System pomiarowy do obserwacji efektów prądu ciemnego.pdf

PAK 6/2006  19

Sławomir MICHALAK

POLITECHNIKA POZNAŃSKA, INSTYTUT ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI,

ZAKŁAD ELEKTRONICZNYCH SYSTEMÓW POMIAROWYCH

System pomiarowy do obserwacji efektów prądu ciemnego

przetworników obrazu

Dr inż. Sławomir MICHALAK

ciemny wraz ze zjawiskami wywołanymi składową szumową, są

głównymi czynnikami ograniczającym proces przetwarzania

obrazu od dołu (tj. przy słabych warunkach oświetlenia).

2. Źródła zakłóceń w torze pomiarowym

z czujnikiem obrazu

Jest adiunktem w Zakładzie Elektronicznych Syste-

mów Pomiarowych w Instytucie Elektroniki

i Telekomunikacji Politechniki Poznańskiej. W pracy

naukowo-dydaktycznej zajmuje się zagadnieniami

komputerowego wspomagania projektowania układów

elektronicznych, pozyskiwania informacji z inteli-

gentnych czujników pomiarowych oraz programo-

wania komputerowych systemów pomiarowych

w językach wyższego rzędu.

Pozyskiwanie i przetwarzanie danych z czujnika wizyjnego

(kamery) związane jest z występowaniem następujących

(podstawowych) zakłóceń oraz błędów:

- zniekształcenia powstające przed kamerą (zakłócenia powstają-

ce przed obiektywem),

- zniekształcenia toru optycznego (wady obiektywu, zniekształ-

cenia perspektywy),

- błędy przetwornika obrazu,

- zakłócenia toru analogowego,

- błędy karty akwizycji (przetwarzanie a/c),

- niewłaściwa obróbka danych,

- niewłaściwa interpretacja obrazu (danych).

Część zakłóceń i źródeł błędów trudno jest użytkownikowi wy-

eliminować całkowicie, przykładowo zależą od konfiguracji toru

pomiarowego (aktualnie posiadanego wyposażenia). W przypadku

kamery z wyjściem analogowym w torze pomiarowym pojawiają

się: podatny na zakłócenia napięciowy sygnał analogowy oraz

dodatkowe konwersje c/a i a/c. Stosując kamerę z wyjściem cy-

frowym sygnał analogowy nie występuje. Jakość toru pomiarowe-

go zależy oczywiście od parametrów technicznych poszczegól-

nych członów (parametrów kamery, karty akwizycji).

Błędy związane z obróbką danych czy interpretacją wyników

zależą w dużej mierze od stworzonego programu i zastosowanych

metod analizy obrazu.

W torze pomiarowym im wcześniej powstaje błąd, tym (zazwy-

czaj) trudniej go wyeliminować oraz tym większy jego wpływ na

wynik końcowy, zatem należy dążyć do takiej konfiguracji sprzętu

i oprogramowania, aby minimalizować powstające błędy pomia-

rowe.

3. System pomiarowy

e-mail: michalak@et.put.poznan.pl

Streszczenie

W pracy przedstawiono system pomiarowy do obserwacji i rejestracji

efektów prądu ciemnego przetworników obrazu. Na podstawie zarejestro-

wanych obrazów można dokonać wstępnej oceny jakości badanego prze-

twornika (matrycy). W systemie wykorzystano kartę akwizycji obrazu

oraz oprogramowanie IMAQ (Image Acquisition), które jest elementem

graficznego środowiska programowania systemów pomiarowych LabView

(National Instruments). Przedstawiono przykładowy program do obserwa-

cji efektów szumów i prądu ciemnego przetworników obrazu. Pokazano

przykłady zarejestrowanych obrazów ilustrujące omawiane zagadnienie.

A measurement system for observation

of dark current effect of image sensors

Abstract

In this article a measurement system for observation of quality of image

sensors (CCD cameras) was presented. An image acquisition card NI PCI

1411 and LabView environment IMAQ (National Instruments) were used.

An example program for observation noise effect and dark current of

image CCD sensors was shown. Some registered images of noise effect for

examined YK-3027D CCD camera were presented.

1. Zjawiska towarzyszące przetwarzaniu

obrazu nie oświetlonego przetwornika

W systemach pomiarowych jako źródło danych pomiarowych

coraz częściej wykorzystywane są miniaturowe przetworniki

obrazu (wizyjne) oparte na matrycach CCD lub CMOS. Przetwor-

niki te charakteryzują się coraz lepszymi parametrami technicz-

nymi (czułość, rozdzielczość) oraz niewielkimi wymiarami.

