DE69629672T2

DE69629672T2 - Bestimmung der modulationsübertragungsfunktion

Info

Publication number: DE69629672T2
Application number: DE69629672T
Authority: DE
Inventors: Richard Neil NELSON; James Harold ORLANDO; Antonio Marco LOPEZ
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2016-03-02
Also published as: EP0818020A1; DE69629672D1; EP0818020A4; ES2205019T3; WO1996027849A1; IL117341A0; EP0818020B1; US5745609A; JP2001503922A

Description

1. GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf Messsysteme und insbesondere auf die Messung der Modulationsfunktion auf Systemebene in Anwesenheit von Rauschen mit festem Muster von einer Abbildungssystemelektronik.
2. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die bildliche Darstellung ist die Darstellung eines Objekts durch das quantitative Abtasten der Muster elektromagnetischer Strahlung, die von einem Objekt von Interesse emittiert, reflektiert oder durchgelassen werden. Die elektronische bildliche Darstellung nutzt die Empfindlichkeit verschiedener elektronischer Detektoren für verschiedene Bänder des elektromagnetischen Spektrums aus. Die empfangene Energie wird durch diese Sensoren in eine elektronische oder elektrische Wirkung umgesetzt, wobei aus diesen Wirkungen eine Option von Arten, um die Informationen zu verarbeiten und anzuzeigen, verfügbar ist. Die häufigste Formen der elektronischen bildlichen Darstellung wird beim Fernsehen und den ladungsgekoppelten Vorrichtungen gefunden.
Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) ist die Messung der Fähigkeit eines optischen Systems, verschiedene Niveaus der Einzelheiten vom Objekt zum Bild zu reproduzieren, wie durch den Grad des Kontrastes (die Modulation im Bild) gezeigt ist. Die MTF ist ein Maß der Effektivität, mit der eine Vorrichtung die verschiedenen an sie angelegten Frequenzen überträgt, sie ist ein Wechselstromzeiger, dessen Größe das Verhältnis der Größe des Ausgangssignals zu der einer Sinuswellen-Eingabe ist und dessen Phase die des Ausgangs signals in bezug auf das Eingangssignal ist.
Die Auflösungsleistung einer Abbildungsvorrichtung, wie z. B. einer Fernsehkamera oder einer Infrarotabbildungsvorrichtung, wird normalerweise durch die Messung ihrer Modulationsübertragungsfunktion (MTF) quantifiziert, die ähnlich zum Frequenzgang einer elektronischen Schaltung ist. Die Messung wird optisch ausgeführt, indem eine punktförmige Lichtquelle eingegeben wird, während die Ausgabe der Kamera aufgezeichnet wird. Die MTF ist die Größe der Fourier-Transformation der Ausgabe der Kamera und entspricht der Auflösung oder der Fähigkeit, eine ausführliche Szene mit der Vorrichtung abzubilden. Wenn der Test implementiert ist, fügt die Kamera Rauschen und Jitter hinzu, die im Ausgangssignal als ein Fehlerterm für die MTF erscheinen. Das Rauschen, das als zufälliges Rauschen auftritt, kann mit der Zeit herausgemittelt werden, wobei es als (periodische) Breitband- und Schmalbandquellen auftritt. Der Jitter verursacht einen Verlust der MTF, der auf die Verschmierung zurückzuführen ist, wenn aufeinander folgender Bilder der Daten während langer Testzeiten gemittelt werden. Die Wirkungen des Jitter können vermieden werden, indem die resultierenden MTFs gemittelt werden, sie führen aber, zurückzuführen auf die Mittelwertgrößen, zu einem konstanten Fehler. Das Vorangehende kann kompensiert werden, indem der Ort des Bildes in jedem Teilbild gefunden wird und seine auf den Jitter zurückzuführende Positionsverschiebung kompensiert wird. Das Breitbandrauschen besitzt eine vernachlässigbare Wirkung auf die Ortung des Bildes, das Schmalbandrauschen fügt jedoch große Fehler beim Feststellen des Bildortes ein. Diese Fehler führen zu einer Bildverschiebung, die das Bild streut und zu einem MTF-Messfehler führt.
