Исследователи Лаборатории фотоники и оптической обработки информации Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ разработали быстрый и точный метод оценки шумов фотосенсоров цифровых камер, который сможет упростить разработку, тестирование и характеризацию цифровых камер различных типов.
Результаты исследования опубликованы в IEEE Sensors Journal. Цифровые фото- и видеокамеры сегодня часто применяются в науке и технике как компоненты оптико-цифровых систем. Однако качество их работы часто ухудшает шум пикселей фотосенсора, который возникает из-за неравномерности потока фотонов, различия в фоточувствительности пикселей, преобразования сигнала в цифровой вид и других причин.
Знание шумовых параметров фотосенсоров камер позволяет улучшить работоспособность различных систем. Например, можно повысить качество снимков, особенно при регистрации быстропротекающих и динамических процессов, при низкой освещенности сцены и при малом времени экспозиции.
По мере расширения сферы применения цифровых камер, все большее значение приобретает информация о шумах сенсоров. Знание шумовых параметров исключительно полезны для развития таких технологий, как распознавание и отслеживание объектов, автоматическая обработка снимков, 3D-видение и трехмерное восстановление сцен и так далее.
По мнению ученых, информация о шумовых параметрах позволяет синтезировать изображения, которые делает конкретная камера, с реалистичными шумами для обучения в нейросетевых задачах. Она даже помогает оценивать возможности камеры при применении в определенной задаче, оценивая достижимый уровень отношения сигнал/шум, до проведения эксперимента.
«Исследователи НИЯУ МИФИ разработали быстрый и точный метод оценки шумов фотосенсоров цифровых камер. Обычно выделяют четыре основные вида шума фотосенсоров: световой пространственный, темновой пространственный, световой временной и темновой временной. Каждый вид имеет свои особенности, причины и способы подавления. Разработанный метод позволят оценить не только величину полного шума, но и значения каждого вида шума по отдельности, что особенно ценно и полезно», — сообщил сотрудник лаборатории, кандидат физико-математических наук, доцент Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Павел Черёмхин.
«Разработанный нами метод применяет разделение кадров по группам пикселей, специальную сортировку полученных сигналов и процедуру интерполяции. В результате, для измерения шума достаточно сделать всего лишь четыре снимка: два темновых и два световых. Это чрезвычайно мало в сравнении с рекомендациями современных стандартов, когда требуется регистрировать десятки серий кадров по два снимка в каждом. Кроме того, экспериментальная схема разработанного метода стала проще», – рассказал он.
По словам ученого, метод был апробирован на цифровых камерах с различным устройством фотосенсора, при этом точность измерений оказалась не хуже стандартной, а затраченное на измерения время сократилось в десятки раз. «Разработанный метод можно использовать как отдельно, так и совместно со стандартами, что позволяет применять его, в том числе, при разработке, тестировании и характеризации цифровых камер различных типов», – отметил сотрудник лаборатории, инженер Александр Козлов.
Исследователи продолжат работы по этой теме. Сейчас в лаборатории разрабатываются эффективные методы шумоподавления и цифровые фильтры, входными параметрами которых являются измеренные шумовые характеристики. В ближайшей перспективе – работа по упрощению процедуры идентификации цифровых камер по снимку и некоторые другие прецизионные научные и метрологические задачи. Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда.