Γιατί ορισμένοι αισθητήρες αναπτύσσουν θόρυβο σταθερού σχεδίου

Κατανόηση του θορύβου σταθερού σχεδίου

Ο θόρυβος σταθερού σχεδίου αναφέρεται σε έναν συγκεκριμένο τύπο θορύβου που παραμένει σταθερός από εικόνα σε εικόνα. Δεν είναι τυχαίος όπως άλλοι τύποι θορύβου, όπως θόρυβος βολής ή θερμικός θόρυβος. Αντίθετα, πρόκειται για ένα συστηματικό σφάλμα που σχετίζεται με διακυμάνσεις στα χαρακτηριστικά κατασκευής και λειτουργίας μεμονωμένων pixel μέσα στη διάταξη αισθητήρων.

Η ορατότητα του σταθερού θορύβου σχεδίου είναι συχνά πιο έντονη σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Αυτό συμβαίνει επειδή η αναλογία σήματος προς θόρυβο είναι χαμηλότερη. Οι λεπτές παραλλαγές γίνονται πιο εμφανείς όταν το σήμα είναι αδύναμο.

Αιτίες του θορύβου σταθερού σχεδίου

Διάφοροι παράγοντες συμβάλλουν στην ανάπτυξη σταθερού θορύβου μοτίβου στους αισθητήρες εικόνας. Αυτοί οι παράγοντες σχετίζονται με κατασκευαστικές ατέλειες, διακυμάνσεις θερμοκρασίας και εγγενείς περιορισμούς στην τεχνολογία αισθητήρων.

🔍 Μη ομοιομορφία pixel

Οι διακυμάνσεις στα φυσικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μεμονωμένων pixel είναι μια κύρια αιτία. Οι διαδικασίες παραγωγής δεν είναι τέλειες και αναπόφευκτα προκύπτουν μικρές διαφορές στο μέγεθος των pixel, στα επίπεδα ντόπινγκ και στα χαρακτηριστικά του τρανζίστορ.

Αυτές οι διαφορές οδηγούν σε διακυμάνσεις στον τρόπο με τον οποίο κάθε pixel ανταποκρίνεται στο φως, με αποτέλεσμα την ανομοιομορφία στα σήματα εξόδου τους. Ακόμη και υπό ίδιες συνθήκες φωτισμού, ορισμένα pixel θα παράγουν ελαφρώς υψηλότερες ή χαμηλότερες τιμές από άλλα.

🔍 Παραλλαγές σκοτεινού ρεύματος

Το σκοτεινό ρεύμα είναι το μικρό ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει ένα εικονοστοιχείο ακόμα και όταν δεν υπάρχει φως. Αυτό το ρεύμα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία και διαφέρει από pixel σε pixel.

Οι διακυμάνσεις του σκοτεινού ρεύματος συμβάλλουν σημαντικά στον σταθερό θόρυβο του σχεδίου. Ορισμένα pixel μπορεί να εμφανίζουν υψηλότερο σκοτεινό ρεύμα από άλλα. Αυτό οδηγεί σε μια σταθερή μετατόπιση στις τιμές εξόδου τους, ανεξάρτητα από το πραγματικό επίπεδο φωτός.

🔍 Παραλλαγές Offset

Οι παραλλαγές μετατόπισης αναφέρονται στις διαφορές στη βασική τάση εξόδου ή ρεύμα κάθε pixel όταν δεν εκτίθεται στο φως. Αυτές οι διακυμάνσεις μπορεί να προκύψουν από διαφορές στις τάσεις κατωφλίου του τρανζίστορ ή σε άλλες παραμέτρους κυκλώματος μέσα σε κάθε pixel.

Αυτές οι παραλλαγές μετατόπισης συμβάλλουν άμεσα στον σταθερό θόρυβο του σχεδίου. Δημιουργούν ένα στατικό μοτίβο φωτεινότερων ή πιο σκούρων pixel στην εικόνα.

🔍 Αποκτήστε παραλλαγές

Οι παραλλαγές απολαβής αναφέρονται στις διαφορές στον συντελεστή ενίσχυσης κάθε pixel. Αυτές οι παραλλαγές μπορεί να προκύψουν από διαφορές στα χαρακτηριστικά του τρανζίστορ ή σε άλλες παραμέτρους κυκλώματος μέσα σε κάθε pixel.

