселей (0%, 25%, 50%).

Свойства применяемой СКС значительно влияют на качество изображения. На данный момент более 90% телекамер использует СКС Байера (рисунок 1.3 СКС № 2), несмотря на то, что при этом происходит снижение чувствительности в 6-10 раз по сравнению с черно-белой ТВ камерой, а восстановленное изображение сильно подвержено цветовым артефактам [4, 13, 29, А1].

В последние 5-7 лет такие фирмы-производители ФП как Sony, Aptina, Truesense Imaging, Fujifilm начали выпуск ФП с собственными СКС (СКС № 12, 6, 9, 8 - соответственно), которые по некоторым параметрам превосходят характеристики СКС Байера. Однако ни одна из предложенных структур не смогла занять лидирующие позиции на рынке.

Поскольку СКС производит кодирование цветовой информации, то для восстановления полноцветного изображения необходимо декодировать (используя алгоритм интерполяции) сигналы, формируемые ФП и преобразовать

их к стандартному виду (RGB, YCrCb, и др.)- Алгоритм декодирования зависит от свойств и параметров СКС.

В настоящее время в цветных ТВ камерах цветоделение светового потока на несколько ФП практически не используется. В тоже время использование отдельного ФП для каждого спектрального диапазона широко используется в спектрозональных системах [30].

В стоимостном отношении одноматричные камеры выгодно отличаются от трехматричных. Они также имеют существенно меньшие габаритные размеры, массу и потребляемую мощность. Современные цветные ТВ камеры высокой (HDTV) и сверхвысокой четкости (Ultra-HDTV), а также камеры стандартов цифрового кинематографа (Digital Cinema) все чаще используют одноматричную схему [4, 12].

На рисунке 1.4 представлена общая модель формирования видеосигналов в одноматричной ТВ камере [4, 11, 12]. Блок 1 — оптическая система, 2 — ФНПЧ, который устанавливается для уменьшения эффекта цветового муара, 3 - СКС (на рисунке изображена СКС Байера), 4 - монохромный ФП, 5 - узел предварительной обработки изображения (количество и вид операций в нем определяется задачами, решаемыми ТВ камерой), 6 — узел восстановления видеосигналов полноцветного изображения (алгоритм интерполяции), 7 — узел постобработки видеосигналов (количество и вид операций также определяется задачами, решаемыми ТВ камерой).

В [12, 24] показано, что качество изображения, формируемого цветной ТВ камерой, в наибольшей степени зависит от свойств СКС и используемого алгоритма интерполяции (обработки). Вопросами оценки качества изображения занимались Рыфтин Я.А., Антипин М.В., Быков P.E., Гоголь A.A., Полосин JI.J1., Цыцулин А.К., Тимофеев Б.С., Дворкович В.П., и другие [1, 2, 31—40].

В данной работе принимается, что качество изображения формируемого цветной ТВ камерой, определяется чувствительностью и разрешающей способностью, а также помехоустойчивостью к различного рода артефактам изображения.

1960

•Профессиональные

фотоаппараты

•Медицина

•Космос

•Наука

•Камеры дл*

мобильных устройств

•Биометрия

•Малогаборитные

устройства

•Автоматика

•Индустрия

развлечений

1970 1980 1990 2000 2010 Рисунок 1.1 — Тенденции использования ФП в различных

Красный ФП

Падающий свет

Зеленый ФП

Синий ФП

Рисунок 1.2 - Трехматричная схема формирования цветного изображения

12 13 14 15

Рисунок 1.3 - Различные структуры кодирующих светофильтров

Коррекция Смаза

Коррекция анизотропии

Коррекция шума

Другая коррекция

Баланс Белого

Предобработка

Пост« обработка

Подчеркивание границ

Цветокоррекция

Коррекция контраста

Гамма-коррекция

Преобразование цветового пространства

Рисунок 1.4 - Модель формирования цветного изображения.

Вопросы оценки точности цветовоспроизведения является отдельной колориметрической задачей, решение которой выходит за рамки данной работы. В общем случае качество цветовоспроизведения определяется спектральными характеристиками СКС и методами цветокоррекции.

