Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы цифровой обработки изображений. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 92 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>



xωх

хгр

yгр

y/2



xωх

хгр

yгр

y/2

Рис. 4

Рис. 5

Особенностью оптимального восстановления изображения в промежутках между отсчетами является использование всех отсчетов дискретного изображения. Когда требуется восстановить изображение в локальной области, опираясь на некоторое небольшое количество имеющихся дискретных значений, применяют квазиоптимальное восстановление при помощи различных интерполирующих функций.

2.3. Квантование непрерывных изображений

При квантовании непрерывный динамический диапазон значений яркости делится на дискретные уровни. Динамический диапазон – интервал значений яркости [I

D = I

где I

min

и I

– соответственно минимальный и максимальный уровни

max

– I

min

, I

max

] изображения:

яркости среди всех пикселей изображения. Динамический диапазон устанавливает минимальный и максимальный уровни яркости, которые система способна представлять и, следовательно, которые могут присутствовать в изображении.

Пусть динамический диапазон значения яркости ограничен и равен [I1, I

]. При цифровом представлении изображения каждому из

L+1

квантованных значений яркости ставится в соответствие двоичный код. Поэтому количество уровней (градаций) L яркости, разрешенных для каждого пикселя, для удобства построения оборудования обработки, хранения и дискретизации выбирают равным целочисленной степени двойки L = 2k. Квантователь преобразует непрерывную переменную x в дискретную переменную xкв, принимающую конечное множество значений (уровней квантования)

{r1, ..., rL}.

При равномерном квантовании (уровни яркости расположены с постоянным шагом и принимают целые значения в интервале [0, L–1]) преобразование осуществляется в соответствии с рис. 6.

j-1Ij

j+1

ILI

L+1

j-2rj-1

L-1

Пороговые уровни

Уровни квантования

НП РК ОП

x y

вх

вых

Рис. 6

ного отсчета принадлежит интервалу

(Ij, I

), то значение яркости заменяется

j+1

на уровень квантования rj. В этом случае Ij, j=1...L+1, являются порогами квантования. Задача построения квантователя состоит в определении значений порогов Ij и уровней rj. Простейший способ решения этой задачи состоит в разбиении динамического диапазона на одинаковые интервалы и называется

равномерным квантованием (рис. 6, 7).

Если яркость x пространствен-

изображения сгруппированы, например, в «темной» области и количество уровней L ограничено, то равномерное квантование не является наилучшим решением. В данном примере в «темной» области следует квантовать чаще, а в «светлой» – реже. В таких случаях целесообразно применять неравномерное квантование, которое позволяет уменьшить ошибку квантования ε = x − xкв.

помощью нелинейного преобразования. В соответствии со схемой квантователя со сжатием (рис. 8) пространственный отсчет x исходного изображения подвергается нелинейному преобразованию (НП), равномерно квантуется (РК) и подвергается обратному нелинейному преобразованию (ОП).

плотности вероятности преобразованных отсчетов на входе квантователя. Данная процедура называется процедурой эквализации, которая подробно описана в п. 4.3.

Рис. 7

В случае, если значения яркости большинства отсчетов

Неравномерное квантование можно свести к равномерному с

Рис. 8

Основной задачей НП является получение равномерной

кв

{ } {( ) } min

E E x x   

(7)

2 2 2

кв

{ } ( ) ( ) ( ) ( )

E x x w x dx x r w x dx





    





(8)

( ) ( ) ( ) ( ) 0, 2... ,

( ) ( ) 0при 1... .

j j j j j j

I r w I I I w I j L

x r w x dx j L





    

  



(9)

( ) / 2 при 2... ,

()

0 при 1... .

()

j j j

I r r j L

xw x dx

r j L

w x dx





  

  



(10)

2 2 2

{ } { } ( )

E E x r w x dx





  





Задача построения квантователя заключается в нахождении оптимальных значений пороговых уровней dj и уровней квантования rj, удовлетворяющих некоторому критерию оптимизации. Обычно при фиксированном количестве уровней квантователь оптимизируется по критерию минимальной среднеквадратической ошибки

Если предположить, что яркость x – случайная величина с известной плотностью w(x) вероятности, то среднеквадратическая ошибка квантования

Дифференцируя (8) по переменным Ij и rj и приравнивая производные к нулю, получаем (2L–1) нелинейных уравнений:

Пороги I1 и I

определяются динамическим диапазоном

L+1

яркости.

