Способ пространственно-временной обработки изображений на основе матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании прикладных систем, в частности для пространственно-временной обработки изображений. Техническим результатом изобретения является выполнение пространственно-временной обработки изображения одновременно с его формированием при обеспечении адаптации к уровню освещенности и исключении искажений результатов обработки, связанных с переполнением потенциальных ям матрицы фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ПЗС). Предложен способ пространственно-временной обработки изображений, причем осуществляют свертку проецируемого изображения с требуемой импульсной характеристикой путем дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах матрицы фоточувствительных ПЗС, в сочетании с взаимным пространственным смещением изображения и матрицы фоточувствительных ПЗС, при этом параметры перемещения определяются частотными характеристиками реализуемого пространственно-временного фильтра, при определении времени накопления в каждой точке пространства учитывается величина отсчетов импульсной характеристики и уровень освещенности проецируемого изображения, а между накоплениями осуществляется пауза на время, необходимое для обеспечения постоянства временного интервала между циклами накопления. 1 ил.

 

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании прикладных систем и, в частности для пространственно-временной обработки изображений.

Известен способ пространственно - временной обработки изображений на основе матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью и устройство для его реализации (Патент 1007970 РФ, МКИ⁵ Н04 N 5/14. - №2001113366/09; Заявл. 14.05.2001; Опубл. 10.11.2003, Бюл. №31), взятый за прототип. Он основан на том, что пространственно-временную обработку выполняют путем дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах ФПЗС, и перемещают в пространстве изображение относительно матрицы ФПЗС. Время накопления в каждой точке пространства изменяют пропорционально величине отсчетов импульсной характеристики реализуемого пространственно-временного фильтра в зависимости от вида фильтрации.

Недостатком данного способа является то, что дискретное накопление происходит в течение времени, соответствующего только величине отсчетов импульсной характеристики, и не учитывается освещенность сцены, что исключает возможность адаптации устройства пространственно-временной обработки к изменению условий наблюдения и может привести к переполнению потенциальных ям матрицы ФПЗС в процессе дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения, и внесению искажений при осуществлении пространственно-временной обработки.

Техническим результатом изобретения является выполнение пространственно-временной обработки изображения одновременно с его формированием, обеспечивающей выделение неподвижных и движущихся объектов на нестационарном фоне, при обеспечении адаптации к уровню освещенности и исключении искажений результатов обработки, связанных с переполнением потенциальных ям матрицы фоточувствительного прибора с зарядовой связью.

Сущность изобретения состоит в том, что пространственно-временная обработка изображения реализуется в виде свертки проецируемого на матрицу фоточувствительных приборов с зарядовой связью изображения с требуемой импульсной характеристикой, определяющей реализуемую пространственно-временную фильтрацию, путем дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью, в сочетании с взаимным пространственным смещением изображения и матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью, при этом параметры перемещения определяются частотными характеристиками реализуемого пространственно-временного фильтра, время накопления в каждой точке пространства изменяется пропорционально величине отсчетов импульсной характеристики реализуемого пространственно-временного фильтра в зависимости от вида фильтрации, а между накоплениями осуществляется пауза на время, необходимое для обеспечения постоянства временного интервала между циклами накопления, отличающееся тем, что дополнительно измеряется освещенность проецируемого изображения и в зависимости от величины освещенности формируется сигнал, который управляет длительностью стадии дискретного накопления зарядов Т_{н i,s} в соответствии с формулой:

,

где ΔU_пов - изменение поверхностного потенциала под управляющим электродом ПЗС; С_0x - емкость окисла ПЗС; α_i,s - отсчеты импульсной характеристики размерностью I по пространству и S по времени, для которых должно выполняться условие ; η - коэффициент, введение которого позволяет не учитывать изменение ширины обедненной области при уровне заполнения ям, близком к максимальному, η=0,5...0,7; Ф - уровень освещенности проецируемого на ФПЗС изображения; q - заряд электрона; Т_пр - коэффициент пропускания светового потока через многослойное покрытие (затвор, подзатворный диэлектрик); η_ф - квантовый выход внутреннего фотоэффекта; α - коэффициент поглощения в материале подложки; х_oc - ширина обедненной области (в случае заполнения только части потенциальной ямы, далекой от насыщения, величина постоянная); L_n - диффузионная длина электрона.