Die MTF ist eine Messung der Fähigkeiten der Sensoren, auf eine infinitesimal breite Linienquelle zu reagieren. Die Messung sollte Daten verarbeiten können, die einen hohen Rauschabstand bei der Anwesenheit von Rauschen mit festem Muster besitzen. Leider können die Systeme des Standes der Technik das Obige nicht erreichen.
Für weitere Informationen, die den Stand der Technik betreffen, kann auf die folgenden Patente Bezug genommen werden. Im US-Patent Nr. 4.653.909, erteilt am 31. März 1987 an Kuperman, mit dem Titel "Sinusoidal Determination of Limiting Optical Resolution", ist die Messung einer MTF auf Systemebene unter Verwendung mehr einer Heaviside-Sprungfunktion offenbart. Das Patent beschreibt außerdem die Verwendung der AIM-Kurve (engl.: Aerial Image Modulation) oder der Modulationserfassbarkeitskurve in Kombination mit der MTF, um die Auflösung eines optischen Systems vorherzusagen.
In der japanischen Patentanmeldung Nr. 59-46833 mit dem Titel "Peak Detector for MTF Measuring Machine" ist die Messung einer Linsenzentrierung und der MTF offenbart. Die MTF wird durch das Messen des Spektrums eines Spaltbildes gemessen. Die Zentrierung wird durch das Orten der Spitze des Spaltbildes gemessen.
In der japanischen Patentanmeldung Nr. 58-118940 mit dem Titel "Measuring Method of Modulation Transfer Function Measuring Machine of Lens" ist eine Maschine für das schnelle Messen der MTF einer Linse offenbart. Die MTF wird durch das Messen des Spektrums eines Spaltbildes gemessen. Es wird eine Schwelle verwendet, um das Rauschen aus der CCD zu beseitigen.
Die folgenden Artikel von T. L. Williams: "Standard References Lenses for the Infrared Proceedings of The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers", 16.–18. Nov. 1976, S. 16–20; "An Instrument for Measuring the MTF of Lenses Used in Thermal Imaging and Other Infrared Systems", Image Assessment Specification Conference, Rochester, N. Y., 20.–22. Mai 1978, S. 305–311; und "A Workshop Instrument For Testing Binocular and Other Sights Using the MTF Criterion", Optics and Laser Technology, Juni 1972, S. 115–120, offenbaren die Messung der MTF eines optischen Infrarotsystems und eines optischen Systems im allgemeinen. Es gibt keinen Hinweis auf das MTF-Prüfen eines Infrarotsensors, das das optische System, die Detektorgeometrie und die Verarbeitungselektronik enthält. Es gibt außerdem keinen Hinweis auf irgendwelche Verfahren zum Verringern des Rauschens in der Messung.
Der Artikel mit dem Titel "Determination of the Optical Transfer Function Directly from the Edge Spread Function", Journal of the Optical Society of America, Band 15, Nummer 10, von Richard Barakat offenbart die Inversion einer Fredholmschen Integralgleichung erster Art unter Verwendung der Konzepte der Abtasttheorie.
US 5191621 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Modulationsübertragungsfunktion eines digitalen Abbildungssystems. Das Patent ist auf die Aliasing-Probleme gerichtet und schlägt vor, sie zu überwinden, indem geeignet gewählte Testobjekte ausgewählt werden. Es ist ferner erwünscht, Informationen über das Ausmaß der Asymmetrie der Linienstreufunktion zu erhalten, die durch das Abtasten des Eingangschirmes der Fernseh-Aufnahmeröhre eingefügt werden. Um dies auszuführen, wird die Verwendung von Blockelementen mit spezifisch bestimmten Abmessungen vorgeschlagen, um eine Bestimmung der Asymmetrie zu erlau ben. Als ein funktionaler Schritt wird die Multiplikation mit einer Rechteckfunktion vorgeschlagen.