Уравнения (9) можно привести к виду:

Из (10) следует, что пороги должны располагаться посередине между двумя соседними уровнями r удовлетворяющий критерию (7), называется квантователем Ллойда – Макса, среднеквадратическая ошибка которого равна

При равномерном распределении яркости среднеквадратическая ошибка равна E{2} = 2/12, а уравнения (10) представляются в виде:

Ij = I1 + (j–1), j=2...L,

rj = Ij +/2, j=1...L,

= (I

L+1

и r

. Оптимальный квантователь,

j–1

– Ij)/L,

где  – шаг квантования.

В системах цифровой обработки изображений стремятся уменьшить количество уровней и порогов квантования. Однако при ограничении количества уровней квантования на проквантованном изображении могут появиться ложные контуры. Они возникают вследствие скачкообразного изменения яркости проквантованного изображения и особенно заметны на пологих участках ее изменения. Ложные контуры значительно ухудшают визуальное качество изображения, так как зрение человека особенно чувствительно именно к контурам. При равномерном квантовании типичных изображений требуется не менее 64 уровней.

Для разрушения ложных контуров, появление которых связано с ограничением количества уровней квантования, Лоуренс Робертс предложил перед равномерным квантованием к отсчетам яркости добавлять шум с равномерной плотностью распределения вероятностей. Добавленный шум переводит одни отсчеты изображения на уровень выше, а другие – на уровень ниже. Обычно используют равномерно распределенный шум на интервале [−∆/2, ∆/2]. Выбор дисперсии добавляемого шума осуществляется с учетом соображения разрушения ложных контуров и недопущения появления искажений, воспринимаемых как «снег» на изображении.

Контрольные вопросы

1. Какова структура двумерного спектра дискретного

изображения?

2. Как осуществляется выбор интервалов дискретизации

изображения?

3. Какова структура спектра дискретного изображения?

4. При каких условиях дискретное изображение можно без

потерь восстановить в непрерывное?

5. По какому критерию осуществляется синтез оптимального

квантователя изображения?

6. Чем объясняется стремление использовать небольшое число

уровней квантования?

7. В чем заключается механизм возникновения ложных контуров

при малом числе уровней квантования изображения?

8. Каким образом добавление шума к изображению позволяет

ослабить эффект ложных контуров, возникающих при квантовании? Как при этой процедуре следует выбирать характеристики шума?

9. В каком случае целесообразно применение неравномерного

квантования?

f, Гц

λ, м10

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

Гамма-лучи

Рентгеновские

лучи

Ультрафиолетовое

излучение

Видимый свет

Инфракрасное

излучение

Микроволновое

излучение

Радиоволны

400 нм

500 нм 600 нм

700 нм

Фиолетовый цвет

Красный цвет

Зеленый цвет Желтый цвет

3. Устройства формирования цифровых изображений

Главным источником энергии для формирования изображений является электромагнитное излучение. Электромагнитные волны можно трактовать как распространяющиеся синусоидальные колебания или поток частиц. Расположение диапазонов излучения в порядке убывания энергии фотонов представлено на рис. 9.

Рис. 9

При формировании цифрового изображения на отношение сигнал-шум влияют внутренние шумы радиоэлектронных элементов, но основным источником цифрового шума является фотосенсор.

От вида преобразователя «световой поток – электрический сигнал» (в дальнейшем – сенсор или датчик) зависят принцип построения передающей камеры, наличие отдельных вспомогательных узлов. Поэтому важным вопросом при построении передающих камер является правильный выбор устройства, преобразующего оптические изображения в видеосигнал.