Сущность поясняется следующими рассуждениями.

Известно, что [Приборы с зарядовой связью/ Под ред. М.Хоувза и Д.Моргана: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1981. - 376 с. ] максимальный заряд, который может храниться в ПЗС без переполнения потенциальной ямы, определяется как:

,

где С_0x - емкость окисла ПЗС; C_d - емкость обедненной области ПЗС в реальных ПЗС с уровнем легирования подложки 10¹⁵ см^-3 и толщиной окисла 0,1 мкм С_d примерно в 10 раз меньше C_0x, и может не учитываться.

Максимальная величина заряда Q, накопленного в потенциальной яме ПЗС, в процессе непрерывного накопления фотогенерированных зарядов за время накопления Т_н определяется как:

где Т_{н max} - максимальная длительность непрерывного накопления, при котором не происходит переполнения потенциальных ям ФПЗС. При выполнении свертки проецируемого на ФПЗС изображения с импульсной характеристикой, определяющей пространственно-временную фильтрацию, длительность i-ой стадии дискретного накопления зарядов на s-ом этапе Т_{н i,s} обработки в каждой точке пространства должна определяться как:

T_{н i,s}=α_i,s·η·T_нmax.

Следовательно, для исключения возможности переполнения потенциальных ям матрицы ФПЗС в процессе дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения при осуществлении пространственно-временной обработки, длительность стадий дискретного накопления зарядов выбирают как:

В данном выражении только освещенность может изменяться при изменении условий наблюдения, что необходимо учитывать при определении длительности стадий дискретного накопления зарядов. В результате учета уровня освещенности сцены при реализации предлагаемого способа пространственно-временной обработки исключается возможность переполнения потенциальных ям матрицы ФПЗС и внесения искажений при выполнении обработки.

Для обеспечения постоянства временного интервала Т_отсч между отсчетами сигнала, стадия хранения длительностью Т_{хр i} между накоплением длительностью T_{н i} и сдвигом по пространству (см. чертеж) должна быть равна:

,

где Т_{н i+1} - время накопления в следующем (i+1) цикле; T_{н i} - время накопления в текущем i-ом цикле.

Применение предложенного способа позволит реализовать широкий круг задач пространственно-временной обработки изображений одновременно с их формированием в реальном масштабе времени на основе устройства, обладающего характерными для ФПЗС минимальными массогабаритными и энергетическими показателями.

Способ пространственно-временной обработки изображений на основе матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью, при котором производится свертка проецируемого на матрицу фоточувствительных приборов с зарядовой связью изображения с требуемой импульсной характеристикой, определяющей реализуемую пространственно-временную фильтрацию, путем дискретного накопления зарядов фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью в сочетании с взаимным пространственным смещением изображения и матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью, при этом параметры перемещения определяются частотными характеристиками реализуемого пространственно-временного фильтра, время накопления в каждой точке пространства изменяется пропорционально величине отсчетов импульсной характеристики реализуемого пространственно-временного фильтра в зависимости от вида фильтрации, а между накоплениями осуществляется пауза на время, необходимое для обеспечения постоянства временного интервала между циклами накопления, отличающийся тем, что дополнительно измеряется освещенность проецируемого изображения, в зависимости от величины освещенности формируется сигнал, который управляет длительностью стадии дискретного накопления зарядов Т_{н i,s} в соответствии с формулой:

где ΔU_пов - изменение поверхностного потенциала под управляющим электродом ПЗС; С_0х - емкость окисла ПЗС; α_i,s - отсчеты импульсной характеристики размерностью I по пространству и S по времени, для которых должно выполняться условие η - коэффициент, введение которого позволяет не учитывать изменение ширины обедненной области при уровне заполнения ям, близком к максимальному, η=0,5...0,7; Ф - уровень освещенности проецируемого на ФПЗС изображения; q - заряд электрона; Т_пр - коэффициент пропускания светового потока через многослойное покрытие; η_ф - квантовый выход внутреннего фотоэффекта; α - коэффициент поглощения в материале подложки; x_ос - ширина обедненной области; L_n - диффузионная длина электрона.