DE2714777C2 - Schaltungsanordnung zur Korrektur jedes einzelnen Bildpunktsignales einer in eine digitale Form umgewandelten Signalfolge eines fotoelektrischen Bildwandlersystems - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Korrektur jedes einzelnen Bildpunktsignales einer in eine digitale Form umgewandelten Signalfolge eines fotoelektrischen Bildwandlersystems

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Description

jedes einzelne Bildpunktsignal U, eines Wandlerelementes in Echtzeit zu dem korrigierten Signal Uu verbessert wird, wobei die digitalen Rechen- und Speicherelemente nacheinander folgende Funktionen ausführen:
a) Speicherung des Bezugssignals Ub zu Beginn "5 jeder Abtastperiode im Speicher (10);
b) Subtraktion des Bezugssignals Ub von jedem einzelnen Bildwandlersignal i/,im Subtraktionsrechner (6);
c) Subtraktion des im Speicher (11) für jedes Bildwandlerelement gespeicherten Dunkelsignals D1 von dem auf dem Bezugspegel UB reduzierten Bildwandlcrelementsignal U1 im Subtraktionsrechner (7);
d) Multiplikation des teilkorrigierten Signals
Uu=(U1-Ub-DJ
mit dem im Speicher (12) für jedes Bildwandlerelement gespeicherten Steigungsfaktor K, im Multiplikationsrechner (8).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen elektronisch gesteuerten Schalter (13) aufweist, über den zu Beginn jeder Abtastperiode in einen Speicher (10) ein für diese Abtastperiode gültiges, den Bezugspegel (Ub) bestimmendes Signal eingegeben wird und das während einer Abtastperiode des Wandlers (2) an einem digitalen Subtraktionsglied (6) anliegt, an dem dabei ferner aus der Signalleitung (4) des Wandlers die Signalfolge der abgefragten Wandlerelemente (3) anliegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein weiteres digitales Subtraktionsglied (7), an dessen einem Eingang (14) aus einem weiteren digitalen Speicher (11) die dort durch eine Kalibrierungsmessung für jedes Wandlerelement (3) eingegebenen Dunkelsignale (DJ eingegeben sind, die von dem an seinem anderen Eingang (15) und um das Bezugssignal (Ub) korrigierten Meßsignalen (UJ abgezogen werden und ein teilkorrigiertes Meßsignal (UjJbWdzn.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Multiplizierglied (8), das an einem Eingang anstehende und in einer weiteren Kalibrierungsmessung gewonnene Korrekturfaktoren (KJ für jedes Wandlerelement (3) mit den an einem anderen Eingang
(17) anliegenden entsprechenden teilkorrigierten Signalen (U1-J multipliziert
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Rechner (9), der den Quotienten (KJ aus einer vorgegebenen konstanten Größe (C) und den einem Speicher (12) entnommenen und durch eine mit einer Bezugsbeleuchtung durchgeführten Kalibrierungsmessung gewonnenen teilkorrigierten Signalen (UhJ bildet, die in einen weiteren Speicher (12') eingegeben werden.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung der (UHi)-Signale und der f/QJ-Faktoren ein Speicher (12, 12') vorgesehen ist, dessen durch Abruf der (UHi)-S\gna.\e frei werdende Stellen durch f/QJ-Faktoren belegt werden.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch zusätzliche Rechner (18 bis 19) zur Durchführung einer Korrektur höherer Ordnung mit Hilfe vorgegebener konstanter Faktoren (KJ und den bereits gewonnenen und in erster Ordnung korrigierten Signalen (UkJ
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Rechner und Speicher sowie dem Bildwandler zugeordnete Einrichtungen zu einer Abdunkelung bzw. Referenz-Beleuchtung der Wandlerelemente (3) mit der Steuerelektronik des Bildwandlers entnommenen Schaltimpulsen gesteuert sind.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bildwandler (2) gesteuerte Filter und/oder Blenden (21) zugeordnet sind.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bildwandler (2) eine Eichlichtquelle (23) und eine Blende (22) an einer Ulbricht-Kugel (24) angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Korrektur jedes einzelnen Bildpunktsignals einer in eine digitale Form umgewandelten Signalfolge eines fotoelektrischen Bildwandlersystems mit hohem radiometrischen Auflösungsvermögen, das eine Vielzahl in einer Zeile oder Fläche verteilt angeordneter Wandlerelemente enthält, insbesondere für einen Bildwandler zur Durchführung genauer Helligkeitsmessungen.
Bildwandler der genannten Art werden beispielsweise benötigt zur Aufnahme von Satelliten- oder Luftbildern, von Thermogranimen, Röntgenfilmen u. dgl. Die Genauigkeit der anschließenden Auswertung ist bei derartigen Einrichtungen in hohem Maße von den Eigenschaften der einzelnen, nacheinander abzufragenden Wandlerelemente des Bildwandlers abhängig. Beim gegenwärtigen Stand der Technik lassen sich mit vertretbarem Aufwand linienförmig oder flächig angeordnete fotoelektrische Wandler nur mit Toleranzen von ±5—10% herstellen, d. h., die einzelnen Wandlerelemente unterscheiden sich hinsichtlich ihres Dunkel- und Sättigungssignals, der Steilheit ihrer Kennlinie und auch durch zeit- und temperaturbedingte Änderungen ihrer Wandlereigenschaften.
Als weitere Fehlerquellen für eine genaue Strahlungsmessung des Objektes treten der Lichtabfall der
Aufnahmeoptik und bei künstlich beleuchteten Objekten die Unregelmäßigkeit der Beleuchtung in Erscheinung. Diese Fehlerquellen wirken sich ganz ähnlich aus wie unterschiedliche Kennlinien der Einzelelemente des Bildwandlers.
Zur Korrektur analoger Videosignale ist in der US-PS 39 02 011 ein Meßverfahren und eine Schaltungsanordnung aufgezeigt, bei denen ein Videosignal in Regionen mit einem konstanten aber innerhalb der Region veränderbaren Korrekturfaktor korrigieri wird, d. h. für jeden einzelnen Bildpunkt ist nur mit einer nicht genau definierten Annäherung eine Korrektur möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht gegenüber obigem darin, für ein Bildwandlersystem der eingangs beschriebenen Art, das zur genauen Helligkeitsmessung verwendet werden soll, eine Korrektur der digitalen Bildwandlersignale mit Hilfe von Korrekturfaktoren vorzunehmen, die sowohl Fehler des Sensors als auch Fehler der Übertragungsstrecke und dei Referenzbeleuchtung eliminieren. Darüber hinaus soll diese Korrektureinrichtung im Echtzeitbetrieb des Signalweges arbeiten, so daß unmittelbar ein korrigiertes Signal zur Verfügung steht.
Für ein System der vorherbeschriebenen Art ist die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß einem digitalen Signalausgang schnelle, digitale Rechenelemente und Speicher nachgeschaltet sind, die von einer der Steuerelektronik des Bildewandlers zugeordneten Schaltelektronik derart gesteuert sind, daß gemäß der Gleichung
Uh=(U-Ub-D)Ki
jedes einzelne Bildpunktsignal Ui eines Wandlerelementes in Echtzeit zu dem korrigierten Signal ίΛ, verbessert ^ wird, wobei die digitalen Rechen- und Speicherelemente nacheinander folgende Funktionen ausführen:
Speicherung des Bezugssignals L/ßZU Beginn jeder Abtastperiode im Speicher; Subtraktion des Bezugssignals Ub von jedem einzelnen Bildwandlersignal U, im Subtraktionsrechner;
c) Subtraktion des im Speicher für jedes Bildwandlerelement gespeicherten Dunkelsignals D, von dem auf dem Bezugspegel Ub reduzierten Bildwandlerelementsignal Ui'im Subtraktionsrechner;
d) Multiplikation des teilkorrigierten Signals
so
mit dem im Speicher für jedes Bildwandlerelement gespeicherten Steigungsfaktor K, im Multiplikationsrechner.
55
Für die Schaltungsanordnung ergibt sich ein relativ niedriger Gesamtaufwand an elektronischen Mitteln, wenn sie gemäß einer Weiterbildung eier Erfindung einen elektronisch gesteuerten Schalter aufweisen, über den zu Beginn jeder Abtastperiode in einen Speicher ein für diese Abtastperiode konstantes, den Bezugspegel bestimmendes Signal eingegeben wird, das ferner während einer Abtastperiode des Wandlers in ein digitales Subtraktionsglied eingegeben ist, an dem dabei ferner aus der Signalleitung des Wandlers die Signalfolge der abgefragten Wandlerelemente anliegt. Die Unterschiede in den »Dunkelsignalen« der einzelnen Wandlerelemente sind unter Benutzung der vorbeschriebenen Schaltungsanordnung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung korrigiert durch ein weiteres digitales Subtraktionsglied, an dessen einen Eingang aus einem weiteren digitalen Speicher die dort durch eine Kalibrierungsmessung für jedes Wandlerelement eingegebenen Dunkelsignale eingegeben sind, die von dem an seinem anderen Eingang und um das Bezugssignal korrigierten Meßsignalen abgezogen werden und ein teilkorrigiertes Meßsignal bilden.
In einer analogen Weiterbildung der Schaltungsanordnung werden die unterschiedlichen Hellsignale der einzelnen Wandler-Elemente durch eine Kalibrierungsmessung gewonnen, in einen Speicher eingegeben, welcher mit Hilfe eines Rechners, in den eine konstante Größe C und die dem Speicher entnommenen Hellsignale eingegeben sind und die Kennliniensteigungen der Wandler-Elemente ermittelt Die Speicherung der Hellsignale ist dabei nur notwendig, bis der Quotient aus der konstanten Größe und einem Hellsignal vorliegt, wßshalb in zweckmäßiger Ausgestaltung im Speicher die durch Hellsignale belegten Stellen nacheinander gelöscht und durch Signale der Korrekturfaktoren belegt werden, die den Kennliniensteigungen der einzelnen Wandler-Elemente proportional sind. Mit Hilfe eines weiteren Rechners sind dann in erster Ordnung korrigierte Signale durch Eingabe und Produktbildung der teilkorrigierten Signale und der Kennliniensteigungen zu bilden. Im Bedarfsfalle kann für gesteigerte Ansprüche mit Hilfe zusätzlicher Rechner eine weitere Korrektur zweiter Ordnung durchgeführt werden oder bei geringeren Genauigkeitsanforderungen auf Teile der Schaltungsanordnung verzichtet werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
F i g. 2 ein Diagramm der in digitaler Form gebildeten und fehlerbehafteten Signale eines Bildwandlers,
F i g. 3 eine von F i g. 1 abweichende Bildwandleranordnung an einer Ulbricht-Kugel.
Das Blockschaltbild der F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der ein mittels einer Optik 31 erzeugtes Bild von einem fotoelektrischen Wandler 2 in elektrische Signale umgewandelt wird, der aus einer Vielzahl von Wandler-Elementen 3 besteht. Hierzu ist ihm eine Steuerelektronik 25 zugeordnet, die auch integrierter Bestandteil des Wandlers 2 sein kann.
Für vielseitige Anwendungen sind derartige Wandler mit beispielsweise 1000 bis 2000 Wandler-Elementen 3 in linienförmiger Anordnung im Handel. Bei Anwendungen der in der Einleitung beschriebenen Art erzeugt der Bildwandler 2 analoge Signale 32, die in der Regel über einen Verstärker 33 weiterverarbeitet werden und hierzu zweckmäßig über eine Abtast-Halteschaltung 34 (Sampel-Hold) und einen Analog-Digital-Wandler 35 in digitale Signale umgewandelt werden. Diese am Ausgang 4 des Analog-Digital-Wandlers anstehenden Signale sind in der F i g. 2 dargestellt.
Vor Beginn einer auszuwertenden Signalfolge erscheinen am Ausgang 4 des Digital-Wandlers Bezugs-Signale Ubi- Diese Bezugs-Signale UBi können einen konstanten oder einen nur für die Abtastperiode einer Zeile konstanten Wert aufweisen. Durch bekannte elektronische Mittel (z. B. Dioden-Klemmschaltung) kann dieses Bezugs-Signal bereits bei der Analog-Signalbildung zu Null gemacht werden, so daß Ui das bereits auf eine Bezugslinie bezogene Meßsignal
darstellt. Drei Signale Ui, die bei jeweils gleicher Beleuchtung aufeinanderfolgender Wandler-Elemente einer Zeile gewonnen wurden, sind im linken Diagramm dargestellt. Es ist ersichtlich, daß von den Eigenschaften der einzelnen Wandler-Elemente herrührend, diese Signale sowohl bei abgedunkeltem Wandler (Dunkelsignale Ud) als auch bei belichtetem Wandler (Hellsignale Uh) voneinander unterschiedlich sind, d. h., daß auch die Kennliniensteigung der einzelnen Wandlerelemente unterschiedlich ist. Mit der gleichen Anordnung werden in einer anderen Zeile (/ + 1) die im rechten Diagramm dargestellten Signale £/, + i erhalten, denen gegenüber den Signalen U, des linken Diagramms ein anderes Bezugssignal Ub+ \ vorangeht, weshalb ein direkter Vergleich beider Signalfolgen zu Fehlmessungen führen würde. Die Lage des Bezugssignals ist bei kapazitiv bzw. wechselstromgekoppelter Übertragung abhängig von den Bildsignalamplituden einer ganzen Zeile.
Zur Abstellung dieser Mängel dient eine Schaltungsanordnung nach F i g. 1, bei der mit Hilfe einer Optik 31 auf einen fotoelektrischen Wandler 2 ein Bild oder eine Bildzeile abgebildet ist. Bei der nachfolgenden Beschreibung ist zu unterscheiden zwischen dem in Echtzeit verlaufenden Meßprozeß, bei dem die Bildsignale korrigiert werden und dem zu Beginn der Messung stattfindenden Kalibrierungsprozeß, bei dem die Korekturgrößen ermittelt werden. Die aus den einzelnen mit einer bekannten Steuerelektronik 25 angesteuerten Wandlerelementen 3 abgefragten Analogsignale 32 gelangen über einen Verstärker 33, eine Abtast-Halteschaltung 34 und einen Analog-Digital-Wandler 35 an einen digitalen Signalausgang 4 und einen elektronisch gesteuerten Schalter 13 mit den Umschaltkontakten B und A/. Am Kontakt ßist ein Speicher 10 angeschlossen, in den am Anfang jeder Zeile ein Bezugssignal Ub eingegeben wird, das für die Dauer einer Zeilen- oder Bildabtastperiode gültig ist Hierzu ist der Schalter 13 von der Schaltelektronik 5 und der ihr zugeordneten Steuerelektronik 25 zu Beginn jeder Zeile elektronischautomatisch in die Schaltstellung B gebracht Steuerelektronik 25 und Schaltelektronik 5 sorgen im weiteren dafür, daß der Schalter 13 vor dem Eintreffen der ersten Meßsignale des Wandlers 3 in die Stellung M gebracht wird. An einem Rechner 6, der die Differenz der Meßsignale Ui und des Bezugssignals UB zu bilden hat liegen während einer Meßperiode das i/e-Signal aus dem Speicher 10 und die fortlaufend eingegebenen Bildsignale £/, des Wandlers 3 an. Die dem Rechner 6 entnommenen teilkorrigierten Signale Ui- Ub gelangen an einen weiteren elektronisch gesteuerten Schalter 26 mit den Umschaltkontakten D und Afc.
Nachfolgend in der Schaltstellung M\ über den Schalter 26 geleitete Meßsignale Ui-U8 aus dem Rechner 6 gelangen an einen Eingang 15 eines weiteren Rechners 7. Dieser Rechner 7 bildet dann während einer Meßperiode mit Hilfe der aus dem Speicher 11 an seinen weiteren Eingang 14 anliegenden Dunkelsignale D-, weitere teilkorrigierte Signale
Ui-Ua-D,= Us,
die einem dritten analog ausgebildeten und angesteuerten elektronischen Schalter 27 zugeführt sind. In der Schaltstellung A/j des Schalters 27 ist ein weiterer Rechner 8 mit den teilkorrigierten Signalen Un aus dem Rechner 7 und den ihnen zugehörigen ^/-Werten aus dem Speicher 12* beaufschlagt Der Rechner 8 bildet durch Multiplikation mit den Faktoren K, in erster Ordnung korrigierte Signale
(Ui-U8-Di)- Ki= UKi.
