PAK 6/2006 �ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł 19
Sławomir MICHALAK
POLITECHNIKA POZNAC
SKA, INSTYTUT ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI,
ZAKA
AD 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
Jest adiunktem w Zakładzie Elektronicznych Syste-
obrazu od dołu (tj. przy słabych warunkach oświetlenia).
mów Pomiarowych w Instytucie Elektroniki
i Telekomunikacji Politechniki Poznańskiej. W pracy
naukowo-dydaktycznej zajmuje się zagadnieniami
2. y
ródła zakłóceń w torze pomiarowym
komputerowego wspomagania projektowania układów
elektronicznych, pozyskiwania informacji z inteli-
z czujnikiem obrazu
gentnych czujników pomiarowych oraz programo-
wania komputerowych systemów pomiarowych
Pozyskiwanie i przetwarzanie danych z czujnika wizyjnego
w językach wyższego rzędu.
(kamery) związane jest z występowaniem następujących
(podstawowych) zakłóceń oraz błędów:
e-mail: [e-mail]
- zniekształcenia powstające przed kamerą (zakłócenia powstają-
ce przed obiektywem),
Streszczenie
- zniekształcenia toru optycznego (wady obiektywu, zniekształ-
cenia perspektywy),
W pracy przedstawiono system pomiarowy do obserwacji i rejestracji
- błędy przetwornika obrazu,
efektów prądu ciemnego przetworników obrazu. Na podstawie zarejestro-
- zakłócenia toru analogowego,
wanych obrazów można dokonać wstępnej oceny jakości badanego prze-
- błędy karty akwizycji (przetwarzanie a/c),
twornika (matrycy). W systemie wykorzystano kartę akwizycji obrazu
oraz oprogramowanie IMAQ (Image Acquisition), które jest elementem - niewłaściwa obróbka danych,
graficznego środowiska programowania systemów pomiarowych LabView - niewłaściwa interpretacja obrazu (danych).
(National Instruments). Przedstawiono przykładowy program do obserwa-
Część zakłóceń i z
ródeł błędów trudno jest użytkownikowi wy-
cji efektów szumów i prądu ciemnego przetworników obrazu. Pokazano
eliminować całkowicie, przykładowo zależą od konfiguracji toru
przykłady zarejestrowanych obrazów ilustrujące omawiane zagadnienie.
pomiarowego (aktualnie posiadanego wyposażenia). W przypadku
kamery z wyjściem analogowym w torze pomiarowym pojawiają
A measurement system for observation
się: podatny na zakłócenia napięciowy sygnał analogowy oraz
of dark current effect of image sensors
dodatkowe konwersje c/a i a/c. Stosując kamerę z wyjściem cy-
frowym sygnał analogowy nie występuje. Jakość toru pomiarowe-
Abstract
go zależy oczywiście od parametrów technicznych poszczegól-
nych członów (parametrów kamery, karty akwizycji).
In this article a measurement system for observation of quality of image
Błędy związane z obróbką danych czy interpretacją wyników
sensors (CCD cameras) was presented. An image acquisition card NI PCI
zależą w dużej mierze od stworzonego programu i zastosowanych
1411 and LabView environment IMAQ (National Instruments) were used.
metod analizy obrazu.
An example program for observation noise effect and dark current of
W torze pomiarowym im wcześniej powstaje błąd, tym (zazwy-
image CCD sensors was shown. Some registered images of noise effect for
examined YK-3027D CCD camera were presented. 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-
1. Zjawiska towarzyszące przetwarzaniu
rowe.
obrazu nie oświetlonego przetwornika
3. System pomiarowy
W systemach pomiarowych jako z
ródło danych pomiarowych
coraz częściej wykorzystywane są miniaturowe przetworniki
Przykład prostego systemu pomiarowego z przetwornikiem ob-
obrazu (wizyjne) oparte na matrycach CCD lub CMOS. Przetwor-
razu przedstawiono na rysunku 1. Stosując kamerę z wyjściem
niki te charakteryzują się coraz lepszymi parametrami technicz-
analogowym konieczne było zastosowanie karty przetwarzającej
nymi (czułość, rozdzielczość) oraz niewielkimi wymiarami.
sygnał analogowy na postać cyfrową (karta akwizycji obrazu).
Sygnał wyjściowy uzyskiwany ze scalonego przetwornika obra-
Obróbka pozyskanych danych następuje w komputerze, choć
zu jest sumą przebiegów o różnym charakterze i mechanizmie
w zależności od zastosowanej karty akwizycji część obliczeń
powstawania. Dla nie oświetlonego przetwornika głównymi z
ró-
może być już wykonana przez układy znajdujące się na karcie [3].