1.2. Разрешающая способность ТВ камер на многосигнальных фотоприемниках

Под разрешающей способностью понимается количество черных и белых штрихов, приходящихся на высоту растра, воспроизводимых с заданным критерием качества [1, 2, 4, 29]. Критерий качества на данный момент строго не определен, но наиболее часто используются методы, основанные на оценке уровня модуляции и оценке интенсивности муаров при наблюдении штриховых тест-таблиц [41-45].

Функция передачи модуляции - ФПМ {Modulation Transfer Function - MTF) и частоты дискретизации в ФП являются наиболее общими характеристиками, описывающими способность ТВ системы к передаче верхних пространственных частот в изображении. В рассматриваемой модели можно выделить следующие факторы, влияющие на разрешающую способность [4]:

1. КЧХ оптической системы;

2. КЧХ фильтра нижних пространственных частот;

3. Пространственные частоты дискретизации ФП;

4. АЧХ монохромного ФП;

5. Свойства СКС;

6. Алгоритм восстановления видеосигналов цветного изображения;

7. Полоса частот видеотракта.

Пункты 1-4 и 7 определяют разрешающую способность для черно-белой ТВ камеры. Пункты 5 и 6 учитывают особенности формирования видеосигналов цветного изображения в одноматричной ТВ камере.

MTF описывает зависимость глубины модуляции от пространственной частоты [4, 46-49]. Разрешение оптической системы ограниченное дифракционным пределом. В этом случае MTF описывается как

MTF(Q = 1-1,22 -F - Л- fs, (1.1)

где F - относительное отверстие объектива, X - длина волны падающего света, fs — пространственная частота.

На рисунке 1.5 изображена зависимость MTF от размера пиксела на частоте Найквиста для длины волны 550 нм, при различных значениях относительного отверстия объектива F [4]. Графики, рисунок 1.5, показывают, что при использовании ФП с размером пиксела 1,1 мкм (минимальный размер пиксела текущего поколения ФП) оптическая система не позволяет обеспечить уровень MTF более 10% при использовании объектива с F более 2.8. На практике обеспечить MTF более 10% при размерах пиксела 0,8 мкм и менее практически не представляется возможным.

До недавнего времени при проектировании цветной одноматричной ТВ камеры наличие ФНПЧ было обязательным. Он ограничивает верхние пространственные частоты в оптическом изображении, что снижает уровень муаров. Поскольку для СКС Байера цветовые артефакты проявляются именно на высоких пространственных частотах, то ФНПЧ активно использовался именно для ФП с данной структурой.

Существенным недостатком использования ФНПЧ является завал общей MTF оптической системы при повышении пространственной частоты, что негативно сказывается на разрешающей способности. Совершенствование алгоритмов интерполяции позволило фирме Nikon выпустить ряд цифровых фотоаппаратов без ФНПЧ [50], позволяющих получать более резкие изображения.

Компания Fujifilm в своих фотоаппаратах на ФП с СКС X-Trans [21] также не использует ФНПЧ, для повышения разрешения и детализации получаемых изображений (рисунок 1.6а, б).

-¥2

-Р2.8

-Р4

-ИЗ.6

-Р8

-Р11

Размер пиксела, мкм

Рисунок 1.5 - Зависимость МТГ от размера пиксела на частоте Найквиста для

длины волны 550 нм

36 34 32 30

36 34 б 32 30

Рисунок 1.6 - Разрешающая способность ТВ камеры с СКС Байера и СКС Х-Тгат

Дискретизация изображения является одной из основных операций в телевидении. Для передачи ТВ изображения необходимо заменить дискретными отсчетами по крайней мере два из трех аргументов исходного непрерывного изображения Е(рс,у, t) [51, 52]. Теория дискретизации сообщений была предметом многочисленных исследований проведенных в [51, 53-56]. С точки зрения задачи повышения разрешающейся способности ТВ камеры, наиболее очевидным решением, является увеличение количества элементов разложения.

