DE19816003C2 - Verfahren zum Korrigieren der Grauwerte von Bildern einer digitalen Infrarot-Kamera - Google Patents
Verfahren zum Korrigieren der Grauwerte von Bildern einer digitalen Infrarot-KameraInfo
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Description
Die AIM AEG Infrarot Module GmbH fertigt seit den siebziger Jahren
hochwertige Infrarotdetektoren mit den dazugehörigen Komponenten wie
Kühler und Ausleseelektronik. Eingesetzt werden die Detektoren im
militärischen Bereich, in Forschung, Medizin und Industrie. Bei den
Detektoren der neuesten Generation sind die Einzelelemente in einer
zweidimensionalen Struktur in der Fläche angeordnet und benötigen keinen
mechanischen Scanner zur Bilderzeugung mehr. Bei dem zweidimensionalen
Detektor kann eine Szene direkt durch eine geeignete Optik auf den
photosensitiven Chip abgebildet werden. Die Einzelelemente werden seriell
ausgelesen und durch die weitere elektronische Datenverarbeitung wieder
zu einer zweidimensionalen Datenstruktur, einem Bild, zusammengesetzt.
Durch die technologisch bedingte Inhomogenität des Detektors in den
Einzelelementen entsteht ein Abbildungsfehler. Es treten sowohl
zeitinvariante als auch zeitvariante Inhomogenitäten auf. In der
nachveröffentlichten DE 197 15 983 C1 ist ein Verfahren zum Korrigieren der
Grauwerte von Bildern einer digitalen Infrarot-Kamera beschrieben, bei dem
in einem Speicher eines Bildverarbeitungssystems Korrekturkoeffizienten K
für jeden Bildpunkt j des Detektors abgelegt sind. Dieses Verfahren weist
folgende Verfahrensschritte auf. Zunächst erfolgt das Erfassen der
Grauwerte Uj eines Bildes. Anschließend werden die Grauwerte Uj des Bildes
mit Hilfe der Korrekturkoeffizienten K im Bildverarbeitungssystem
korrigiert und die korrigerten Grauwerte Ukj zwischengespeichert. Nach
dem Filtern der korrigerten Grauwerte Ukj durch einen lokal wirkenden
adaptiven Filter M wird der verbleibende Abbildungsfehlers ej mit Hilfe der
Grauwerte Ukj des ungefilterten korrigerten Bildes und der Grauwerte F(Ukj)
des gefilterten korrigerten Bildes bestimmt und die Korrekturkoeffizienten
K mit Hilfe des ermittelten verbleibenden Abbildungsfehlers ej verbessert.
Letztlich erfolgt das Ablegen der verbesserten Korrekturkoeffizienten K im
Speicher des Bildverarbeitungssystems.
Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß stationäre Objekte mit
hoher Ortsfrequenz, zum Beispiel Kanten, auf Dauer durch das
Korrekturverfahren aufgelöst werden und in die "verbesserten"
Korrekturkoeffizienten mit eingehen. Bei einem Szenenwechsel treten dann
sogenannte Geisterbilder auf, die von den "verbesserten"
Korrekturkoeffizienten verursacht werden.
Aus der EP 600 742 A1 ist ein Verfahren zur Homogeniesierung der
Empfindlichkeit der einzelnen Bildpunkte eines zweidimensionalen
Detektors einer Infrarot-Kamera bekannt, bei dem der Detektor relativ zum
Bild bewegt wird.
Aus der DE 691 06 636 T2 ist ein Abbildungssystem für eine Infrarot-Kamera
bekannt, bei dem durch einen in den Strahlengang eingebachten Scanner
das Bild auf einem Bildgeber abgebildet und zusätzlich noch bewegt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das eingangs beschriebene Verfahren
zum Korrigieren der Grauwerte von Bildern einer digitalen Infrarot-Kamera
derart zu verbessern, daß stationäre Objekte mit hoher Ortsfrequenz keinen
Einfluß auf die Korrekturkoeffizienten haben.
Diese Aufgabe wird durch ein verfahren mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Verfahren erfolgt
gemäss den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Infrarotkamera ist in Patentanspruch 5
angegeben.