Sygnał wyjściowy uzyskiwany ze scalonego przetwornika obra-

zu jest sumą przebiegów o różnym charakterze i mechanizmie

powstawania. Dla nie oświetlonego przetwornika głównymi źró-

dłami tych przebiegów są procesy wytwarzania ładunków, transfe-

ru i odczytu. Podstawowe składowe to: szumy, prąd ciemny,

zakłócenia. Szumy i prąd ciemny mają charakter fluktuacyjny,

zakłócenia zazwyczaj charakter regularny.

Na szumy składają się przede wszystkim szum termiczny

( thermal noise ) oraz charakterystyczny dla scalonych przetworni-

ków szum o stałym obrazie ( fixed-patern noise ), a także szum

transferu ( transfer noise ) i zakłócenia procesu przetwarzania

ładunku. Szum termiczny ma charakter szumu białego, jego

wpływ może być skompensowany poprzez odjęcie uśrednionej

wartości linii (pikseli) odniesienia. Szum o stałym obrazie jest

efektem nadmiernej, samoczynnej generacji nośników i objawia

się w postaci krótkich pików o zmiennym poziomie. Obie składo-

we szumowe silnie zależą od temperatury, podwajając swoją

wartość przy wzroście temperatury o ok. 10ºC [1, 2].

Generacja dodatkowych nośników nie mających charakteru

szumowego wywołuje efekt prądu ciemnego ( dark current ). Prąd

Przykład prostego systemu pomiarowego z przetwornikiem ob-

razu przedstawiono na rysunku 1. Stosując kamerę z wyjściem

analogowym konieczne było zastosowanie karty przetwarzającej

sygnał analogowy na postać cyfrową (karta akwizycji obrazu).

Obróbka pozyskanych danych następuje w komputerze, choć

w zależności od zastosowanej karty akwizycji część obliczeń

może być już wykonana przez układy znajdujące się na karcie [3].

Rys. 1. System pomiarowy z przetwornikiem wizyjnym i kartą akwizycji obrazów

Fig. 1. Measurement system with image sensor and image acquisition card

W analizowanym torze pomiarowym, istotnym źródłem zakłó-

ceń i błędów jest przetwornik obrazu. Jego jakość, parametry

techniczne takie jak czułość, rozdzielczość, poziom szumów

decydują o jakości pozyskanych danych. Jednym z negatywnych

zjawisk wpływających na jakość pozyskanego obrazu, jest samo-

istna generacja nośników w strukturze scalonej przetwornika

(źródło szumu i prądu ciemnego), szczególnie istotna przy słabym

oświetleniu obiektu.

20  PAK 6/2006

4. Obserwacja wpływu szumów i prądu

ciemnego

matrycy. Użytkownik ma możliwość zadeklarowania liczby reje-

strowanych obrazów.

Program do obserwacji wpływu szumów i prądu ciemnego wy-

konano w środowisku LabView (wersja 7.1) z pakietem IMAQ

(wersja 3.0) [4, 5]. Zastosowano podstawowe funkcje do rejestra-

cji pojedynczego obrazu. W programie wykonywana jest pętla

wielokrotnego pozyskania i sumowania obrazu.

Diagram programu przedstawiono na rysunku 2.

5. Wyniki obserwacji

Obserwację i rejestrację obrazu ciemnego przy pomocy opisa-

nego programu, wykonano dla miniaturowej kamery CCD YK-

3027D. Korzystano z wyjścia analogowego CVB. Do akwizycji

sygnału analogowego zastosowano kartę National Instruments PCI

1411.

Rejestrację obrazów wykonano tuż po włączeniu zasilania ka-

mery, oraz w trakcie dłuższej pracy kamery tak, aby zarejestrować

obrazy dla różnych warunków pracy (nagrzania się) przetwornika

obrazu.

Sumowanie kolejnych ciemnych obrazów ukazuje niejednorod-

ność struktury (szumy) matrycy przetwornika. Obraz matrycy

uzyskany dla sumowania 20 ciemnych obrazów uzyskany dla

kamery YK-3027D przedstawiono na rys. 4.

Rys. 2. Diagram programu w środowisku LabView

Fig. 2. Block Diagram in LabView environment

W programie zastosowano wielokrotną (definiowaną przez

użytkownika) rejestrację obrazu ciemnego (zasłonięty obiektyw

przetwornika) i dodanie kolejnego obrazu do poprzednio zareje-

strowanych. Wielokrotna rejestracja tego samego obrazu odpo-

wiada naświetleniu obrazu z bardzo długim czasem otwarcia

migawki (porównując do tradycyjnej, analogowej fotografii).