Das Dokument US 5 294 075 offenbart ein optisches Positionsabtastsystem mit hoher Genauigkeit zum Abtasten der Position eines verschiebbaren Elements. Eine Wandlereinheit empfängt ein HF-Signal an einem Eingang und besitzt einen weiteren optisch gekoppelten Eingang zum Empfangenen eines optischen Positionsabtastsignals und eines optischen Referenzsignals, die jeweils erste und zweite Zeitverzögerungen in bezog auf das HF-Signal besitzen. Die Wandlereinheit erzeugt ein elektrisches Mehrfrequenzsignal, das erste und zweite Frequenzen enthält, die den ersten bzw. zweiten Zeitverzögerungen entsprechen. Es wird ein Tukey-Fenster verwendet, um alle störenden Töne zu unterdrücken und um eine Vorspannung als eine Folge des i-ten Differenzsignals zu verringern.
Der Artikel "Forward looking infrared imaging systems characterization and algorithms" von Atashroo u. a., PROCEEDINGS OF THE S.P.I.E., Bd. 2224, Juli 1994, S. 225–236 bezieht sich auf die Messanforderungen und -algorithmen, die vorausschauende Infrarotabbildungssystem charakterisieren. Die dargestellten Algorithmen automatisieren unter anderem die Messanforderungen im Hinblick auf das Rauschen mit festem Muster und die Modulationsübertragungsfunktion. Die Modulationsübertragungsfunktion wird durch ein indirektes Verfahren gemessen, das auf die Digitalisierung, das Einphasen, das Rauschen, die Jitter, die Beseitigung des Hintergrundes und die Normierung gerichtet sein sollte. Die Linienstreufunktion wird zuerst unter Verwendung von Spaltkanten- oder Schneiden-Zielen gemessen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung überwindet die Nachteile des Standes der Technik durch das Schaffen einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) auf Systemebene bei Anwesenheit von Rauschen mit festem Muster von einer Abbildungssystemelektronik genau misst. Die Vorrichtung dieser Erfindung verwendet einen Algorithmus, der das Signal, das ein Sprungmerkmal besitzt, unter Verwendung eines Signalfensters ortet, wobei dann die Vorrichtung die Ableitung des Sprungs das Signals bildet, um die Linienstreufunktion zu erhalten, wobei dann das Fenster der Daten zentriert wird. Die sequenzialisierten Daten werden dann unter Verwendung einer Fourier-Transformation verarbeitet, um die MTF zu erhalten. Ein Vorteil dieser Erfindung ist, dass sie die Bestimmung der Sprungantwort-MTF bei Anwesenheit von periodischem Rauschen erlaubt.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Erfindung ist, dass sie für die automatische Prüfung von Infrarotkameras verwendet werden kann, bei dem die Handauswahl der Prüfdaten nicht praktisch ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Blockschaltplan der Vorrichtung dieser Erfindung;
2 ist ein Ablaufplan, der die Routinen des Algorithmus darstellt, der im Notizbuch nach 1 enthalten ist;
3 ist eine graphische Darstellung der Sprungantwort oder der Zeit gegen die Zählungen des Eingangsdaten-Videosignals;
4 ist eine graphische Darstellung der resultierenden Sprungantwort-Linienstreufunktion oder der Zeit gegen die Zählungen der Eingangsdaten mit einem digitalen Filter;
5 ist eine graphische Darstellung der Zeit gegen die Reaktion des berechneten Fensters und die Linienstreufunktion; und
