Система для считывания изображений

 

Изобретение относится к вычислительной и телевизионной технике. Его использование в считывателях оптической информации позволяет уменьшить размытость видеоинформации из-за связи между светочувствительными элементами в твердотельной матрице преобразователя изображения в электрический сигнал. Этот результат достигается введением в систему дополнительных элементов задержки и двух умножителей на специально подобранные коэффициенты. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к считыванию оптической информации, а более конкретно к схемам и способам уменьшения "размазывания" видеоинформации вследствие связи между светочувствительными элементами и элементами вокруг них.

Общая энергия, получаемая детекторами изображения на устройстве с зарядовой связью (ПЗС), может вызывать "утечку" или наложение в горизонтальном направлении только для единственной матрицы элементов ПЗС. Если элементы ПЗС расположены по рядам и колонкам, то утечка будет как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. У нас термин "утечка" означает причину ухудшения электрического сигнала, генериванного одним из элементов ПЗС, в ответ на энергию, подающую на ПЗС, вызванную энергией, передающейся на элементы ПЗС от соседних элементов ПЗС благодаря либо горизонтальному распространению ярких длинноволновых сигналов, либо смешиванию зарядов от соседних элементов во время передачи этих зарядов на регистр сдвига. "Утечка" будет максимальной от непосредственно прилегающих соседних элементов и уменьшается достаточно быстро по мере увеличения расстояния между элементом, считываемым в данный момент, и соседними элементами, вызывающими "утечку".

Применяемые в настоящее время схемы матрицы ПЗС для усиления оптического изображения позволяют улучшить характеристики матрицы, но ограничивают обработку сигнала отдельной колонкой элементов ПЗС (патент США N 4345148). Ранее предпринятые попытки уменьшения подавления, возникающего во время межстрочной передачи заряда, включали генерацию сигнала, представляющего собой подавленный заряд сигнала, присутствующий в одной линии поля, и последующее вычитание этого сигнала из линии считываемых сигналов, согласно патенту США N 4 010319.

В патенте США N 4736439 используются схемы предобработки для получения средних величин для матрицы одной или более линий, образованных из предопределенных близлежащих точек, и вычитания считанных средних величин отдельных точек. Патент США N 4558366 (Нагумо) включает в себя взятие производной от сигналов n горизонтальных линий по сигналам N горизонтальных линий матрицы, считывающей изображение, где сигналы n горизонтальных линий испытывают недостаток требуемого накопления составляющих сигнала вследствие приема света изображения и представляют только нежелательные составляющие сигнала, смешанные в результате вертикальной передачи заряда. Компенсирующая схема уменьшает нежелательный сигнал, вызванный посторонними нежелательными составляющими сигнала. Однако такие схемы эффективны только для компенсации низко- и высокочастотных посторонних составляющих сигнала.

В системах изображения на приборах с инжекцией заряда (ИЗП) часть инжектированного заряда движется по линиям горизонтальных точек, и это явление увеличивается по мере возрастания плоскости точек. Вогельсонг (патент США N 4768098) предлагает уменьшение перекрестного влияния в двумерной матрице точек путем накопления, выражающегося в том, что заряды первого видеосигнала последовательно считывают с каждой точки в ряду, накопленные заряды считывают от каждой точки во втором ряду, инжектируя накопленные заряды как первый видеосигнал во всех точках первого ряда, а затем последовательно пересчитывают накопленный заряд от каждой точки в первом ряду как второй видеосигнал. Второй видеосигнал вычитается из первого видеосигнала для обеспечения выходного видеосигнала, свободного от инжектированного перекрестного влияния. Вогельсонг критикует те "методики", которые уменьшают эффект перекрестного влияния путем математического выполнения инверсии перекрестного влияния, недостатком которых является необходимость знания "точной оценки перекрестного влияния в каждой точке".

Другие схемы. (Озава и др. Патент США N 4543610), напротив, считывают нечетные и четные горизонтальные ряды элементов изображения и путем последующего вычитания пытаются убрать вертикальное "размазывание", присущее твердотельным элементам изображения. Патент США N 4442454 (Пауэлл) объединяет блоковое перекрывающее преобразование и многоступенчатую процедуру перемещения окна по точкам вдоль линий и вдоль колонок по всему изображению, в результате чего получаются окончательные величины изображения для каждой точки путем усреднения величин, полученных от каждого из перекрывающихся окон. Патент США N 4805031 (Пауэлл) описывает способ группировки величин точечных изображений, соответствующих точкам, собранным по определенным направлениям, с последующей обработкой групп величин точечных изображений с использованием трансформированного алгоритма и пороговой обработки для отделения компонентов изображения от шума для каждой из групп величин точечных изображений и, наконец, с повторным накоплением и усреднением компонентов величин изображения от каждой группы. Последовательность шагов, однако, требует корректировки предыдущих корректировок и так до бесконечности, что усиливает наложение искажений, поскольку, когда информация подвергается первичной обработке, наложение начинает распространяться по дополнительным блокам информации, считываемым с других элементов изображения. Коррекция или компенсация наложения после первоначальной обработки трудна и при современном уровне техники может быть только приблизительной. Более того, распространение наложения во время обработки мешает надежной коррекции последовательного размытого наложения сигналов изображения.

Задачами настоящего изобретения являются: улучшения твердотельного считывания изображения, усиление четкости конечных сигналов изображения, надежное снижение эффекта "утечки" заряда из конечных сигналов изображения; компенсация эффекта рассеяния энергии от фотонов, падающих на соседние фоточувствительные элементы; подавление "размазывания" считанных сигналов изображения от матрицы твердотельных светочувствительных элементов; обеспечение коррекции "размазывания" сигналов заряда изображения, характерного для диагонально прилегающих элементов матрицы твердотельных светочувствительных элементов; создание способа и схемы, которые можно "подогнать" под характеристики отдельных частиц матриц твердотельных фоточувствительных элементов; обеспечение коррекции "размазывания" сигналов заряда изображения до начала обработки сигналов для получения конечных сигналов изображения.

Эти и другие задачи достигаются применением фильтра с импульсной характеристикой конечной длительности (КИХ-фильтра) в качестве препроцессора после считывания сигналов заряда изображения из матрицы светочувствительных элементов, приспособленного для фильтрации всей видеоинформации каждого фоточувствительного элемента, который соответствует фактору утечки соответственно ортогонально и диагонально расположенных соприкасающихся и несоприкасающихся соседних элементов в ближних рядах и колонках.

На фиг. 1 показана принципиальная схема для коррекции нерезкого сигнала изображения, считываемого с прилегающих фоточувствительных элементов в двумерной матрице, согласно изобретению; на фиг. 2 принципиальная схема для коррекции размазывания изображения.

Принципиальная схема на фиг. 1 иллюстрирует одно из решений схемы, последовательно получающей электрически заряженные сигналы "а" от последовательных рядов фоточувствительных элементов, составляющих матрицу 10 из рядов и колонок. Типичные устройства с такими матрицами 10 из фоточувствительных элементов включают видеокамеры, в которых матрица может состоять из 640 рядов по 480 колонок. Для упрощения показана матрица 10, состоящая из четырех рядов и четырех колонок отдельных элементов ПЗС. Элемент ПЗС является фоточувствительным элементом. Общая энергия, получаемая каждым из элементов ПЗС, подвергается утечке или наложению в горизонтальном направлении только для одного ряда элементов ПЗС. Наложение данных или видеоинформации, накопленной в каждом элементе матрицы 10, проявляется в виде подавления данных или отображения видеоинформации. идущей от видеокамеры, использующей ПЗС в качестве светочувствительных элементов информации.

Когда элементы ПЗС составлены в двумерную матрицу из рядов и колонок, утечка происходит и в вертикальном и в диагональном, и в горизонтальных направлениях. Максимальную величину утечки вносят соприкасающиеся соседние элементы, утечка уменьшается достаточно быстро по мере возрастания расстояния между соседними элементами.

Оптическая информация (свет), получаемая отдельными (дискретными) элементами ПЗС в линейной матрице, подавляется утечкой (от 15 до 25%) от соответствующих соприкасающихся соседних элементов матрицы ПЗС. Эффект утечки может относиться ко всем прилегающим элементам в матрице с эффектом ослабления по мере удаления элементов. Хотя положения изобретения рассматривают коррекцию вклада удаленных и соприкасающихся элементов ПЗС, для упрощения мы рассматриваем только эффекты наиболее близких горизонтально, диагонально и вертикально соседствующих элементов.

Общая видеоинформация, а именно наложенные данные ПЗС 20, считанные с матрицы 10, содержат первичные сигналы видеоинформации 12, наложенные на каждый отдельный элемент фоточувствительной матрицы 10, а также пропорциональные утечке вторичные сигналы видеоинформации 14 от соприкасающихся и несоприкасающихся соседних элементов. Например, элемент 6 в кружке в ряду i и колонке j может иметь заряд изображения величиной a при условии, что часть объекта, изображенного матрицей 10 четыре на четыре элемента, обеспечивает постоянную единую поверхностную текстуру шестнадцати элементам матрицы, другие соседние элементы в рядах i-1 через i+2 и колонках j-1 через j+2 тоже будут иметь заряды изображения, равные a, как показано на матрице 12 сигналов информации на фиг. 1.

Однако, кроме заряда изображения, считанного с элемента 6, вклад элемента 6 в общую видеоинформацию включает наложение, характеризуемое существенной ошибкой изображения, нормализованное к единице, показанной на матрице 14 составляющих сигнала наложения, и наложения от каждого из других элементов в матрице. Как показано на матрице фиг. 1 для сокращенной 4Х4 твердотельной матрицы 10, величины составляющих наложенного сигнала относительно элемента 6 от его горизонтально, вертикально и диагонально расположенных соседних элементов различаются прежде всего благодаря расстоянию, а также из-за других факторов, включающих характеристики, присущие каждому соседнему элементу в отдельности. Соседние для элемента 6 элементы могут быть изображены состоящими из первого кольца, включающего вклад в сигнал наложения от четырех горизонтально и вертикально прилегающих элементов в рядах j-1, j, j+1 и колонках i-1, i, i+1, т. е. элементов a_i-1,j, a_i,j-1, a_i,j+1, a_i+1,j, второго кольца, включающего вклад в сигнал наложения от четырех диагонально прилегающих элементов, таких как a_i-1,j-1, a_i-1,j+1, a_i+1,j-1, a_i+1,j+1, третьего кольца, включающего вклад в сигнал наложения от двух не соприкасающихся вертикально и горизонтально соседних элементов, таких как a_i,j+2, a_i+2,j, четвертого кольца, включающего вклад в сигнал наложения от четырех диагонально не соприкасающихся соседних элементов, таких как a_i-1,j+2, a_i+1,j+2, a_i+2,j-1, a_i+2,j+1, и пятого кольца, включающего вклад в сигнал наложения от одного не диагонально расположенного соседнего элемента, такого как a_i+2,j+2.

Эти вклады от соседних элементов в данные наложения 20, относящиеся к считанному горизонтальным сканером 24 сигналу от элемента 6, могут быть уменьшены до минимума относительно общей видеоин- формации путем фильтрации, приспособ- ленной для уменьшения значительной части составляющих сигнала утечки 14. Одним из способов фильтрации этой утечки информации является использование фильтра с импульсной характеристикой конечной длительности (КИХ-фильтр), настроенного на фактор утечки. КИХ-фильтр применяется как фильтр, вычитающий из общей видеоинформации каждого элемента количество, соответствующее фактору утечки от соответствующих соседних элементов. Такая фильтрация значительно снижает эффект распыливания касательно выходного видеосигнала, который схема 30 подает на схему обработки 31. Схема обработки 31 осуществляет временное мультиплексирование сигналов с выходов формирования сигналов изображения с подходящими бланкирующими и синхронизирующими сканирование сигналами, включая импульсы синхронизации горизонтальной и вертикальной развертки. Иллюстрацию принципа можно наблюдать на фиг. 1 и 2. Если элемент 6, например, является рассматриваемым элементом, то КИХ-фильтр настраивается для последовательного (в любом порядке) определения видеоданных элемента 6 и вычитание или фильтрацию их от видеоданных элементов одной или более расширяющихся окружности из фоточувствительных элементов, соседних элементу 6, настроенному на фактор утечки.

где X<1.

с помощью элементов 34, 36, последовательно подключенных к входному углу 32. Время задержки τ представляет собой задержку, возникающую в результате считывания заряда на одном из фоточувствительных элементов, поскольку заряды генерируются элементами ПЗС. Время H представляет собой задержку между считыванием зарядов от фоточувствительных элементов в той же колонке, но в последовательных рядах.

Сигнал, переданный элементом 36 задержки, подвергается задержке на время, равное H-2 τ, с помощью элемента 38 задержки, в то время как сигнал, переданный элементом 38 задержки, подвергается последовательным задержкам с интервалами времени с помощью элементов 40, 42 задержки. Сигнал, переданный элементом 42 задержки, затем подвергается задержке с интервалом H-2 τ с помощью элемента 44 задержки, между тем как сигнал, переданный элементом 44 задержки, последовательно подвергается задержкам с интервалами τ с помощью элементов 46, 48.

Сигналы, переданные элементами 42, 46 задержки, суммируются сумматором 50 для обеспечения первого промежуточного сигнала, который добавляется с помощью сумматора 52 к сигналам, переданным элементами 34, 38 задержки, и сумма, полученная сумматором 52, ослабляется коэффициентом x, реализуемым первым умножителем 54 на коэффициент для обеспечения первого сигнала коррекции. Можно отметить, что четыре сигнала, сложенные сумматорами 50, 52 и подвергнутые ослаблению первым умножителем 54, соответствуют сигналам, последовательно считываемым с двух горизонтально соприкасающихся фоточувствительных элементов и с двух вертикально соприкасающихся фоточувствительных элементов, окружающих элемент 6, причем коэффициент коррекции x может быть измерен либо определен эмпирически для четырех фоточувствительных элементов в пределах первого кольца.