Rejestracja obrazu ciemnego (przy zasłoniętym całkowicie obiek-

tywie) pozwala uwypuklić obszary (piksele) matrycy przetwornika

o różnym poziomie sygnału (luminancji). Rejestrowany poziom

sygnału jest efektem występowania szumów i prądu ciemnego,

może być również wynikiem uszkodzenia danego obszaru matry-

cy. Panel użytkownika przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 4. Niejednorodność struktury matrycy przetwornika

Fig. 4. Non homogeneity matrix texture

Na rys 5 przedstawiono trójwymiarowy wykres obszaru matry-

cy zarejestrowany dla 20 obrazów w chwilę po włączeniu zasila-

nia kamery tak, (praca nie nagrzanej matrycy).

Rys. 5. Wykres dla kamery YK-3027D (po włączeniu zasilania)

Fig. 5. Graph for YK-3027D camera (just on supply on)

Rys. 3. Panel użytkownika programu

Fig. 3. User Front Panel in LabView

Rysunek 6 przedstawia wykres uzyskany po kilku minutach

pracy kamery (w trakcie nagrzewania się matrycy). Zarejestrowa-

no ogólne zwiększenie poziomu luminancji, w przypadku kilku

obszarów (pikseli) poziom ten jest bardzo duży.

W oknie A dostępny jest podgląd aktualnie rejestrowanego obra-

zu, w oknie B – podgląd kolejno sumowanych obrazów, w oknie

C prezentowany jest trójwymiarowy wykres luminancji obszaru

PAK 6/2006  21

6. Podsumowanie

Rys. 6. Wykres dla kamery YK-3027D (po nagrzaniu)

Fig. 6. Graph for YK-3027D camera (during heating)

Pakiet IMAQ zawiera kilkadziesiąt funkcji, które rozszerzają

zastosowanie środowiska LabView o obszar pozyskiwania danych

z przetworników obrazu, przetwarzania i analizy obrazów. Przed-

stawiony przykładowy program korzysta z podstawowych funkcji,

a uzyskane wyniki mogą służyć do wstępnej oceny jakości prze-

twornika.

W zastosowanym torze pomiarowym korzystano z sygnału ana-

logowego z wyjścia przetwornika obrazu, oraz zastosowano kartę

akwizycji obrazu. Ze względu na proces przetwarzania c/a i c/a

zarejestrowane wyniki w postaci trójwymiarowych wykresów

luminancji poszczególnych obszarów matrycy przetwornika nie są

bezpośrednim odzwierciedleniem poszczególnych pikseli matry-

cy. Rozdzielczość uzyskiwanych obrazów determinowana jest

przez rozdzielczość karty akwizycji (640x480) i jest niezależna od

rozdzielczości przetwornika obrazu. Należy również zaznaczyć, że

na zarejestrowaną wartość luminancji poszczególnych obszarów

matrycy przetwornika, mogą mieć wpływ nie tylko wartości szu-

mów, prądu ciemnego i zakłóceń powstających w przetworniku,

ale także zakłócenia powstające w kolejnych członach toru pomia-

rowe. Szczególną rolę odgrywa karta akwizycji obrazu oraz za-

kłócenia, które mogą się indukować się w części analogowej.

Pomimo tych ograniczeń program jest przydatny do zobrazo-

wania szumów i prądu ciemnego matrycy, lokalizacji uszkodzo-

nych obszarów i wstępnej oceny jakości badanego przetwornika

obrazu. Uzupełniając diagram programu o funkcje dokonujące

analizy ilościowej wartości poziomu luminancji dla nie oświetlo-

nego przetwornika, program można zastosować do wstępnej anali-

zy porównawczej kilku przetworników w celu wyboru matrycy

o najmniejszych szumach.

Rysunek 7 przedstawia wyniki rejestracji po całkowitym na-

grzaniu się kamery. Zaobserwowano dalsze zwiększenie ogólnego

poziomu luminancji oraz wzrost liczby pojedynczych obszarów

o poziomie znacznie przekraczającym średnią wartość.

7. Literatura

Rys. 7. Wykres dla kamery YK-3027D (po całkowitym nagrzaniu)

Fig. 7. Graph for YK-3027D camera (after completely heating)

[1] M. Rusin, Wizyjne przetworniki optoelektroniczne, WKŁ, Warszawa,

1990.

[2] M. Rusin, Systemy teletransmisji, WKŁ, Warszawa, 1990.

[3] IMAQ PCI/PXI-1411 User Manual, National Instruments, Austin,

Texas, USA, 2000.

[4] NI-IMAQ User Manual, National Instruments, Austin, Texas, USA,

2004.

[5] IMAQ Vision for LabView, National Instruments, Austin, Texas,

USA, 2004.

_____________________________________________________

Artykuł recenzowany

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: