Pixel Correction bei Kameras mit ams CMV50000 Sensoren [AN201908]

Der Sensor CMV50000 weist eine Besonderheit bezüglich des Verhaltens der Pixel im Dunkeln auf. Er verfügt über ein Rauschen auf Pixel-Ebene. Im Weiteren wird von Pixel-Noise gesprochen. Untersuchungen zeigen, dass sich das Pixel-Noise in zwei Komponenten aufteilt. Diese Komponenten sowie die entsprechende Korrektur zur Verbesserung der Bildqualität werden in den nachfolgenden Abschnitten erläutert.

Pixel-FPN (Fixed Pattern Noise)

Das Pixel-Noise des CMV50000 verfügt über eine zeitlich und örtlich unveränderliche Komponente, die als Pixel-FPN bezeichnet wird. Diese Rauschkomponente zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Grauwert eines Pixels mit der Koordinate x,y in einer aufgenommen Bildreihe immer von den benachbarten Pixeln abhebt.

RTS-Pixel (Random Telegraph Signal)

Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Pixel-FPN, verhalten sich RTS-Pixel zeitlich und im Grauwert zufällig. Deren Position und Grauwert ist nicht vorhersagbar. Die nächste Abbildung zeigt das Verhalten von 5 Pixeln mit den grössten Grauwertunterschieden der aktiven Sensorfläche.

Salt-and-Pepper Noise

Das Pixel-FPN kann auch als Salt-and-Pepper Noise bezeichnet werden, da weisse und schwarze Pixel auftreten. Dies vermischt sich mit der Definition von Defekt-Pixeln. Defekt-Pixel sind jedoch über den gesamten Betriebsbereich der Kamera defekt, also weiss oder schwarz.

Abhängigkeiten

Das Pixel-Noise des Sensors weisst Abhängigkeiten zur Temperatur und der Länge der Belichtungszeit auf. Das heisst, mit steigender Temperatur ergeben sich mehr Pixel, deren Grauwert von der Nachbarschaft abweicht. Grundlegend verhält es sich mit der Belichtungszeit – je länger umso deutlicher das Pixel-FPN. 

Die nachfolgenden Histogramme verdeutlichen die Zunahme des Pixel-Noise mit steigender Temperatur und längerer Belichtungszeit. Wie in den Histogrammen deutlich zu sehen ist, nimmt die Anzahl der Pixel, die sich ausserhalb der Normalverteilung befinden, deutlich zu. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass für eine Reduktion des Pixel-Noise die Temperatur so niedrig wie möglich gehalten werden sollte. Weiterhin sollte eine möglichst geringe Belichtungszeit genutzt werden.

Ursache

Der Hersteller AMS des Sensors CMV50000, welcher in den Kameramodellen eingesetzt wird, spricht von einem Leakage-Effekt in den kapazitiven Speicherzellen der Pixel. Dabei kann nicht vorhergesagt werden, ob und wann die kapazitive Speicherzelle diese Undichtigkeiten aufweist. Daher kann auch nicht gesagt werden, ob es komplett schwarz (Grauwert=min) oder weiss (Grauwert=max) wird. Weiterhin wird von einer Verdopplung des Effekts alle
10 °C, ab einer Temperatur von 30 °C gesprochen.

Aufgrund der Vielzahl der Pixel auf der aktiven Sensorfläche, die von den Nachbarpixeln abweichen, können diese nicht mit einer LUT-basierten Korrektur, ähnlich einer Defekt-Pixel-Korrektur, korrigiert werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Anzahl der störenden Pixel je nach Betriebsfall der Kamera im einstelligen Prozentbereich bewegt.

Grundlegendes Verfahren

Aufgrund der Vielzahl der Pixel und des zeitlich veränderlichen Verhaltens wird eine dynamische Korrektur mit einem 9×1 Filter eingesetzt. In der Filterumgebung wird der Grauwert des Pixels mit den Nachbarn verglichen und anhand eines Schwellwertes entschieden, ob es korrigiert wird oder nicht. Somit bedeutet ein hoher Schwellwert, dass ein grosser Grauwertunterschied zwischen Pixel und Umgebung vorhanden sein muss. Das heisst, es werden weniger Pixel korrigiert, als mit einem geringen Schwellwert.

Beispiel der Korrektur

Die nachfolgenden Abbildungen stellen stellen die Korrektur anhand eines Testbildes dar.

Randeffekte

Die Filterung ist eine nicht-lineare Funktion, die sich zum Beispiel auf die EMVA 1288 Messwerte auswirkt. In diesem Fall treten unplausible Werte auf. Weiterhin hat eine derartige Filterung Auswirkungen auf das Auflösungsvermögen bzw. die Modulation-Transfer-Function (MTF) des Kamerasystems. Es kommt zu einer Abnahme des Auflösungsvermögens aufgrund von verschliffenen Kanten.

Da die Korrektur nur in Zeilenrichtung arbeitet, sind feine vertikale Strukturen unter Umständen von Artefakten betroffen. Dies ist jedoch abhängig von verschiedenen Einflussgrössen, wie der Grösse der Struktur, Muster / Wiederholung und Auflösungsvermögen (Schärfe) des Objektivs. Die nachfolgenden Abbildungen geben einen Eindruck von möglichen Artefakten, die unter Umständen auftreten können.

Eine weitere Möglichkeit der Korrektur des Pixel-FPN ist eine Flat-Field-Correction für das gesamte Bild. Die RTS-Pixel können mit dieser Korrektur aber nicht adressiert werden. Weiterhin sind dynamische Ansätze mit grösseren Filterumgebungen denkbar, die auch in vertikaler Richtung Strukturen berücksichtigen.

Bei Fragen kontaktieren Sie bitte unser Technical & Application Support Center.

Tel.: +49 3528 4386 845
E-Mail: [email protected]