6 ist eine graphische Darstellung der Ortsfrequenz gegen die MTF und die Linienstreufunktion, die mit Rauschen mit festem Muster verfälscht ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der Zeichnung, auf die ausführlich Bezug genommen wird, und insbesondere in 1 stellt das Bezugszeichen 11 eine Abbildungssystemelektronik dar, die ein analoges Videoausgangssignal erzeugt. Die Elektronik 11 kann ein Fernseher, eine ladungsgekoppelte Vorrichtung, ein Videosensor usw. sein. Das obenerwähnte analoge Videoausgangssignal ist an einen der Eingänge des Analog-Digital-Umsetzers 12 gekoppelt. Das andere Eingangssignal in den Analog-Digital-Umsetzer 12 ist das Ausgangssignal eines 63-MHz-Taktes 13. Das Ausgangssignal des A/D-Umsetzers 12 ist eine digitale Darstellung eines Bildes, das in einem Teilbild des obenerwähnten analogen Videosignals erscheint, das an einen der Eingänge des Teilbild-Speichers 14 gekoppelt ist. Das andere Eingangssignal in den Teilbild-Speicher 14 ist das Ausgangssignal des Teilers 15 für die Teilung durch 8. Das Eingangssignal in den Teiler 15 ist das Ausgangssignal des Taktes 13. Der Teilbild-Speicher 14 speichert die digitale Darstellung des Ausgangssignals des A/D-Umsetzers 12, wobei der Mikroprozessor 16 die im Teilbild-Speicher 14 gespeicherten digitalen Daten liest. Der Systemtakt 17 erzeugt einen 10-MHz-Ausgangsimpuls, der an einen der Eingänge des Mikroprozessors 16, an einen der Eingänge des dynamischen Schreib-Lese-Speichers 18 und an einen der Eingänge des dynamischen Schreib-Lese-Speichers 19 gekoppelt ist. Der Speicher 18 ist an den Mikroprozessor 16 gekoppelt, wobei der Mikroprozessor 16 an den Speicher 19 gekoppelt ist.
Der im folgenden in der Beschreibung der 2 beschriebene Algorithmus ist im Speicher 19 gespeichert. Der Mikroprozessor 16 verwendet den Speicher 18 als einen Notizbuch-Speicher, um die Modulationsübertragungsfunktion entsprechend den Befehlen zu berechnen, die im obenerwähnten Algorithmus enthalten sind. Das Ausgangssignal des Mikroprozessor 16 in der Modulationsübertragungsfunktion ist mit dem Eingang des Druckers 20 verbunden.
Der Drucker 20 druckt eine Folge von Zahlen, die die Modulationsübertragungsfunktion ist. Die obenerwähnten Zahlen werden eine Zeit lang interpretiert, um die Qualität der Bilder zu bestimmen, die durch die Abbildungssystemelektronik 11 erzeugt werden.
2 ist ein Ablaufplan, der die Routinen oder Betriebsarten des MTF-Algorithmus darstellt, die in Zusammenarbeit mit den in 1 gezeigten Komponenten ausgeführt werden.
Der Schritt 1 digitalisiert die Eingangsdaten des Videosignals, von denen erwartet wird, dass sie Sprungmerkmale besitzen. Dieser Schritt ist in der Beschreibung der 3 weiter veranschaulicht.
Der Schritt 2 bildet die Ableitung der Sprungantwort-Linienstreu funktion. Dieser Schritt ist in der Beschreibung der 4 weiter veranschaulicht.
Der Schritt 3 berechnet das Fenster und verwendet das Fenster, um das Rauschen mit festem Muster zu beseitigen. Dieser Schritt ist in der Beschreibung der 5 weiter veranschaulicht.
Der Schritt 4 multipliziert die Linienstreufunktion mit dem Fenster.
Der Schritt 5 bildet die Fourier-Transformation des resultierenden Ausgangssignals. Dieser Schritt ist in der Beschreibung der 6 weiter veranschaulicht.
Das Folgende ist der MTF-Algorithmus, der im Ablaufplan veranschaulicht ist, der in der Beschreibung der 2 beschrieben ist.
(1) Das Mitteln und Ausrichten der Sprungfunktionen
(2) Das Bilden der Ableitung der Mittelwert-Sprungfunktion (für die
Sprungausrichtung werden die Filterkoeffizienten verwendet) inizialisiere die Filterkoeffizienten für die Sprungsausrichtung
VI_DIFF_COEFF_AL[1] = 0.0144
VI_DIFF_COEFF_AL(2] = 0.0256
VI_DIFF_COEFF_AL[3] = 0.0311
VI_DIFF_COEFF_AL[4] = 0.0299
VI_DIFF_COEFF_AL[5] = 0.0230
VI_DIFF_COEFF_AL[6] = 0.0131
VI_DIFF_COEFF_AL[7] = 0.0040
(3) Das Bilden des Tukey-Fensters aus der Breite der Tiefpass-Linienstreufunktion
Es wird die Ableitung der Mittelwert-Sprungfunktion gebildet (dabei werden die Filterkoeffizienten für die MTF, inscan oder xscan, verwendet).
(4) Das Multiplizieren von Tukey und der Linienstreufunktion
(5) Das Bilden der DFT des Produkts des Tukey-Fensters und der Liniensteufunktion
Das Ableitungsfilter