При таком подходе возможно два способа повышения разрешающей способности. Первый, состоит в увеличении формата ФП при сохранении размера светочувствительных элементов. Однако увеличение формата влечет за собой существенное увеличение габаритных размеров и массы оптической системы, а также стоимости самого ФП, что зачастую является недопустимым. Поэтому на практике чаще используется второй метод, заключающийся в уменьшении размера пиксела (шага дискретизации) при фиксированном формате ФП.

На рисунке 1.7 изображена тенденция уменьшения размера пиксела в ПЗС и КМОП ФП [4]. На данный момент выпускаются КМОП-сенсоры с размером пиксела 1,1 мкм и планируется производство ФП с размером 0,9 мкм [57-61]. Дальнейшее уменьшение размера пиксела связано с существенными технологическими ограничениями.

Форма апертуры определяет АЧХ ФП [1, 2, 4, 32]. На рисунке 1.8,а изображена топология одного элемента КМОП-сенсора с активным пикселом, использующего три транзистора [61]. В большинстве случаев пиксел КМОП-сенсора (кроме ФП с технологией EXMOR RS от Sony [62]) построен таким образом, что фоточувствительная часть (ФД) значительно меньше размера всего пиксела, поскольку схему управления необходимо располагать в той же плоскости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баранов, Павел Сергеевич, 2014 год

Авторский список литературы

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России'.

А1. Баранов П.С. Чувствительность цветных одноматричных телевизионных камер [Текст] Баранов П.С., Козлов В.В., Манцветов А.А. //Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2012. Вып. 1. С. 58-71.

А2 Баранов П.С. Управление режимом накопления в твердотельных фотоприемниках [Текст] / Умбиталиев A.A., Цыцулин А.К., Манцветов A.A., Козлов В.В., Рычажников А.Е., Баранов П.С., Иванова А.В // Оптический журнал вып.11. Том 79. 2012. С. 84-92.

A3 Баранов П. С. Статистический метод устранения разброса параметров выходных устройств фотоприемника [Текст] / Баранов П. С//. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. Вып. 2. 2013. С. 80-89.

A4 Баранов П. С. Анализ характеристик телекамер на фотоприемниках с произвольной структурой кодирующих светофильтров [Текст] / Баранов П. С // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. Вып. 1. 2014. С. 80-89.

Патенты

А5 Баранов П.С. Устройство формирования изображния // Быков P.E., Баранов П.С. Заявка №2013128843/07(042936)

Другие статьи и материалы конференций:

А6 Баранов П.С. Управление накоплением видеоинформации в твердотельных фотоприемниках [Текст] / Баранов П.С., Иванова A.B., Манцветов ,, A.A., Умбиталиев A.A. // Тез. докл. 9-ой Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СПб, 2012 г. с. 15-18.

А7 Баранов П.С. Метод компенсации анизотропии видеосигналов фотоприемника с параллельным считыванием в реальном времени. [Текст] / Баранов П.С., Сергеева Е.Ф. // Тез. докл. 9-ой Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СПб, 2012 г. с. 134-135.

А8 Баранов П.С. Специальные телевизионные камеры со сверхмалым временем экспозиции [Текст] / Баранов П.С., Иванова A.B. //. сбор, докладов науч.-тех. школы-семинара «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире». 2012 г. С. 5-7

А9 Баранов П.С. Интерполяция цветных изображений на основе анализа в спектральной плоскости [Текст] / Баранов П.С., Драк О.Т. // Тез. докл. научно-

техн. конф. СПб НТОРЭС, СПб, 2013 г. С. 240-241

#

Щ

^ ff

©

А.10 Баранов П.С. Представление и анализ изображения^лрильягрованного CFA, в частотной области. Синтез CFA. [Текст] / Баранов П.С., Драк О.Т. // Тез. докл. 10-ой Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СПб, 2013 г. с. 93-95.

Al 1 Баранов П.С. Выбор структуры цветных кодирующих светофильтров для повышения чувствительности [Текст] / Баранов П.С., Драк О.Т. // Тез. докл. 10-ой Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СПб, 2013 г. с. 14-16.

А12 Баранов П.С. Методы компенсации вертикального смаза в телевизионных камерах на матричных ПЗС [Текст] / Баранов П.С. //. Тез. докл. 10-ой Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СПб, 2013 г. с. 26-28.