Применение медианной фильтрации в процедуре визуализации тепловизионного изображения, формируемого матричными КРТ фотоприемниками Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 537.533.3,681.7.015.

И.И. Кремис, В.Н. Федоринин, В.М. Тымкул

Новосибирский филиал Института физики полупроводников СО РАН

«Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники», Новосибирск

ПРИМЕНЕНИЕ МЕДИАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ПРОЦЕДУРЕ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ, ФОРМИРУЕМОГО МАТРИЧНЫМИ КРТ ФОТОПРИЕМНИКАМИ

Рассмотрен ''гистограммный'' метод визуализации тепловизионного изображения, формируемого матричными приемниками ИК-диапазона на фотодиодах из полупроводникового соединения кадмий - ртуть - теллур (КРТ). Показано применение медианной фильтрации для устранения влияния дефектных пикселей фотоприемника на качество функционирования ''гистограммного'' метода визуализации изображения.

I.I. Kremis, V.N.Fedorinin, V.M. Tymkul

Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, “Technological Design Institute of Applied Microelectronics”, Novosibirsk, Russia

APPLICATION MEDIAN OF THE FILTRATION IN PROCEDURE OF VISUALIZATION INFRARED OF THE IMAGE RECEIVED WITH MATRIX PHOTODETECTORS

It is considered histogram a visualisation method infrared images of the received from matrix receivers on photo diodes from semi-conductor connection HgCdTe. Application median is shown a filtration for elimination of influence of deficiency of pixels of a photodetector on quality of functioning histogram a method of visualisation of the image.

Тепловизионные приборы (ТВП) в настоящее время получили широкое распространение и используются в самых разных сферах человеческой деятельности. Принцип действия тепловизионных приборов основан на преобразовании теплового излучения от объектов и местности в видимое изображение. Для визуализации тепловизионного изображения могут применяться как монохромные телевизионные мониторы, использующие аналоговый сигнал по ГОСТ 7485-92 [1], так и мониторы поддерживающие стандарты сигналов VESA и VGA. Кроме того, для непосредственной передачи изображения из ТВП в различные устройства спецприменения, как правило, в ТВП используют специализированный цифровой интерфейс, состоящий из сигналов синхронизации и данных желаемой разрядности. Разрядность данных определяется требованиями к количеству градаций серого, необходимых для качественного воспроизведения изображения на экране устройства визуализации. Так, в системе ЦОС УЭМ показанной в [1,2], используется 12-ти разрядный ЦАП, тем самым определяя рабочий диапазон 0...4095, при этом значение 0 соответствует при визуализации уровню черного, а значение 4095 -уровню белого.

Все перечисленные выше форматы передачи данных, для комфортного зрительного восприятия тепловизионного изображения, требуют согласования

динамического диапазона сигнала изображения и экрана, на котором выполняется визуализация.

Согласование динамического диапазона заключается в выполнении следующих арифметических операций [2]:

У = — ш ■ 4095, (1)

МАХ

где: 4095 - значение определяется диапазоном, с которым необходимо согласовать тепловизионное изображение (значение 4095 соответствует 12 разрядному представлению выходных данных), Y - выходной (согласованный) сигнал, X - сигнал изображения, требующий согласования, MAX, MIN -максимальное и минимальное значение границы визуализации гистограммы.

Как правило, для визуализации наиболее существенной части наблюдаемой сцены применяется ''гистограммный'' метод. ''Гистограммный'' метод визуализации изображения заключается в том, что проводится анализ гистограммы изображения и определяются значения гистограммы MAX и MIN (рис. 1), соответствующие краям наиболее информативного участка изображения. Далее для преобразования по формуле (1) используется только изображение, расположенное в диапазоне между MAX и MIN, причем, задавая порог р, определение границ MAX и MIN достаточно просто автоматизировать (рис. 1).

Рис. 1. Исходная гистограмма изображения

Применение ''гистограммного'' метода способствует существенному повышению восприятия наблюдаемой тепловой сцены. Однако применение данного метода требует равномерного распределения гистограммы, для которой каждое значение количества элементов по оси ординат (оси У) соответствует количеству элементов фотоприемного устройства (ФПУ) с адекватным откликом на тепловое излучение объектов наблюдения. Применение данного

метода для изображения, полученного с фотоприемника, который имеет некоторый процент дефектных пикселей (дефектных элементов (ДЭ)), будет ограничено, т.к. сигналы от ДЭ приемника будут нарушать равномерность гистограммы (элементы расположенные до границы MIN и после границы MAX рис. 1). Что требует значительного усложнения алгоритма анализа гистограммы для нахождения по заданному порогу p настоящих границ MAX и MIN.

Эффективным способом устранения влияния дефектности фотоприемника является применение одномерного медианного фильтра. В этом случае размер маски выбирается не менее чем максимальный размер области гистограммы, соответствующий сигнальным откликам ДЭ (ось X рис. 1). Результат применения медианного фильтра с маской 3х1 показан на рис. 2. Здесь резко выделяющиеся элементы гистограммы, расположенные до границы MIN и после границы MAX, которые имели место на рис. 1, отфильтрованы медианным фильтром. В этом случае значения границ MAX и MIN определяются однозначно по порогу p=5 (рис. 2).

Рис. 2. Гистограмма изображения после фильтрации

ДЭ приемника вносят существенные изменения в структуру гистограммы изображения, что может усложнить реализацию автоматического поиска границ MAX и MIN. Следовательно, для визуализации сцены наблюдения, в автоматическом режиме, требуется применение эффективных алгоритмов обнаружения и замещения ДЭ приемника. В противном случае ''гистограммный'' метод не способен адекватно определить границы MAX и MIN и, следовательно, не способен правильно согласовать динамический диапазон сигнала изображения и устройства, на котором выполняется визуализация. Являясь обязательной процедурой функционирования ТВП, регулярное определение ДЭ (необходимое вследствие дрейфа и нестабильности сигнала элементов приемника), будет сопровождаться временной потерей изображения

на экране устройства визуализации до полного прохождения цикла обнаружения ДЭ. Тот факт является неприемлемым для приборов наблюдения и обнаружения.

Примененная методика обработки массива элементов гистограммы позволяет обеспечить надежное функционирование гистограммного метода визуализации вне зависимости от процента дефектных пикселей ФПУ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кремис И.И., Однолько Ю.Ф. Унифицированная система обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК - диапазона на основе микросхемы программируемой логики типа FPGA // Прикладная физика, 2007, № 4, С. 133-140.

2. Кремис И.И., Однолько Ю.Ф Способы и принципы построения алгоритмов ЦОС многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе микросхемы программируемой логики // Прикладная физика, 2008, № 3, С. 101-111.

© И.И. Кремис, В.Н. Федоринин, В.М. Тымкул, 2010