Bei einem Verfahren zum Korrigieren der Grauwerte von Bildern einer
digitalen Infrarot-Kamera mit einem zweidimensionalen Detektor, wobei in
einem Speicher eines Bildverarbeitungssystems Korrekturkoeffizienten Kj für
jeden Bildpunkt j abgelegt sind und die Korrekturkoeffizienten Kj mit Hilfe
eines dynamischen Korrekturverfahrens ständig verbessert werden, ist es
vorgesehen das Bild auf dem Detektor und den Detektor relativ zueinander
zu bewegen. Durch die relative Bewegung des Bildes um einen Bruchteil des
Abstandes zwischen den Pixeln in relativer Bewegungsrichtung zwischen
Abbildung und Detektor werden zunächst Positionen zwischen
benachbarten Pixeln, dann Positionen zwischen entfernteren Pixeln
eingenommen. Dadurch wird erreicht, daß bei statischen Szenen mit
stationären Objekte hoher Ortsfrequenz diese keinen Einfluss auf die
Verbesserung der Korrekturkoeffizienten haben, da sich der Ort der
Abbildung auf dem Detektor ändert. Der spezielle Weg der Bewegung des
Bildes auf dem Detektor sorgt dafür, dass der zeitliche Abstand zwischen
den Bildern hinsichtlich der Zusammenführung zu einem Gesamtbild
höherer Auflösung optimiert ist.
Es ist besonders vorteilhaft wenn die relative Bewegung des Bildes um den
halben Abstandes zwischen den Pixeln in Bewegungsrichtung erfolgt. Dann
erzielt man bei entsprechender Aufbereitung der Bildinformation eine
Verdoppelung der Auflösung des Bildes gegenüber der physikalischen
Auflösung des Detektors.
Es ist vorgesehen jeweils 4 Bilder zu einem Gesamtbild mit doppelter
Auflösung zusammen zu setzen. Dabei werden die Korrekturkoeffizienten
auf jedes (Teil-)Bild angewendet.
Bei einer digitalen Infrarot-Kamera mit einem zweidimensionalen Detektor
und einem Bildverarbeitungssystem, wobei in einem Speicher des
Bildverarbeitungssystems Korrekturkoeffizienten Kj für jeden Bildpunkt j des
Detektors abgelegt sind und die Korrekturkoeffizienten Kj mit Hilfe eines
dynamischen Korrekturverfahrens ständig verbessert werden und wobei das
Bild auf dem Detektor und der Detektor zyklisch relativ zueinander bewegt
werden, ist ein Mikroscanner im Strahlengang der Infrarot-Kamera
angeordnet, der das Bild auf dem Detektor und relativ zum Detektor derart
bewegt, dass zunächst Positionen zwischen benachbarten Pixeln, dann
Positionen zwischen entfernteren Pixeln eingenommen werden.
Kurze Beschreibung der Figuren:
Fig. 1 zeigt die Abfolge der Zentrumslage eines Bildpunktes der
Szene um 4 Bildpunkte des Detektors.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der Komponenten der Infrarot-
Kamera.
Fig. 3 zeigt die Synchronisierung zwischen Mikroscanner und
Bildverarbeitung.
Die Erfindung dient der Verbesserung von Bilddaten, die mit Infrarot-
Detektormosaiken aufgenommen wurden. Verbessert wird mittels einer
optischen Vorkehrung, einem sogenannten Mikroscanner, der die auf die
Optik einfallende Bildinformation schrittweise in verschiedene
Zwischenpositionen (Fig. 1) um einen Bildpunkt herumführt, und so eine
dichtere Abtastung der Szene liefen als es der vorgegebenen Bildpunktezahl
des Detektors entspräche. Bei jeder Positionsänderung des Mikroscanners
blicken alle Bildpunkte der Detektormatrix auf jeweils eine andere Stelle der
beobachteten Szene. Die auf einen bestimmten Bildpunkt des Detektors
fallende Information der Szene stammt so nicht mehr spezifisch von einem
Punkt der Szene, sondern liefert randomisiert die IR-Strahlung
verschiedener Punkte der Szene auf einem Bildpunkt an. Wegen dieser
Randomisierung bietet der Mikroscanner im Zusammenspiel mit dem in der
nachveröffentlichten 197 15 983 C1 beschriebenen Korrekturverfahren die
Möglichkeit, die Inhomogenitäten des Detektors ohne Hilfe von
Referenzstrahlern und ohne Bewegung in der beobachteten Szene zu
ermitteln und zu korrigieren. Stationäre Objekte mit hoher Ortsfrequenz,
zum Beispiel Kanten, haben wegen der Bewegung der Abbildung auf dem
Detektor nun keinen Einfluß auf das Korrekturverfahren.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Abfolge der Zentrumslage
eines Punktes der Bildszene nach Ablenkung durch den Mikroscanner. In der
Fig. 1 wurden wegen der Übersichtlichkeit vier Bildpunkte A-D des
Detektors beispielhaft herausgegriffen und durch Schraffur die IR-aktive
Flächen der Detektorelemente gekennzeichnet.
