ES2205019T3 - Medicion de la funcion de transferencia de modulacion. - Google Patents
Medicion de la funcion de transferencia de modulacion.Info
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Abstract
LA INVENCION ES UN APARATO Y UN METODO CAPAZ DE MEDIR CON PRECISION LA FUNCION DE TRANSFERENCIA DE MODULACION DE NIVEL DEL SISTEMA (16,20) EN PRESENCIA DE UN RUIDO DE PATRON FIJO PROCEDENTE DE LA ELECTRONICA DE UN SISTEMA DE FORMACION DE IMAGENES (11).
Description
Medición de la función de transferencia de
modulación.
Esta invención se refiere a sistemas de medición
y más en particular a la medición de la función de transferencia de
modulación a nivel de sistema en presencia de ruido de patrón fijo
procedente de la electrónica de un sistema de formación de
imágenes.
Las imágenes son la representación de un sujeto
detectando cuantitativamente las pautas de radiación
electromagnética emitida por, reflejada de o transmitida a través de
un sujeto de interés. Las imágenes electrónicas aprovechan la
sensibilidad de varios detectores electrónicos a diferentes bandas
del espectro electromagnético. La energía recibida es transducida
por estos sensores a un efecto electrónico o eléctrico, efectos de
los que se puede obtener una opción de formas de procesar y
visualizar la información. La forma más común de imágenes
electrónicas se halla en dispositivos de televisión y de
acoplamiento de carga.
La función de transferencia de modulación (MTF)
es la medición de la capacidad de un sistema óptico para reproducir
varios niveles de detalle del objeto a la imagen, como se representa
por el grado de contraste (modulación en la imagen). La MTF es una
medida de la efectividad con la que un dispositivo transmite las
frecuencias diferentes aplicadas a él, es un fasor cuya magnitud es
la relación de la magnitud de la señal de salida a la de una entrada
de onda sinusoidal, y cuya fase es la de la salida con respecto a la
entrada.
El poder de resolución de un dispositivo de
formación de imágenes tal como una cámara de TV o dispositivo de
formación de imágenes por infrarrojos, se cuantifica por lo general
por la medición de su Función de Transferencia de Modulación (MTF)
que es similar a la respuesta de frecuencia de un circuito
electrónico. La medición se hace introduciendo ópticamente una
fuente de luz de tipo puntual a la vez que se registra la salida de
la cámara. La MTF es la magnitud de la transformada Fourier de la
salida de la cámara y corresponde a la resolución o la capacidad de
formar una imagen de una escena detallada con el dispositivo. Cuando
se implementa la prueba, la cámara introduce en la MTF ruido e
inestabilidad que aparecen en la salida como un término de error. El
ruido que se produce como ruido aleatorio se puede promediar con el
tiempo y se produce como fuentes (periódicas) de banda ancha y de
banda estrecha. La inestabilidad produce una pérdida de MTF debido a
mancha al promediar bloques sucesivos de datos en tiempos de prueba
largos. Los efectos de la inestabilidad se pueden evitar promediando
las MTFs resultantes, pero da lugar a un error de sesgo debido a las
magnitudes de promedio. Lo anterior se puede compensar hallando la
posición de la imagen en cada trama y compensando su desplazamiento
de posición debido a inestabilidad. El ruido de banda ancha tiene un
efecto despreciable en localizar la imagen, pero el ruido de banda
estrecha introduce grandes errores al hallar la posición de la
imagen. Dichos errores dan lugar a un desplazamiento de imagen que
dispersa la imagen y da lugar a un error de medición MTF.
La MTF es una medición de la capacidad de los
sensores de responder a una fuente lineal de anchura infinitesimal.
La medición deberá ser capaz de procesar datos que tienen una alta
relación de señal a ruido en presencia de ruido de patrón fijo. Por
desgracia, los sistemas de la técnica anterior eran incapaces de
llevar a cabo lo anterior.
Se puede consultar las patentes siguientes para
más información sobre el estado de la técnica anterior. En la
Patente de Estados Unidos número 4.653.909, titulada
"Determinación sinusoidal de resolución óptima limitante",
concedida el 31 de marzo de 1987 a Kuperman, se describe la medición
de una MTF a nivel de sistema usando una función de borde Heaviside.
La patente también describe el uso de la curva AIM (Modulación de
Imagen Aérea), o curva de detectabilidad de modulación, en
combinación con la MTF para predecir la resolución de un sistema
óptico.
En la Solicitud de Patente japonesa número
59-46833 titulada "Detector de pico para medidora
MTF" se describe la medición de un centrado de lente y MTF. La
MTF se mide midiendo el espectro de una imagen dividida. El centrado
se mide localizando el pico de la imagen dividida.
En la Solicitud de Patente japonesa número
58-118940 titulada "Método de medición de medidora
de función de transferencia de modulación de lente" se describe
una máquina para medir rápidamente la MTF de una lente. La MTF se
mide midiendo el espectro de una imagen dividida. Se utiliza un
umbral para eliminar el ruido del CCD.
Los artículos siguientes de T. L. Williams:
"Standard References Lenses for the Infrared Proceedings of the
Society of Photo Optical Instrumentation Engineers", Nov.
16-18, 1976, págs. 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., Mayo 20-22, 1978,
págs. 305-311 y "A Workshop Instrument For Testing
Binocular and Other Sights Using the MTF Criterion", Optics and
Laser Technology, Junio 1972, págs. 115-120,
describen la medición de MTF de un sistema óptico de infrarrojos y
un sistema óptico en general. No hay referencia a prueba MTF de un
sensor de infrarrojos que incluye el sistema óptico, geometría de
detector y electrónica de procesado. Tampoco hay referencia a
métodos de reducir el ruido en la medición.
El artículo de Richard Barakat titulado
"Determination of the Optical Transfer Function Directly from the
Edge Spread Function", Journal of the Optical Society of America,
Volumen 15, número 10, describe la inversión de una ecuación
integral de Fredholm del primer tipo usando conceptos de la teoría
de muestreo.
US 5191621 describe un método y un dispositivo
para determinar una función de transferencia de modulación de un
sistema digital de formación de imágenes. La patente afronta los
problemas de distorsión por repliegue y propone superarlos
seleccionando objetos de prueba elegidos adecuadamente. Además, se
desea obtener información sobre el grado de asimetría de la función
de franja introducida explorando la pantalla de entrada del tubo
captador de televisión. Para realizarlo, se sugiere el uso de
elementos de bloque con dimensiones específicamente determinadas
para permitir la determinación de dicha asimetría. Como paso
funcional, se sugiere la multiplicación por función rectangular.
El Documento US 5 294 075 describe un sistema
óptico de detección de posición de gran exactitud para detectar la
posición de un elemento desplazable. Una unidad transductora recibe
una señal rf en una entrada y tiene otra entrada acoplada
ópticamente para recibir una señal óptica de detección de posición y
una señal óptica de referencia, que tienen, respectivamente,
retardos de tiempo primero y segundo con respecto a la señal rf. La
unidad transductora produce una señal eléctrica de multifrecuencia
incluyendo frecuencias primera y segunda correspondientes a los
retardos de tiempo primero y segundo, respectivamente. Se utiliza
una ventana Tukey para suprimir los tonos interferentes y para
reducir el desvío como consecuencia de la señal de diferencia
i-ésima.
El artículo "Forward looking infrarred imaging
systems characterization and algorithms", de Atashroo y otros,
PROCEEDINGS OF THE S.P.I.E, Vol. 2224, Julio 1994, páginas
225-236, se refiere a los requisitos y algoritmos de
medición que caracterizan los sistemas progresivos de formación de
imágenes por infrarrojos. Los algoritmos presentados automatizan,
entre otros, los requisitos de medición en vista de ruido de patrón
fijo y la función de transferencia de modulación. La función de
transferencia de modulación se mide por un método indirecto donde
deberán afrontarse la digitalización, fase, ruido, inestabilidades,
extracción de fondo y normalización. La función de franja se mide
usando primero blancos de borde dividido o filo.
Esta invención supera las desventajas de la
técnica anterior facilitando un aparato y método que miden con
precisión la Función de Transferencia de Modulación (MTF) a nivel de
sistema en presencia de ruido de patrón fijo de una electrónica de
un sistema de formación de imágenes. El aparato de esta invención
utiliza un algoritmo que localiza la señal que tiene una
característica de borde utilizando una ventana de señal, el aparato
toma después la derivada del borde de la señal para obtener la
función de franja, y después se centra la ventana de los datos. Los
datos secuenciados son procesados después usando una transformada
Fourier para obtener la MTF. Una ventaja de esta invención es que
permite la determinación de MTF de respuesta de borde en presencia
de ruido periódico.
Una ventaja adicional de esta invención es que se
puede usar para la verificación automática de cámaras de infrarrojos
donde no es práctica la selección manual de datos de prueba.
La figura 1 es un diagrama de bloques del aparato
de esta invención.
La figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra
las rutinas del algoritmo que se contiene en la zona de trabajo de
la figura 1.
La figura 3 es un gráfico de la respuesta de
borde o el tiempo en función de los recuentos de la señal vídeo de
datos introducida.
La figura 4 es un gráfico de la función de franja
de respuesta de borde resultante o el tiempo en función de los
recuentos de los datos de entrada con un filtro digital.
La figura 5 es un gráfico del tiempo en función
de la respuesta de la ventana calculada y la función de franja.
Y la figura 6 es un gráfico de la frecuencia
espacial en función de la MTF y la función de franja corrompidas con
ruido de patrón fijo.
Con referencia ahora a los dibujos con detalle, y
más en particular a la figura 1, el carácter de referencia 11
representa la electrónica de un sistema de formación de imágenes que
produce una señal analógica vídeo de salida. La electrónica 11 puede
ser una televisión, un dispositivo de acoplamiento de carga, sensor
vídeo, etc. Dicha señal analógica vídeo de salida está acoplada a
una de las entradas del convertidor analógico a digital 12. La otra
entrada al convertidor analógico a digital 12 es la salida del reloj
de 63 MHz 13. La salida de convertidor A/D 12 es una representación
digital de una imagen que aparece en una trama de dicha señal vídeo
analógica, que está acoplada a una de las entradas de memoria de
tramas 14. La otra entrada a la memoria de tramas 14 es la salida de
divisor 15 de división por 8. La entrada al divisor 15 es la salida
del reloj 13. La memoria de tramas 14 guarda la representación
digital de la salida del convertidor A/D 12 y el microprocesador 16
lee los datos digitales almacenados en la memoria de tramas 14. El
reloj del sistema 17 produce un impulso de salida de 100 MHz que se
acopla a una de las entradas del microprocesador 16, a una de las
entradas de la memoria dinámica de acceso aleatorio 18 y a una de
las entradas de la memoria dinámica de acceso aleatorio 19. La
memoria 18 está acoplada al microprocesador 16, el microprocesador
16 está acoplado a la memoria 19.
El algoritmo descrito más adelante en la
descripción de la figura 2 se almacena en la memoria 19. El
microprocesador 16 usa la memoria 18 como una memoria de trabajo
para calcular la función de transferencia de modulación según las
instrucciones contenidas en dicho algoritmo. La salida del
microprocesador 16, en la función de transferencia de modulación,
está conectada a la entrada de la impresora 20.
La impresora 20 imprime una serie de números que
es la función de transferencia de modulación. Dichos números son
interpretados y controlados para determinar la calidad de las
imágenes producidas por la electrónica del sistema de formación de
imágenes 11.
La figura 2 es un gráfico que ilustra las rutinas
o modos del algoritmo MTF que se realizan en cooperación con los
componentes representados en la figura 1.
El paso 1 digitaliza los datos de entrada de
señal vídeo que se espera que tengan características de borde. Este
paso se ilustra además en la descripción de la figura 3.
El paso 2 toma la derivada de la función de
franja de respuesta de borde. Este paso se ilustra además en la
descripción de la figura 4.
El paso 3 calcula la ventana y usa la ventana
para eliminar el ruido de patrón fijo. Este paso se ilustra además
en la descripción de la figura 5.
El paso 4 multiplica la función de franja por la
ventana.
El paso 5 realiza la transformada Fourier del
resultado obtenido. Este paso se ilustra además en la descripción de
la figura 6.
Lo que sigue es el algoritmo MTF que se ilustró
en el diagrama de flujo descrito en la descripción de la figura
2.
(1) Promediar y alinear funciones de borde
(2) Tomar derivada de función de borde media
(usar coeficientes de filtro para alineación de borde)
Inicializar los coeficientes de filtro para
alineación de borde
(3) Determinar ventana Tukey a partir de anchura
de la función de franja de paso bajo
Tomar derivada de función de borde media (usar
coeficientes de filtro para MTF, in-exploración y
x-exploración)
(4) Multiplicar Tukey y función de franja
(5) Tomar DFT del producto de la ventana Tukey y
la función de franja
La figura 3 es un gráfico de la respuesta de
borde o el tiempo en función de los recuentos de la señal vídeo de
datos de entrada, es decir, vídeo digitalizado de una cámara de
infrarrojos que se esperaba que tuviese características de borde. El
vídeo digitalizado de la respuesta de borde del dispositivo de
formación de imágenes se promedió para reducir el ruido temporal a
la vez que sale del ruido de patrón fijo.
La figura 4 es un gráfico de la función de franja
de respuesta de borde resultante o el tiempo en función de los
recuentos de los datos de entrada con un filtro digital que realiza
una derivada y atenúa componentes de frecuencia alta más allá de la
respuesta de frecuencia del sensor.
La figura 5 es un gráfico del tiempo en función
de los recuentos de la ventana calculada y la función de franja. Los
parámetros se calculan para la ventana para compensar el ruido de
patrón fijo. Los datos de entrada se tratan con un filtro digital
que realiza una derivada y atenúa componentes de frecuencia alta. La
frecuencia de corte es ligeramente menor que el filtro digital
descrito en la descripción de la figura 3. Lo anterior amplía el
impulso de salida. Los parámetros de la ventana se calculan a partir
de la anchura del impulso de salida ampliado.
La figura 6 es un gráfico de la frecuencia
espacial en función de la MTF y la función de franja corrompidas con
ruido de patrón fijo, que se representa por el pico grande en el
gráfico. El producto de la ventana y la función de franja se procesa
con la transformada Fourier. La magnitud de la transformada Fourier
es la MTF.
Lo anterior ha mostrado que la MTF se puede medir
exactamente en presencia de ruido de patrón fijo. Dicho método y
aparato utilizan una ventana que se dimensiona dependiendo de los
datos de entrada. Esto permite que la señal (el pulso) no se
corrompa aunque se atenúe el ruido de patrón fijo. Lo anterior
produce una MTF exacta.
La memoria descriptiva anterior describen un
aparato nuevo y mejorado y un método que miden con precisión la
función de transferencia de modulación a nivel de sistema en
presencia de ruido de patrón fijo de una electrónica de un sistema
de formación de imágenes. Se hace notar que la descripción anterior
puede indicar a los expertos en la materia formas adicionales en las
que se pueden usar los principios de esta invención. Por lo tanto,
se pretende que esta invención se limite solamente por el alcance de
las reivindicaciones anexas.
Claims (4)
1. Un método de determinar una función de
transferencia de modulación en presencia de ruido de patrón fijo
producido por la electrónica del sistema de formación de imágenes,
incluyendo dicho método los pasos de:
a) digitalizar una señal electrónica producida
por la electrónica del sistema de formación de imágenes para una
imagen, imagen que se espera que tenga características de borde,
para proporcionar datos de entrada;
b) tomar la derivada de una porción de respuesta
de borde de los datos de entrada y atenuar componentes de frecuencia
alta para obtener una función de franja de paso bajo;
c) calcular una ventana de tal manera que su
anchura sea mayor que la anchura de la función de franja de paso
bajo;
d) multiplicar la ventana y una función de franja
de respuesta de borde ara obtener un producto; y
e) tomar una transformada Fourier discreta del
producto para obtener la función de transferencia de modulación.
2. El método de la reivindicación 1, donde la
ventana es una ventana Tukey.
3. El método de la reivindicación 1, incluyendo
además los pasos de localizar una señal que tiene una característica
de borde y centrar la ventana en los datos de señal.
4. Un sistema para determinar una función de
transferencia de modulación de electrónica de un sistema de
formación de imágenes, incluyendo dicho sistema:
un convertidor analógico a digital que convierte
una señal vídeo analógica producida por la electrónica del sistema
de formación de imágenes en una señal digital que representa una
imagen que aparece en la señal vídeo analógica para obtener datos de
entrada;
una memoria acoplada a dicho convertidor
analógico a digital, guardando digitalmente dicha memoria una trama
en un tiempo de la señal vídeo para proporcionar una señal vídeo
guardada digitalmente;
medios acoplados a dicha memoria para calcular la
función de transferencia de modulación a partir de los datos de
entrada, donde dichos medios de cálculo incluyen medios para obtener
la derivada de una porción de respuesta de borde de los datos de
entrada y atenuar componentes de frecuencia alta para obtener una
función de franja de paso bajo de un borde de la imagen,
medios para calcular una ventana de tal manera
que su anchura sea mayor que la anchura de la función de franja de
paso bajo; y
medios para obtener la función de transferencia
de modulación multiplicando la ventana y una función de franja de
respuesta de borde para obtener un producto, y tomar una
transformada Fourier discreta del producto para obtener la función
de transferencia de modulación.
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1997
- 1997-01-29 US US08/790,126 patent/US5745609A/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
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