Αυτές οι διακυμάνσεις απολαβής συμβάλλουν άμεσα στον σταθερό θόρυβο του σχεδίου ενισχύοντας τα αποτελέσματα άλλων ανομοιομορφιών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν πιο έντονο σταθερό θόρυβο σχεδίου.

🔍 Ευαισθησία σε θερμοκρασία

Η απόδοση των αισθητήρων εικόνας είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στις αλλαγές θερμοκρασίας. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το σκοτεινό ρεύμα αυξάνεται επίσης και οι διακυμάνσεις στο σκοτεινό ρεύμα γίνονται πιο έντονες.

Αυτή η ευαισθησία θερμοκρασίας επιδεινώνει το σταθερό θόρυβο του σχεδίου, ειδικά σε μη ψυχόμενους αισθητήρες που λειτουργούν σε ζεστά περιβάλλοντα. Οι διαβαθμίσεις θερμοκρασίας στον αισθητήρα μπορούν επίσης να συμβάλουν σε μη ομοιόμορφα μοτίβα θορύβου.

Τύποι θορύβου σταθερού σχεδίου

Ο σταθερός θόρυβος μπορεί να ταξινομηθεί γενικά σε δύο βασικούς τύπους με βάση τα χαρακτηριστικά του:

• Offset FPN: Αυτός ο τύπος FPN προκαλείται από διακυμάνσεις στο σκοτεινό ρεύμα και τα επίπεδα μετατόπισης μεμονωμένων pixel. Εμφανίζεται ως σταθερή μετατόπιση στις τιμές των pixel, ανεξάρτητα από την ένταση του φωτός.
• Gain FPN: Αυτός ο τύπος FPN προκαλείται από διακυμάνσεις στο κέρδος ή την ευαισθησία μεμονωμένων pixel. Εκδηλώνεται ως διαφορές στις τιμές των εικονοστοιχείων που είναι ανάλογες με την ένταση του φωτός.

Τεχνικές Μετριασμού

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες τεχνικές για τον μετριασμό των επιπτώσεων του σταθερού θορύβου προτύπου. Αυτές οι τεχνικές κυμαίνονται από λύσεις βασισμένες σε υλικό έως αλγόριθμους επεξεργασίας εικόνας που βασίζονται σε λογισμικό.

🔎 Βαθμονόμηση αισθητήρα

Η βαθμονόμηση αισθητήρα είναι μια συνηθισμένη μέθοδος για τη μείωση του σταθερού θορύβου σχεδίου. Αυτό περιλαμβάνει τη μέτρηση του σκοτεινού ρεύματος και των επιπέδων μετατόπισης κάθε pixel στη διάταξη αισθητήρων. Οι μετρήσεις λαμβάνονται υπό ελεγχόμενες συνθήκες.

Στη συνέχεια, τα δεδομένα χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ενός χάρτη διόρθωσης, ο οποίος εφαρμόζεται σε κάθε εικόνα που τραβήχτηκε για να αντισταθμίσει τις παραλλαγές από pixel σε pixel. Η βαθμονόμηση μπορεί να πραγματοποιηθεί στο εργοστάσιο ή στο χωράφι.

🔎 Συσχετισμένη διπλή δειγματοληψία (CDS)

Η συσχετισμένη διπλή δειγματοληψία είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται στους αισθητήρες CCD για τη μείωση των επιπτώσεων του θορύβου επαναφοράς και του σταθερού θορύβου σχεδίου. Περιλαμβάνει τη μέτρηση της τάσης του εικονοστοιχείου δύο φορές: μία πριν και μία μετά την επαναφορά του εικονοστοιχείου.

Η διαφορά μεταξύ των δύο μετρήσεων χρησιμοποιείται στη συνέχεια ως τιμή εικονοστοιχείου, ακυρώνοντας ουσιαστικά τον θόρυβο επαναφοράς και ένα σημαντικό μέρος του σταθερού θορύβου σχεδίου.

🔎 Αφαίρεση σκοτεινού πλαισίου

Η αφαίρεση σκούρου πλαισίου είναι μια απλή αλλά αποτελεσματική μέθοδος για την αφαίρεση του σταθερού θορύβου μοτίβου. Ένα σκοτεινό καρέ είναι μια εικόνα που τραβήχτηκε με τον φακό κλειστό και τον ίδιο χρόνο έκθεσης και ρυθμίσεις ISO με την πραγματική εικόνα.

Αυτό το σκούρο πλαίσιο περιέχει τον σταθερό θόρυβο του μοτίβου και άλλα τεχνουργήματα αισθητήρα. Η αφαίρεση του σκούρου πλαισίου από την πραγματική εικόνα αφαιρεί τον σταθερό θόρυβο του σχεδίου.

🔎 Διόρθωση Επίπεδου Πεδίου

Η διόρθωση επίπεδου πεδίου αντιμετωπίζει διακυμάνσεις στην ευαισθησία των pixel και στη σκίαση του φακού. Μια εικόνα επίπεδου πεδίου λαμβάνεται με απεικόνιση μιας ομοιόμορφα φωτισμένης επιφάνειας.

Αυτή η εικόνα αποκαλύπτει παραλλαγές στην απόκριση των pixel και στην πτώση του φακού. Η διαίρεση της εικόνας που τραβήχτηκε με την κανονικοποιημένη εικόνα επίπεδου πεδίου διορθώνει αυτές τις παραλλαγές, μειώνοντας το σταθερό θόρυβο του μοτίβου και βελτιώνοντας την ομοιομορφία της εικόνας.

🔎 Μέσος όρος πολλαπλών καρέ

Ο μέσος όρος πολλαπλών καρέ είναι μια άλλη τεχνική για τη μείωση του θορύβου, συμπεριλαμβανομένου του FPN. Με τη λήψη πολλών εικόνων της ίδιας σκηνής και τη λήψη του μέσου όρου τους μαζί, τα στοιχεία τυχαίου θορύβου τείνουν να ακυρώνονται, ενώ ο σταθερός θόρυβος του μοτίβου παραμένει σταθερός.

Η μέση εικόνα έχει υψηλότερο λόγο σήματος προς θόρυβο και μειωμένο FPN. Αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική όταν συνδυάζεται με αφαίρεση σκούρου καρέ.

🔎 Προηγμένοι αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν πιο εξελιγμένοι αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας για την εκτίμηση και την αφαίρεση του σταθερού θορύβου μοτίβου. Αυτοί οι αλγόριθμοι συχνά περιλαμβάνουν τεχνικές χωρικού φιλτραρίσματος που εντοπίζουν και εξομαλύνουν τα συνεπή μοτίβα στην εικόνα.

Οι μετασχηματισμοί wavelet και άλλες προηγμένες μέθοδοι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον διαχωρισμό των στοιχείων θορύβου από τα πραγματικά δεδομένα εικόνας, επιτρέποντας πιο αποτελεσματική μείωση του θορύβου.

Σύναψη

Ο σταθερός θόρυβος του σχεδίου είναι ένα εγγενές χαρακτηριστικό των αισθητήρων εικόνας, που προκύπτει από παραλλαγές κατασκευής και ευαισθησίες θερμοκρασίας. Η κατανόηση των αιτιών και των χαρακτηριστικών του FPN είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη αποτελεσματικών στρατηγικών μετριασμού.

Χρησιμοποιώντας βαθμονόμηση αισθητήρα, συσχετισμένη διπλή δειγματοληψία, αφαίρεση σκούρου καρέ και προηγμένες τεχνικές επεξεργασίας εικόνας, ο αντίκτυπος του σταθερού θορύβου προτύπου μπορεί να μειωθεί σημαντικά, οδηγώντας σε βελτιωμένη ποιότητα εικόνας και ακριβέστερη απόκτηση δεδομένων. Οι συνεχείς εξελίξεις στην τεχνολογία αισθητήρων και στους αλγόριθμους επεξεργασίας εικόνας θα ελαχιστοποιήσουν περαιτέρω τις επιπτώσεις του FPN σε μελλοντικά συστήματα απεικόνισης.

FAQ