fsamp :=50 Abtastfrequenz [MHz]

fcutoff :=8.5 Grenzfrequenz [MHz]

deriv_points :=7 Anzahl der Koeffizienten im Ableitungsfilter

T := 1
M := 1 ..deriv_points

LSF₁₈₄ = 13.3216
LSF₁₈₅ = 18.2057
LSF₁₈₆ = 17.2158
LSF₁₈₇ = 11.4919

LSF_max :=max(filt_LSF)
LSF_max = 9.224
filt_LSF₁₈₅ = 9.1443
filt_LSF₁₈₆ = 9.224
filt_LSF₁₈₇ = 8.401

k := 175 ..250

_k

_p

_p+1

_p+2

0 <= a <= 1

k := k_max ..300

pos_half_max_k := until (LSF_half_max < filt_LSF_k) – .5,k] pos_half := last (pos_half_max) – k_max
pos_half = 4

k := 100 .. k_max

neg_half_max_k := until [LSF_half_max > filt_LSF_k) – .5,k]
neg_half := k_max – last(neg_half_max)
neg_half = 3

Das halbe Maximum der vollen Breite der gefilterten LSF

a := .4
N' = 5.25
a N' = 2.1

WRITEPRN (edgelmtf) := mtf2
WRITEPRN (edgeamtf) := mtf1

3 ist eine graphische Darstellung der Sprungantwort oder der Zeit gegen die Zählungen des Eingangsdaten-Videosignals, d. h. das digitalisierte Video von einer Infrarotkamera, von dem vermutet wird, dass es Sprungmerkmale besitzt. Das digitalisierte Video der Sprungantwort der Abbildungsvorrichtung wurde gemittelt, um das zeitliche Rauschen zu verringern, während das Rauschen mit festem Muster gelassen wurde.
4 ist eine graphische Darstellung der resultierenden Sprungantwort-Linienstreufunktion oder der Zeit gegen die Zählungen der Eingangsdaten mit einem digitalen Filter, das eine Ableitung ausführt und die Hochfrequenzkomponenten über dem Frequenzgang des Sensors dämpft.
5 ist eine graphische Darstellung der Zeit gegen die Zählungen des berechneten Fensters und der Linienstreufunktion. Die Parameter werden für das Fenster berechnet, um das Rauschen mit festem Muster zu kompensieren. Die Eingangsdaten werden mit einem digitalen Filter verarbeitet, das eine Ableitung bildet und die Hochfrequenzkomponenten dämpft. Die Grenzfrequenz ist ein wenig niedriger als die des digitalen Filters, das in der Beschreibung der 3 beschrieben ist. Das Vorangehende verbreitert den Ausgangsimpuls. Aus der Breite des verbreiterten Ausgangsimpulses werden die Parameter des Fensters berechnet.
6 ist eine graphische Darstellung der Ortsfrequenz gegen die MTF und die Linienstreufunktion, die mit Rauschen mit festem Muster verfälscht ist, was durch die große Spitze in der graphischen Darstellung gezeigt ist. Das Produkt des Fensters und der Linienstreufunktion wird mit der Fourier-Transformation verarbeitet. Die Größe der Fourier-Transformation ist die MTF.
Das Obige hat gezeigt, dass die MTF in Anwesenheit von Rauschen mit festem Muster genau gemessen werden kann. Das obenerwähnte Verfahren und die obenerwähnte Vorrichtung verwenden ein Fenster, das abhängig von den Eingangsdaten dimensioniert ist. Dies erlaubt, dass das Signal (der Impuls) unverfälscht bleibt, während das Rauschen mit festem Muster gedämpft wird. Das Vorangehende erzeugt eine genaue MTF.