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-
Rys. 1. System pomiarowy z przetwornikiem wizyjnym i kartą akwizycji obrazów
ków szum o stałym obrazie (fixed-patern noise), a także szum
Fig. 1. Measurement system with image sensor and image acquisition card
transferu (transfer noise) i zakłócenia procesu przetwarzania
ładunku. Szum termiczny ma charakter szumu białego, jego
W analizowanym torze pomiarowym, istotnym z
ródłem zakłó-
wpływ może być skompensowany poprzez odjęcie uśrednionej
ceń i błędów jest przetwornik obrazu. Jego jakość, parametry
wartości linii (pikseli) odniesienia. Szum o stałym obrazie jest
techniczne takie jak czułość, rozdzielczość, poziom szumów
efektem nadmiernej, samoczynnej generacji nośników i objawia
decydują o jakości pozyskanych danych. Jednym z negatywnych
się w postaci krótkich pików o zmiennym poziomie. Obie składo- zjawisk wpływających na jakość pozyskanego obrazu, jest samo-
we szumowe silnie zależą od temperatury, podwajając swoją
istna generacja nośników w strukturze scalonej przetwornika
wartość przy wzroście temperatury o ok. 10�C [1, 2].
(z
ródło szumu i prądu ciemnego), szczególnie istotna przy słabym
Generacja dodatkowych nośników nie mających charakteru
oświetleniu obiektu.
szumowego wywołuje efekt prądu ciemnego (dark current). Prąd
20 �ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł PAK 6/2006
matrycy. Użytkownik ma możliwość zadeklarowania liczby reje-
4. Obserwacja wpływu szumów i prądu
strowanych obrazów.
ciemnego
5. Wyniki obserwacji
Program do obserwacji wpływu szumów i prądu ciemnego wy-
konano w środowisku LabView (wersja 7.1) z pakietem IMAQ
Obserwację i rejestrację obrazu ciemnego przy pomocy opisa-
(wersja 3.0) [4, 5]. Zastosowano podstawowe funkcje do rejestra-
nego programu, wykonano dla miniaturowej kamery CCD YK-
cji pojedynczego obrazu. W programie wykonywana jest pętla
3027D. Korzystano z wyjścia analogowego CVB. Do akwizycji
wielokrotnego pozyskania i sumowania obrazu.
sygnału analogowego zastosowano kartę National Instruments PCI
Diagram programu przedstawiono na rysunku 2.
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 Rys. 4. Niejednorodność struktury matrycy przetwornika
Fig. 4. Non homogeneity matrix texture
o różnym poziomie sygnału (luminancji). Rejestrowany poziom
sygnału jest efektem występowania szumów i prądu ciemnego,
Na rys 5 przedstawiono trójwymiarowy wykres obszaru matry-
może być również wynikiem uszkodzenia danego obszaru matry-
cy zarejestrowany dla 20 obrazów w chwilę po włączeniu zasila-
cy. Panel użytkownika przedstawiono na rysunku 3.
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-
W oknie A dostępny jest podgląd aktualnie rejestrowanego obra- no ogólne zwiększenie poziomu luminancji, w przypadku kilku
zu, w oknie B  podgląd kolejno sumowanych obrazów, w oknie
obszarów (pikseli) poziom ten jest bardzo duży.
C prezentowany jest trójwymiarowy wykres luminancji obszaru
PAK 6/2006 �ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł�ł 21
6. Podsumowanie
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
Rys. 6. Wykres dla kamery YK-3027D (po nagrzaniu)
Fig. 6. Graph for YK-3027D camera (during heating) matrycy przetwornika, mogą mieć wpływ nie tylko wartości szu-
mów, prądu ciemnego i zakłóceń powstających w przetworniku,
Rysunek 7 przedstawia wyniki rejestracji po całkowitym na- ale także zakłócenia powstające w kolejnych członach toru pomia-
grzaniu się kamery. Zaobserwowano dalsze zwiększenie ogólnego
rowe. Szczególną rolę odgrywa karta akwizycji obrazu oraz za-
poziomu luminancji oraz wzrost liczby pojedynczych obszarów
kłócenia, które mogą się indukować się w części analogowej.
o poziomie znacznie przekraczającym średnią wartość.
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.
7. Literatura
[1] M. Rusin, Wizyjne przetworniki optoelektroniczne, WKA
, Warszawa,
1990.
[2] M. Rusin, Systemy teletransmisji, WKA
, 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.
_____________________________________________________
Rys. 7. Wykres dla kamery YK-3027D (po całkowitym nagrzaniu)
Artykuł recenzowany
Fig. 7. Graph for YK-3027D camera (after completely heating)