Correção de pixels nas câmeras com sensores ams CMV50000 [AN201908]

O sensor CMV50000 possui uma característica especial no que diz respeito ao comportamento dos pixels no escuro. Possui ruído de nível de pixel. A seguir, falamos de ruído de pixel. Pesquisas mostram que o ruído do pixel divide-se em dois componentes. Estes componentes e as correções correspondentes para melhorar a qualidade da imagem são explicados nas secções a seguir.

Ruído de padrão fixo (PNF - Fixed Pattern Noise) do pixel

O ruído de pixel do CMV50000 tem um componente temporal e espacialmente imutável chamado pixel FPN. Este componente de ruído é caracterizado pelo facto de que o valor de cinzento de um pixel com as coordenadas x, y numa série de imagens gravadas destaca-se sempre dos pixels vizinhos.

Pixel de sinal telegráfico aleatório (RTS - Random Telegraph Signal)

Em contraste com o FPN do pixel descrito acima, os pixels RTS comportam-se aleatoriamente em relação ao tempo e valor de cinzento. A sua posição e valor de cinzento não podem ser previstos. A próxima figura mostra o comportamento de 5 pixels com as maiores diferenças no valor de cinzento na área do sensor ativo.

Salt-and-Pepper Noise

O FPN de pixel também pode ser referido como ruído "sal e pimenta", pois ocorrem pixels brancos e pretos. Isto é confundido com a definição de pixels defeituosos. Pixels defeituosos, no entanto, são defeituosos em todo o intervalo operacional da câmera, ou seja, branco ou preto.

Dependências

O ruído de pixel do sensor depende da temperatura e da duração do tempo de exposição. Isso significa que, com o aumento da temperatura, há mais pixels cujo valor de cinzento se desvia da vizinhança. Basicamente é com o tempo de exposição – quanto mais longo, mais claro o pixel FPN. 

Os histogramas a seguir ilustram o aumento no ruído do pixel com o aumento da temperatura e maior tempo de exposição. Como pode ser visto claramente nos histogramas, o número de pixels que estão fora da distribuição normal aumenta significativamente. Por outro lado, isto significa que a temperatura deve ser mantida o mais baixa possível para reduzir o ruído do pixel. Além disso, deve ser usado o menor tempo de exposição possível.

Causa

O fabricante AMS do sensor CMV50000, utilizado nos modelos de câmeras, fala de um efeito de fuga nas células de memória capacitiva dos pixels. Não se pode prever se e quando a célula de memória capacitativa terá estas fugas. Portanto, não se pode dizer se será totalmente preto (valor de cinzento = mínimo) ou branco (valor de cinzento = máximo). Além disso, diz-se que o efeito duplica-se a cada
10 °C, a partir de uma temperatura de 30 °C.

Devido ao grande número de pixels na superfície do sensor ativo que difere dos pixels vizinhos, eles não podem ser corrigidos com uma correção baseada em LUT, semelhante a uma correção de pixel com defeito. Estudos têm mostrado que o número de pixels interferentes está no intervalo percentual de um dígito, dependendo da situação de operação da câmera.

Procedimento básico

Devido ao grande número de pixels e ao comportamento que muda com o tempo, é usada uma correção dinâmica com um filtro 9×1. No ambiente de filtro, o valor de cinzento do pixel é comparado com o dos seus vizinhos e, com base num valor limite, é tomada uma decisão quanto a se deve ser corrigido ou não. Um valor de limite alto, portanto, significa que deve haver uma grande diferença de valor de cinzento entre o pixel e o ambiente. Isso significa que são corrigidos menos pixels do que com um valor de limite baixo.

Exemplo da correção:

As ilustrações a seguir mostram a correção com base numa imagem de teste.

Efeitos de borda

A filtragem é uma função não linear que afeta os valores de medição do EMVA 1288, por exemplo. Neste caso, ocorrem valores implausíveis. Essa filtragem também tem impacto na resolução ou na função de transferência de modulação (MTF) do sistema da câmera. Há uma diminuição na capacidade de resolução devido às arestas lixadas.

Visto que a correção funciona apenas na direção da linha, em determinadas circunstâncias estruturas verticais finas podem ser afetadas por artefactos. No entanto, isto depende de vários fatores de influência, como o tamanho da estrutura, padrão/repetição e resolução (nitidez) da lente. As figuras a seguir dão uma impressão dos possíveis artefactos que podem ocorrer em determinadas circunstâncias.

Outra possibilidade de corrigir o FPN de pixel é uma correção de campo plano para toda a imagem. No entanto, os pixels RTS não podem ser tratados com esta correção. Além disso, são concebíveis abordagens dinâmicas com ambientes de filtro maiores, que também levam em conta as estruturas na direção vertical.

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