Die obige Beschreibung beschreibt eine neue und verbesserte Vorrichtung und ein neues und verbessertes Verfahren, die die Modulationsübertragungsfunktion auf Systemebene in Anwesenheit von Rauschen mit festem Muster von einer Abbildungssystemelektronik genau messen. Es wird erkannt, dass die obige Beschreibung den Fachleuten auf dem Gebiet zusätzlicher Arten anzeigen kann, in denen die Prinzipien dieser Erfindung verwendet werden können. Es ist deshalb beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche eingeschränkt ist.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Modulationsübertragungsfunktion in Anwesenheit von Rauschen mit festem Muster, das durch Abbildungssystemelektronik erzeugt wird, mit den Schritten: a) Digitalisieren eines elektronischen Signals, das von der Abbildungssystemelektronik für ein Bild erzeugt wurde, wobei hin sichtlich des Bilds vermutet wird, dass es Sprungmerkmale hat, um Eingangsdaten zu liefern; b) Bilden der Ableitung eines Sprungantwortbereichs der Eingangsdaten und Dämpfen der Hochfrequenzkomponenten, um eine Tiefpass-Linienstreufunktion zu erhalten; c) Berechnen eines Fensters so, dass seine Breite größer ist als die Breite der Tiefpass-Linienstreufunktion; d) Multiplizieren des Fensters und einer Sprungantwort-Linienstreufunktion, um ein Produkt zu erhalten; und e) Bilden einer diskreten Fourier-Tranformation des Produkts, um die Modulationsübertragunsfunktion zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Fenster ein Tukey-Fenster ist.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt des Ortens eines Signals mit einem Sprungmerkmal und Zentrieren des Fensters auf die Signaldaten.
System zum Bestimmen einer Modulationsübertragungsfunktion von Abbildungssystemelektronik mit: einem Analog-Digital-Wandler, der ein analoges Videosignal, das von der Abbildungssystemelektronik erzeugt wird, in ein digitales Signal wandelt, das ein im analogen Videosignal erscheinendes Bild darstellt, um Eingangsdaten zu liefern; einem mit dem Analog-Digital-Wandler verbundenen Speicher, der jeweils ein Bild oder Teilbild des Videosignals digital speichert, um ein digital gespeichertes Videosignal zu liefern; einer mit dem Speicher verbundenen Einrichtung zum Berechnen der Modulationsübertragungsfunktion aus den Eingangsdaten, wobei die Berechnungseinrichtung eine Einrichtung aufweist zum Ermitteln der Ableitung eines Sprungantwortbereichs der Eingangsdaten und zum Dämpfen von Hochfrequenzkomponenten, um eine Tiefpass-Linien-Streufunktion eines Sprungs im Bild zu erhalten, eine Einrichtung zum Berechnen eines Fensters so, dass dessen Breite größer ist als die Breite der Tiefpass-Linien-Streufunktion; und eine Einrichtung zum Ermitteln der Moduluationsübertragungsfunktion durch Multiplizieren des Fensters und einer Sprungantwort-Linienstreufunktion, um ein Produkt zu erhalten, und Ermitteln einer diskreten Fourier-Transformation des Produkts, um die Modulationsübertragungsfunktion zu erhalten.