Сигналы, переданные элементами 44, 48 задержки, суммируются сумматором 56 для обеспечения второго промежуточного сигнала, в то время как второй промежуточный сигнал, переданный элементом 36 задержки, и сигнал от сканнера 24 на входной узел 32 суммируются третьим сумматором 58. Сумма, полученная с помощью сумматора 58, ослабляется с коэффициентом X на втором умножителе 60 на коэффициент для обеспечения второго сигнала коррекции.

Можно отметить, что четыре сигнала, суммированные сумматорами 56, 58 и подвергнутые ослаблению на умножителе 60, соответствуют четырем результирующим сигналам, считываемым с зарядом четырех фоточувствительных элементов, диагонально прилегающих к элементу 6. Коэффициент умножения, с помощью которого сумма этих четырех сигналов уменьшается, зависит от расстояний, разделяющих эти диагонально соприкасающиеся элементы от фоточувствительного элемента 6. Поскольку величина x обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,4, вклады в наложение этих четырех элементов в пределах второго кольца несколько меньше, чем от горизонтально и вертикально соприкасающихся элементов первого кольца.

Первый и второй сигналы коррекции суммируются пятым сумматором 62 для получения накопленного сигнала коррекции. Шестой сумматор 64 вычитает накопленный сигнал коррекции из сигнала, переданного четвертым элементом 50 задержки, для получения оконечного сигнала изображения для элемента 6, скорректированного для характерного наложения на соседние элементы в пределах первого и второго колец. Можно отметить, что сигнал, переданный элементом 40 задержки, соответствует нескорректированному сигналу изображения, считываемого с заряда светочувствительного элемента 6.

Фильтрация наложенных (ПЗС) видеоданных предпочтительна и более просто производится перед дальнейшей обработкой данных ПЗС, например перед вычислением яркостной и цветовой информации (Y, I и Q или R-Y, B-Y). Более того, обработка данных может включать гамма-коррекцию.

КИХ-фильтр восстанавливает желаемую или ожидаемую резкость в оконечном изображении путем уменьшения или ликвидации эффекта расплавления из-за "утечки".

Хотя основная идея этого изобретения описана для применения в ТВ-видеокамерах, оно может быть применено во всех типах матриц чувствительных элементов, не ограничиваясь элементами ПЗС, где утечка происходит между прилегающими, а более точно, соприкасающимися чувствительными элементами.

Сумматоры 56 и 58, а также сумматоры 50 и 52 объединены соответственно в первый и второй сумматоры, а сумматоры 62 и 64 объединены в вычитатель. Элементы 32-48 задержки объединены в блок задержки.

Формула изобретения

1. СИСТЕМА ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ, содержащая матричный преобразователь изображения в электрические сигналы с последовательным построчным сканированием, выход которого соединен с входом фильтра, включающего первый-третий сумматоры и блок задержки, вход которого объединен с первым входом первого сумматора и является входом фильтра, выход задержки на 2τ(τ время задержки на один элемент изображения) блока задержки соединен с вторым входом первого сумматора, выход задержки на H (H время задержки на одну строку изображения) и выход задержки на H+2τ блока задержки подключены к первому и второму входам второго сумматора, отличающаяся тем, что в фильтр введены первый и второй умножители на коэффициент и вычитатель, а матричный преобразователь изображения в электрические сигналы выполнен твердотельным, выходы задержки на 2H и на 2H+2τ блока задержки соединены с третьим и четвертым входами первого сумматора, выход которого через первый умножитель на коэффициент подключен к первому суммирующему входу вычитателя, выходы задержки на t и на 2H+τ блока задержки соединены с третьим и четвертым входами второго сумматора, выход которого через второй умножитель на коэффициент подключен к второму суммирующему входу вычитателя, выход задержки на H+τ блока задержки соединен с вычитающим входом вычитателя, выход которого является выходом системы, величина коэффициента первого умножителя на коэффициент равна где x величина коэффициента второго умножителя на коэффициент, 0,1 < x < 0,4.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок задержки выполнен в виде последовательного соединения первого-восьмого элементов задержки, величина задержки третьего и шестого элементов задержки равна H-2τ , а остальных элементов задержки τ, вход первого элемента задержки является входом блока, выходы первого-восьмого элементов задержки являются выходами задержки соответственно на τ, 2τ, H, H+τ, H+2τ, 2H, 2H+τ и 2H+2τ блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2