3.1. Сенсоры CCD

Простейший сенсор, выполненный по технологии ПЗС (прибор с зарядовой связью; в англоязычной литературе – CCD, Charge-Coupled Device), представляет собой металл-окисел-полупроводниковый (МОП) конденсатор, способный под воздействием света накапливать электрический заряд, обусловленный образованием в полупроводнике электронно-дырочных пар. Однако наряду с процессом генерации происходит и обратный процесс – рекомбинация дырок и электронов. Если на один из электродов МОП конденсатора подать положительный потенциал, то дырки, являющиеся основными носителями заряда, начнут сдвигаться в сторону от диэлектрика – вглубь полупроводника.

Шины управления

Полупроводник p-типа

Рис. 11

Фотоэлектроны

Полупроводник p-типа

Затворы

Диэлектрик

Положительный

потенциал

Положительный

потенциал

Полупроводник p-типа

Диэлектрик

Рис. 10

На границе полупроводника с диэлектриком образуется обедненная основными носителями область – так называемая потенциальная яма. Так как дырок в потенциальной яме нет, то электроны хранятся в ней без рекомбинации в течение некоторого времени.

Рассмотрим несколь-

ко близко расположенных затворов на поверхности одного и того же диэлектрика (рис. 10). Если на соседний затвор подать более высокий положительный потенциал, то электроны начнут перетекать в область более сильного поля, то есть перемещаться от одного затвора к другому. Имея цепочку затворов и последовательно подавая на них управляющие напряжения (рис. 11),

можно перемещать локализованный зарядовый пакет вдоль всей структуры.

перемещения накопленного заряда достаточно всего трех типов затворов – передающего, принимающего и изолирующего (разделяющего пару принимающих и передающих затворов). Одноименные затворы таких троек могут быть соединены друг с другом в единую шину, требующую для управления трехразрядного регистра сдвига. Накопленные заряды далее передаются на аналогоцифровой преобразователь (АЦП).

поверхностным каналом передачи, так как канал, по которому передается накопленный заряд, находится на поверхности

Именно на этом принципе и основана работа матриц CCD. Для

Рассмотренная структура ПЗС-матрицы носит название ПЗС с

Пиксели

Электроды переноса

Элементы буферного

столбца

Электроды

переноса

Выходной

сигнал

Последовательный

регистр сдвига

Электроды

переноса

Рис. 12

полупроводника. Поверхностный способ передачи имеет ряд недостатков, основной из которых – высокий уровень шума. Поэтому специалистами фирмы Philips ещё в 1972 году был реализован скрытый канал переноса: для этого в поверхностной области полупроводника p-типа создавался тонкий слой полупроводника n-типа.

Чтобы при считывании зарядов не происходило «смаза» изображения, используют матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix, рис. 12). В таких сенсорах рядом с каждым столбцом, представляющим собой последовательный регистр сдвига, располагается буферный столбец (также последовательный регистр сдвига), состоящий из ПЗС-элементов, покрытых непрозрачными полосками (чаще металлическими). Совокупности буферных столбцов составляют буферные параллельные регистры, которые чередуются с регистрирующими свет столбцами.

За один рабочий цикл светочувствительный параллельный регистр сдвига передает заряды буферному параллельному регистру посредством сдвига зарядов по горизонтали, после чего светочувствительная часть снова готова к экспонированию. Затем идёт построчный сдвиг по вертикали зарядов буферного параллельного регистра, нижняя строка которого является входом последовательного регистра сдвига матрицы. Так как перенос заряда матрицы в буферный параллельный регистр сдвига занимает малый интервал времени, то нет необходимости перекрывать световой поток механическим затвором: потенциальные ямы не успевают переполниться. С другой стороны, необходимое время экспонирования, как правило, сравнимо с временем считывания всего буферного параллельного регистра. За счёт этого интервал между экспонированием можно довести до минимума – в результате видеосигнал в современных видеокамерах формируется с

Микролинза

Фотоны

Светочувствительная

область пикселя

Светочувствительная

область пикселя

Фотоны

Рис. 13

частотой от 30 кадров в секунду и выше. CCD матрицы с буферизацией столбцов, в свою очередь, разделяют на матрицы с прогрессивной разверткой (progressive scan), в которых за один такт считываются все строки, и матрицы с чересстрочной разверткой (interlace scan), в которых за первый такт считываются только нечётные строки, а за второй – только чётные.