Der Mikroscanner benötigt mehrere Auslesezyklen des gesamten Detektors,
um die - im in Fig. 1 gezeigten Beispiel 4 Teilbilder zu einem Vollbild
zusammenzusetzen. Das Vollbild beinhaltet dann Daten, die zu 4
verschiedenen Zeitpunkten belichtet und ausgelesen wurden. Benachbarte
Bildpunkte stammen bei ungeeigneter Wahl der Abfolge der Positionen
dann aus Epochen, die bis zu einer Vollbildzeit - üblicherweise ca. 40 ms -
auseinander liegen. Dies wäre im in Fig. 1 gezeigten Beispiel dann für die
Positionen 1 und 4 der Fall, wenn die vier Positionen einer gedachten
Kreislinie folgend nacheinander angelaufen werden. Die in Fig. 1 gezeigte
davon abweichende Folge der vier angelaufenen Positionen in der nicht
monoton dem als Kreislinie angezeigten Umlaufsinn folgenden Sequenz
1, 2, 4, 3 ermöglicht bei zeilenweisem Auslesen der Bilddaten nach dem im
Folgenden erläuterten Verfahren eine minimierte Zeitdifferenz zwischen
der Belichtung eines der vier Teilbilder und dem Auslesen von zwei
benachbarten Zeilen und reduziert den zeitlichen Abstand von je zwei
benachbarten Bildpunkten auf das Minimum. Bilddaten aus den Epochen 1
und 2 bzw. 3 und 4 liegen je ein Viertel der Vollbildzeit auseinander.
Bilddaten aus den Epochen 1 und 4 bzw. 2 und 3 liegen je eine halbe
Vollbildzeit auseinander. Der längste zeitliche Abstand zwischen nächsten
Nachbarn ist so um Faktor 2 kürzer als bei einer anders gewählten Folge.
Diese Eigenschaft ist wichtig für die maschinelle Weiterbearbeitung von
Bilddaten, z. B. in Trackern.
Infrarot-Detektoren mit mehr als einem Element, oder selbst Einelement-
Detektoren bei Vorhandensein zeitlicher Instabilitäten, weisen aufgrund
unvermeidbarer Toleranzen in der Fertigung oder auch zeitlicher
Schwankungen Inhomogenitäten im Bild auf. Die verschiedenen Fehler
zeigen sich als Helligkeitsschwankungen im Bild, die selbst beim Betrachten
völlig homogener Szenen ohne jegliche thermische Signatur nicht
verschwinden. Die Fehler führen folglich erst recht zu Bildfehlern in
dynamischen Szenen und können formalisiert werden als die inhomogene
Verteilung von Gleichspannungs-Untergrund (Offset) und
Verstärkungsverlauf (Gain) einzelner Bildpunkte (Pixel) gegenüber dem
mittleren Verhalten im Bild. Die Behebung dieser Bildfehler (Non Uniformity)
erfolgt mit Hilfe einer geeigneten Hard- und Software, die als NUC (Non
Uniformity Correction) bezeichnet wird.
Die Erfindung kombiniert die in der nachveröffentlichten DE 197 15 983 C1 beschriebene spezielle
NUC mit einem Mikroscanner und liefert folgende Vorteile:
- - die werkseitige Kalibrierung des Detektors genügt, um ohne Bedarf aufwendiger Vor-Ort-Maßnahmen oder schnell bewegter pseudo randomisierter Szenen die Inhomogenitäten des Detektors in Echtzeit zu korrigieren,
- - die Fähigkeit zur Kompensation zeitlicher Instabilitäten im Detektor durch einen selbständig lernenden Beobachter-Algorithmus der dynamisch neu entstandene Inhomogenitäten erkennt und beseitigt aber reale Szeneninformationen weitestgehend erhält,
- - die Erhöhung der geometrischen Auflösung des Detektors mittels Mikroscan bei gleichzeitiger Minimierung des zeitlichen Abstands.
Das Verfahren ermöglicht es, nach einer einmal vorgenommenen genauen
Vermessung des Detektors zur Identifikation aller Inhomogenitäten
einschließlich nichtlinearer Effekte ohne wiederholtes Nachkalibrieren auch
thermisch und zeitlich instabile Detektoren, wie z. B. HgCdTe im LWIR (8-10
µm Wellenlängenband) zu betreiben ohne eine Verschlechterung des Bildes
durch Inhomogenitäten hinnehmen zu müssen. Das Verfahren stellt sich
darüber hinaus, in dem Rahmen, in dem die genaue Vermessung des
Detektors vorgenommen wurde, selbständig auf dynamische Szenen ein.
Das Verfahren kann nach entsprechender Lernzeit durch den
Beobachteralgorithmus auch bei Instabilitäten der Betriebsbedingungen
oder signifikant schwankenden Szenentemperaturen gut korrigierte
Detektordaten liefern ohne eine Nachkalibrierung unter den veränderten
Bedingungen zu erfordern.