Die Dunkelsignale D, und die Korrekturfaktoren Ki werden vor Beginn der Messung und u. U. auch in gewissen Zeitlichen Abständen während der Messung durch eine besondere Kalibrierungsmessung ermittelt. Der analog dem Schalter 13 mit Hilfe der Steuer- und Schaltelektronik 25 und 5 angesteuerte Schalter 26 sorgt dafür, daß in der Schaltstellung D in einem Speicher 11 durch diese Kalibrierungsmessung die »Dunkelsignale« £>,aller Einzelelemente3 des Wandlers 2 aufgenommen werden.
Dabei ist eine zwischen der Optik 31 und dem Bildwandler 2 angeordnete Blende 21 geschlossen. Das Schließen der Blende kann dabei mit Hilfe eines Stellgliedes 35 und einer Blendensteuerung 36 erfolgen, wobei letztere von Hand (Pfeil A) oder mit Hilfe eines der Schaltelektronik 5 entnommenen Signals erfolgen kann.
Abschließend an die Dunkel-Kalibrierung erfolgt eine Kalibrierung der einzelnen Wandlerelemente 3 hinsichtlich ihrer »Hellsignale«. Hierzu ist bei der Anordnung nach der F i g. 1 die Blende 21 in die offene Stellung gesteuert, wobei der Wandler 3 mit einer Referenz-Lichtverteilung beaufschlagt ist, oder es ist bei einer Wandleranordnung an einer Ulbricht-Kugel 22 gemäß der Fig.3 die Blende 22 geschlossen und eine Eichlichtquelle 23 eingeschaltet. Ein dritter analog den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschaffener und gesteuerter elektronischer Schalter 27 mit den Umschaltkontakten H und A/3 ist dabei zunächst in die Stellung H geschaltet, der Schalter 26 steht dabei in der Stellung AZ2. Somit liegen am Schalter 27 aus dem Rechner 7 die hinsichtlich ihres Bezugssignals U8 und ihrer Dunkelsignale Di korrigierten Hellsignale Uh; an, die im Speicher 12 gespeichert werden. Der Rechner 9 bildet die Quotienten aus einer konstanten Größe Cund den nacheinander aus dem Speicher 12 abgerufenen Signalen Uw. während dabei frei werdende Stellen durch die errechneten Quotienten K, belegt werden, die ein Maß für die Kennliniensteigung der einzelnen Wandlerelemente 3 darstellen.
Bei höchsten Anforderungen an die Meßgenauigkeit zur Berücksichtigung von gekrümmten Kennlinien der Wandlerelemente 3 ist eine Korrektur zweiter Ordnung beispielsweise dadurch möglich, daß den Rechnern 7 und 8 zusätzliche Rechner 18 und 19 zugeordnet sind, von denen der Rechner 18 das Produkt von (ίΛ/)2 und einer konstanten Korrekturgröße K2 bildet, zu dem der Rechner i9 das in erster Ordnung korrigerie Signal L·*, addiert
Die Schaltelektronik 5 in F i g. 1, die zur Ansteuerung der Abtast- und Halteschaltung 34 des Analog-Digital-Wandlers 35, der Schalter 13 und 26, des Speichers 11 und des Schalters 27 sowie des Speichers 12,12' und des Rechners 8 sowie der Blendensteuerung 36 dient, weist hierzu Signalausgänge Si bis S9 auf, wobei weitere
ω Signalausgänge für zusätzliche Einrichtungen, beispielsweise Signallampen u.dgl. zur Vereinfachung der Darstellung unbelegt blieben. Der Aufbau der Schaltelektronik selbst kann nach freier Wahl in beliebig zweckmäßiger Ausbildung erfolgen, z. B. mit Hilfe eines Mikroprozessors, und ist nicht Gegenstand der Erfindung.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprache:
1. Schaltungsanordnung zur Korrektur jedes einzelnen Bildpunktsignals einer in eine digitale Form umgewandelten Signalfolge eines fotoelektrischen Bildwandlersystems mit hohem radiometrischen Auflösungsvermögen, das eine Vielzahl in einer Zeile oder Fläche verteilt angeordneter Wandlerelemente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß einem digitalen Signalsausgang schnelle, digitale Rechenelemente (6 bis 9) und Speicher (10 bis 12) nachgeschaltet sind, die von einer der Steuerelektronik des Bildwandlers zugeordneten Schaltelektronik derart gesteuert sind, daß gemäß der Geichung
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