Фиксированный шумящий рисунок в цифровых сенсорах изображения.

Введение

Шум на цифровых датчиках изображения, фиксированный шум в видеопроекторах. Шум фиксированного рисунка (FPN) – это термин, обозначающий специфический тип шума на цифровых датчиках изображения, который часто становится заметным при длительных выдержках, когда отдельные пиксели склонны выдавать более высокую яркость, чем средняя.

Обзор

FPN – общий термин, определяющий временную постоянную латеральную неоднородность (формирующую постоянный рисунок) в системе формирования изображения с множеством детекторов или элементов изображения (пикселей). Она характеризуется одинаковым типом изменения яркости пикселей, наблюдаемым на изображениях, полученных в одних и тех же условиях освещения в массиве изображений. Эта проблема возникает из-за небольших различий в индивидуальной чувствительности сенсорного массива (включая любые локальные каскады усиления), которые могут быть вызваны различиями в размере пикселей, материале или влиянием на локальную схему. На неё могут влиять изменения в окружающей среде, такие как различные температуры, время экспозиции и т.д. Термин "шум с фиксированным рисунком" обычно относится к двум параметрам: неравномерность тёмного сигнала (DSNU), которая представляет собой отклонение от среднего значения по массиву изображений при определённых настройках (температура, время интеграции), но без внешнего освещения, и неравномерность фотоотклика (PRNU), которая описывает усиление или соотношение между оптической мощностью на пикселе и выходным электрическим сигналом. Последний часто упрощается до одного значения, измеренного, например, при уровне насыщения 50%, что подразумевает линейное приближение неидеальной нелинейности фотоотклика (PRNL). Часто PRNU, как определено выше, подразделяется на чистый "офсетный" FPN, который не зависит от температуры и времени интеграции, и DSNU, зависящую от времени интеграции и температуры. Иногда указывается пиксельный шум как среднее отклонение от среднего значения массива при различных условиях освещения и температуры. Таким образом, пиксельный шум даёт число (обычно выраженное в среднеквадратичном отклонении – RMS), которое идентифицирует FPN во всех допустимых условиях формирования изображения, которое может значительно ухудшиться при включении дополнительного электрического усиления (и шума). Недавние применения PRNU включают меры по борьбе с пиратством кинофильмов. На практике длительная экспозиция (время интеграции) подчёркивает присущие различия в отклике пикселей, из-за чего они могут стать видимым дефектом, ухудшающим качество изображения. Хотя FPN существенно не меняется в серии снимков, она может варьироваться в зависимости от времени интеграции, температуры сенсора, усиления сенсора и падающего освещения. Она не проявляется в случайном (некоррелированном или изменяющемся) пространственном распределении, возникая только в определённых, фиксированных местах пикселей.

FPN is a general term that identifies a temporally constant lateral non uniformity (forming a constant pattern) in an imaging system with multiple detector or picture elements (pixels). It is characterised by the same pattern of variation in pixel brightness occurring in images taken under the same illumination conditions in an imaging array. This problem arises from small differences in the individual responsitivity of the sensor array (including any local postamplification stages) that might be caused by variations in the pixel size, material or interference with the local circuitry. It might be affected by changes in the environment like different temperatures, exposure times, etc. The term "fixed pattern noise" usually refers to two parameters. One is the dark signal non uniformity (DSNU), which is the offset from the average across the imaging array at a particular setting (temperature, integration time) but no external illumination and the photo response non uniformity (PRNU), which describes the gain or ratio between optical power on a pixel versus the electrical signal output. The latter is often simplified as a single value measured at e. g. 50% saturation level, implying a linear approximation of the not perfectly linear photo response non linearity (PRNL). Often PRNU as defined above is subdivided in pure "(offset) FPN" which is the part not dependent on temperature and integration time, and the integration time and temperature dependent "DSNU". Sometimes pixel noise as the average deviation from the array average under different illumination and temperature conditions is specified. Pixel noise therefore gives a number (commonly expressed in rms) that identifies FPN in all permitted imaging conditions, which might strongly deteriorate if additional electrical gain (and noise) is included. Recent uses for PRNU include measures to fighting motion picture piracy. In practice, a long exposure (integration time) emphasizes the inherent differences in pixel response so they may become a visible defect, degrading the image. Although FPN does not change appreciably across a series of captures, it may vary with integration time, imager temperature, imager gain and incident illumination, it is not expressed in a random (uncorrelated or changing) spatial distribution, occurring only at certain, fixed pixel locations.

Устранение FPN

FPN обычно подавляется коррекцией плоского поля (FFC), которая использует DSNU и PRNU для линейной интерполяции и уменьшения локального фотоответа (неоднородного PRNL) до среднего значения по массиву. Следовательно, для получения этих значений необходимы две экспозиции с равномерным освещением всего массива (одна без света и одна близкая к насыщению). Важно отметить, что эта коррекция обычно очень чувствительна к изменениям параметров системы (например, времени экспозиции, температуры). Основная сложность заключается в создании равномерного освещения для коротких выдержек и длин волн, чтобы избежать зернистости (в условиях монохроматического света) и статистических флуктуаций светового потока, которые наиболее заметны при коротких временах интегрирования. Существует множество патентов и методов для снижения или устранения шума фиксированного рисунка в цифровых сенсорах. Для подавления "оффсетного FPN", как определено выше, существуют аппаратные методы, такие как коррелированное двойное семплирование.