Буферные регистры сдвига занимают большую часть площади матрицы, из-за чего происходит уменьшение размера светочувствительной области пикселя. Площадь светочувствительной области пикселя составляет около 30 % от его общей поверхности, в то время как у полнокадровой матрицы этот параметр равен 70 %, в связи с чем часть светового потока отражается, не попадает на светочувствительную область пикселя (рис. 13, а ).

поверх каждого пикселя размещают микролинзы (рис. 13, б). Эти несложные оптические устройства фокусируют световой поток, падающий на всю поверхность элемента сенсора, на относительно небольшую светочувствительную область пикселя. Эффект ослабления светового потока за счет прохождения сквозь микролинзы минимален, однако недостатком является усложнение конструкции электроннооптического прибора (ЭОП).

рассеивают свет, уменьшая тем самым чувствительность ПЗСэлементов. Для специализированной съемки, требующей улучшенной восприимчивости ЭОП (в особенности к синей и ультрафиолетовой части спектра), применяют матрицы с обратной засветкой, в которых свет проникает со стороны подложки. Матрицы с прямой и обратной засветкой изображены на рис. 14, а и рис. 14, б соответственно.

Поэтому в конструкции большинства современных матриц

Электроды из поликристаллического кремния частично

Фотоны

Рис. 14

Для этого на высокопрецизионном оборудовании подложка поликристаллического кремния сошлифовывается до толщины 10 – 15 мкм, в результате чего ослабление светового потока по сравнению с использованием микролинз уменьшается.

В некоторых случаях при перемножении количества точек по горизонтали и вертикали можно получить число, большее количества элементов ПЗС-матрицы. В фотографии в случаях, когда качества матрицы не хватает на «полноценное» разрешение, оно достигается путем интерполяции точек. Поэтому всегда следует различать количество элементов ПЗС-матрицы и так называемое разрешение файла – качество получаемого кадра определяется только первым значением.

На рис. 15, а представлено расположение фотоэлементов и регистров сдвига в обычной ПЗС матрице. В 1999 г. компания Fujifilm представила супер-ПЗС (Super CCD) матрицу с восьмиугольными пикселями (рис. 15, б), что позволило увеличить ее рабочую поверхность. При этом каждые четыре пикселя (два зеленых, синий и красный) располагаются внутри фиктивного квадрата, развернутого на угол 45° (рис. 15, б). Количество горизонтальных строк определяется пикселями в верхнем и нижнем углах квадрата, количество вертикальных – элементами в левом и правом углах.

Регистры сдвига

Антиблюминговые

«канавки»

Регистры сдвига

Рис. 15

Рис. 16

Поскольку в итоговом файле изображения точки располагаться так не могут, требуется программный «разворот» каждого такого квадрата (рис. 16). В результате этой операции за счет дополнительных горизонтальных и вертикальных строк, образуемых точками в левом/правом и верхнем/нижнем углах квадрата, количество точек изображения удваивается.

Однако, поскольку дополни-

тельные пиксели образуются на основе интерполяции, подобная операция может быть проведена и с обычной матрицей. Возможна лишь единственная ситуация, при которой фактическое разрешение Super CCD будет больше. Для этого изображение снимаемого объекта после прохождения через оптическую систему должно быть меньше расстояния между строками ЭОП, которое, как отмечено ранее, составляет не более 30 % площади пикселя. При

этом изображение должно попадать строго между строками, то есть состоять только из вертикальных и горизонтальных линий. В то же время, если изображение (большинство реальных объектов содержит наклонные детали) будет ориентировано по диагонали, то обычная матрица его зафиксирует, а Super CCD – «пропустит». Однако, поскольку человеческое зрение в силу физиологических особенностей в первую очередь выделяет вертикальные и горизонтальные линии,

<<< < Предыдущая 12 / 92 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]