Глава 16. КОРРЕКЦИЯ ЯРКОСТНЫХ, ЦВЕТОВЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗОБРАЖАЮЩИХ СИСТЕМ

Реальные датчики изображения часто имеют неудовлетворительные спектральные или временные характеристики. Другой распространенный недостаток видеодатчиков и дисплеев - нелинейность характеристик передачи уровней. Подобные искажения удается в значительной степени скорректировать посредством обработки сигналов на выходе датчиков или на входе дисплеев. Реализация такой обработки обычно не представляет особых затруднений.

16.1. КОРРЕКЦИЯ ЯРКОСТНОЙ ПОЭЛЕМЕНТНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ ВИДЕОДАТЧИКОВ

Существуют изображающие системы, в которых искажения можно представить в виде раздельных пространственной и поэлементной составляющих. В таких системах часто удается осуществить прямую компенсацию поэлементных искажений [1,2]. Рассмотрим реальную изображающую систему, формирующую изображение, описываемое функцией , в соответствии с разделимой моделью:

,       (16.1.1)

где  - спектральная плотность энергии входного светового поля,  - поэлементная характеристика передачи уровней видеодатчика,  - оператор, определяемый пространственной, временной и спектральной характеристиками. Чтобы осуществить компенсацию яркостной нелинейности видеодатчика, наблюдаемое изображение следует пропустить через корректирующую систему, описываемую оператором реставрации , таким, что

.             (16.1.2)

В случае оптических непрерывных изображений реализация нелинейного поэлементного реставрирующего оператора может оказаться затруднительной. Напротив, реставрация изображений, представленных в виде аналоговых электрических сигналов, выполняется весьма просто с помощью нелинейных усилителей; легко осуществляется коррекция с помощью цифровых средств - обычных арифметических устройств или постоянных запоминающих устройств, реализующих таблицы соответствия.

Рис. 16.1.1. Коррекция яркостной поэлементной нелинейности видеодатчика.

На рис. 16.1.1 представлена схема, иллюстрирующая методику коррекции яркостной поэлементной нелинейности. На входе видеодатчика находится точечный источник света с распределением , которое преобразуется в двоичное число , поступающее на вход вычислительной машины или цифровой системы связи. В некоторых изображающих системах обработке подвергают непосредственно двоичные числа, в других - предпочитают предварительно формировать действительные машинные числа с фиксированной запятой, прямо пропорциональные яркости входного излучения. В первом случае используется блок двоичной коррекции, на выходе которого получается двоичное число , прямо пропорционально . Во втором случае используется блок коррекции с фиксированной запятой, который дает число с фиксированной запятой , равное .

Рис. 16.1.2. Световые характеристики видеодатчика.

а - измеренная характеристика; б - скорректированная характеристика.

На рис. 16.1.2, а представлена типичная кривая зависимости измеренной величины  от яркости излучения на входе видеодатчика ; на рис. 16.1.2, б показана соответствующая скорректированная световая характеристика желательной формы. Исходную световую характеристику можно получить, пользуясь испытательной таблицей с полями известных яркостей; для каждого яркостного уровня определяется соответствующее двоичное число . Для уменьшения ошибок, обусловленных шумом и измерительными погрешностями, следует многократно повторять измерения. Калибровка упростится, если двоичное представление яркости рассматривать как двоичное число с фиксированной запятой. Пусть, например, весь яркостный диапазон разбивается на 4096 уровней и кодируется с 12 разрядами. В этом случае будем пользоваться двоичным представлением вида

.     (16.1.3)

Целая часть этого числа представляет уровни от 0 до 255, а дробная - доли каждого шага квантования, разбиваемого на 16 частей. При такой записи уровни выходного сигнала видеодатчика, выраженные в десятичной форме, будут находиться в диапазоне

.                   (16.1.4)

Определив ряд точек посредством измерения отдельных уровней яркости, строят по ним гладкую аналитическую кривую

.                       (16.1.5)

Искомые световые характеристики, выраженные через действительные и двоичные числа соответственно, имеют вид

                            (16.1.6а)

и

.       (16.1.6б)

Отсюда получаем выражения для скорректированных световых характеристик

                         (16.1.7а)

и

.       (16.1.7б)

Обычно пользуются нормированным диапазоном яркости от 0 до 1.

Точность калибровочной процедуры можно повысить, если сначала провести грубую калибровку, а затем повторить калибровку столько раз, сколько необходимо для нахождения уточненной скорректированной характеристики. Поскольку  - двоичное число, скорректированное значение яркости  является действительным числом квантованной шкалы. Следует также заметить, что скорректированное значение двоично-кодированной

яркости  будет содержать ошибку округления, возникающую при вычислении правой части (16.1.7б). Таким образом, нелинейность кривой , построенной по точкам, и погрешность квантования, свойственная процессу преобразования в цифровую форму, могут привести к тому, что некоторые уровни скорректированной шкалы двоично-кодированной яркости не будут использоваться. Другими словами, гистограмма распределения уровней , построенная для скорректированного, изображения, может содержать пропуски. Чтобы минимизировать этот эффект, число уровней выходной шкалы должно быть меньше числа уровней входной шкалы. Например, при 12-разрядном кодировании  можно ограничиться только восемью разрядами кодирования . Другое возможное решение – добавление к  псевдослучайного шума, обеспечивающего более равномерное заполнение уровней квантования.

Многие видеодатчики с разверткой изображения, такие, как видиконные и диссекторные телекамеры, вносят яркостную поэлементную нелинейность, которая является пространственно-зависимой. В принципе коррекция яркостной поэлементной нелинейности может быть произведена для каждого элемента изображения в отдельности с использованием уже рассмотренных методов; при этом для каждого элемента должна быть известна откалиброванная световая характеристика. Однако технические трудности делают такую процедуру практически невозможной. Другой подход, часто дающий хорошие результаты, основан на моделировании, пространственной неоднородности световой характеристики некоторой гладкой двумерной функцией  в пределах светочувствительной поверхности видеодатчика. При этом скорректированная пространственная световая характеристика  выражается в виде

,                     (16.1.8)

где  - исходная световая характеристика видеодатчика.