Ein geeignetes Rechenwerk ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Der
Mikroscanner wird über eine PLL vom externen weiterverarbeitenden
System synchronisiert. Diese von außen eingeführte PLL Schleife bietet die
Möglichkeit, verschiedene Bildquellen wie z. B. einen Tageslicht-Kanal und
das Infrarot-Bild zu synchronisieren. Der Mikroscanner erhält dazu ein
Signal FFS-S, welches das erste von z. B. vier Teilbildern des Detektors abruft,
die später zu einem Vollbild zusammengesetzt werden sollen. Der
Mikroscanner liefert seinerseits vier Bild-Synchronpulse FFS-M an den IR-
Detektor um von diesem je ein Bild für die angelaufenen Positionen
abzuholen. Der IR-Detektor liefert, synchron zu dessen internem
Zeitablauf, eigene Zeilen und Bildstart-Pulse LS-D und FS-D an die
Bildverarbeitung M-VIP. Der Detektor liefert weiterhin die digitalisierten
Daten, im Beispiel 14 Bit tief DD-0-DD13 und eine Information, daß gültige
Daten am Ausgang anliegen DV-D.
Der M-VIP beinhaltet mehrere Digital Signalprozessoren, kurz DSP, für
nachfolgend beschriebene Aufgaben. Ein DSP korrigiert die - hinter einem
First in First Out (FIFO) Speicher als asynchronem Puffer - angelieferten
Rohdaten mittels der bekannten Korrekturkoeffizienten. Ein zweiter DSP
verbessert kontinuierlich die Korrektur-Koeffizienten mit Hilfe des
bekannten Verfahrens. Ein dritter DSP sortiert die Daten frühestmöglich
zeilenweise nach der in Fig. 3 gezeigten Folge und liefert sie in ein
Ausgangs FIFO. Zwischen den verschiedenen DSPs existieren weitere First in
First Out (FIFO) Speicher um eine Asynchronität aller Operationen auf der
gleichen Datenbasis korrigierter Bilddaten und der Korrektur-Koeffizienten
zu ermöglichen.
Das externe System liefert einen Synchronpuls für die extern als eine Zeile
des Vollbilds erscheinde Bildzeile. Dieser Puls LS-S schaltet ein Doppel-FIFO
periodisch um, so daß für Ausgangsdaten stets ein FIFO für das externe
System zum Lesen und ein zweites für den M-VIP zum Beschreiben zur
Verfügung steht.
Der M-VIP liefert dem externen System einen Bildstart-Puls FS-V als
Information, daß ein die erste Zeile eines neuen Vollbildes abholbereit ist.
Die Details der zeitlichen Abfolge sind in Fig. 3 schematisch dargestellt.
Claims (5)
1. Verfahren zum Korrigieren der Grauwerte von Bildern einer digitalen
Infrarot-Kamera mit einem zweidimensionalen Detektor, wobei in einem
Speicher eines Bildverarbeitungssystems Korrekturkoeffizienten Kj für jeden
Bildpunkt j abgelegt sind und die Korrekturkoeffizienten Kj mit Hilfe eines
dynamischen Korrekturverfahrens ständig verbessert werden und das Bild
auf dem Detektor und der Detektor zyklisch relativ zueinander bewegt
werden
dadurch gekennzeichnet,
daß die relative Bewegung des Bildes um einen Bruchteil des Abstandes zwischen den Pixeln in Bewegungsrichtung erfolgt und
daß durch die zyklische Bewegung zunächst Positionen zwischen benachbarten Pixeln, dann Positionen zwischen entfernteren Pixeln eingenommen werden.
daß die relative Bewegung des Bildes um einen Bruchteil des Abstandes zwischen den Pixeln in Bewegungsrichtung erfolgt und
daß durch die zyklische Bewegung zunächst Positionen zwischen benachbarten Pixeln, dann Positionen zwischen entfernteren Pixeln eingenommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative
Bewegung des Bildes um den halben Abstandes zwischen den Pixeln in
Bewegungsrichtung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 4 Bilder
zu einem Gesamtbild mit doppelter Auflösung zusammengesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Korrekturkoeffizienten auf jedes Bild angewendet wird.
5. Digitale Infrarot-Kamera mit einem zweidimensionalen Detektor und
einem Bildverarbeitungssystem, wobei in einem Speicher des
Bildverarbeitungssystems Korrekturkoeffizienten Kj für jeden Bildpunkt j des
Detektors abgefegt sind und die Korrekturkoeffizienten Kj mit Hilfe eines
dynamischen Korrekturverfahrens ständig verbessert werden und wobei das
Bild auf dem Detektor und der Detektor zyklisch relativ zueinander bewegt
werden
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Mikroscanner im Strahlengang der Infrarot-Kamera angeordnet ist,
der das Bild auf dem Detektor und relativ zum Detektor derart bewegt, dass
zunächst Positionen zwischen benachbarten Pixeln, dann Positionen
zwischen entfernteren Pixeln eingenommen werden.
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