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Ein Beitrag zur Gestaltung von Regelkreisen in CCDVideokameras zur optimalen Bilddarstellung auf
Monitoren
1.
Zielstellung
Viele Anwendungen von CCD-Videokameras beinhalten veränderliche
Aufnahmebedingungen. Dabei kann sich sowohl die Beleuchtungsquelle als auch das
abzubildende Objekt verändern.
Üblicherweise verfügen CCD-Videokameras über Regelkreise für Belichtungszeit und
Verstärkung, um unter unterschiedlichen Aufnahmebedingungen das Objekt auf einem
Monitor optimal abzubilden.
Als Beispiele für solche Anwendungen seien an Röntgenbildverstärker gekoppelte CCDKameras, Endoskopiekameras für die minimal invasive Chirurgie und Überwachungskameras
genannt.
Folgend sollen einige Regelkreise bzgl. der erreichbaren Genauigkeit, ihrer Störungsfestigkeit
und ihres zeitlichen Verhaltens näher betrachtet werden.
Im weitesten Sinne können Operationen einer Kamera auf die Bilddaten auch als
Bildverarbeitung aufgefasst werden. Um eine gewisse Abgrenzung zur Bildverarbeitung zu
schaffen, wollen wir uns hier auf sogenannte globale Operationen beschränken, also
Veränderungen, die sich gleichermaßen auf die Signale aller Pixel auswirken. Auch soll die
Physik des Sensors und des Lichts mit in Betracht gezogen werden. Dieser Hintergrund wird
im Bereich der klassischen Bildverarbeitung auf Grund der Abstraktion auf digitale Daten
üblicherweise nicht mehr beachtet.
2.
Modell einer CCD-Videokamera
Die nachfolgende Betrachtung von Regelkreisen setzt eine Modell der CCD-Videokamera
voraus, welches aus folgenden Komponenten besteht und vom Signal in der gegebenen
Reihenfolge durchlaufen wird:
CCD mit Belichtungszeitsteuerung
CCD-Parameter:
Full Well Capactity:
40 000 e-
PRNU
abhängig von der Größe des betrachteten
Gebietes
50 x 50 Pixel
STDPRNU = 2%
1
Dunkelsignal
auf Grund 20ms Integrationszeit
vernachlässigbar
Diese hier getätigten Annahmen gelten z.B. für einen 1/2" Video CCD Sony ICX 039DLA.
Schwarzwertklemmung
Mittels der Schwarzwertklemmung wird ein DC-gekoppeltes Signal mit stabilem
Schwarzwert erzeugt. Als Eingangssignal für die Schwarzwertklemmung dienen die dark
reference Pixel des CCD.
Um einen sicheren Schwarzwert zu finden, wird der Mittelwert aus mehreren dark reference
Pixeln gebildet.
Die DC-Kopplung ist für die weiteren Verarbeitungsstufen notwendig um Übersteuerungen
zu vermeiden und den Wandlungsbereich des ADC optimal auszunutzen. Realisiert wird sie
indem in einem gleichspannungsgekoppelten Signalweg eine Offsetspannung zum CCDSignal addiert wird, so dass der digitale Wandlungswert der dark reference Pixel im Mittel
größer 0 ist und konstant bleibt. Dieser Wandlungswert muss hinreichend groß sein so dass
kein Wert eines dark reference Pixels den Wert 0 erreicht und damit ein Signalklipping
vermieden wird.
Offsetkorrektur
Gewisse Szenen haben die Eigenschaft, dass alle Pixel gleichermaßen einen konstanten
Signalanteil (Offset) vor dem eigentlichen Signal haben. Das tritt z.B. in der Röntgentechnik
(Dämpfung der Röntgenstrahlung immer kleiner 100%) und bei Verwendung von extrem
langbrennweitigen Objektive auf. Im Sinne einer optimalen Darstellung der Szene auf dem
Monitor ist es sinnvoll, diesen gemeinsamen Offset vom Signal abzuziehen und den
Signalverlust durch Nachverstärkung auszugleichen.
Dieses Verfahren erhöht extrem die Erkennbarkeit von Objekten in einer Szene, wird aber nur
von wenigen Kameraherstellern in den Signalweg implementiert.
Einstellbarer Verstärker
Der einstellbare Verstärker ermöglicht eine Multiplikation des Signals mit den Faktoren
1...10 (0dB...20dB).
Entsprechend wird das Rauschen mitverstärkt.
ADC
2
Für die Analyse wird ein 12 Bit ADC angenommen. Alle angegebenen Daten beziehen sich
auf 12 Bit (Wertebereich 0...4095)
Damit beträgt die Systemübertragungsfunktion bei 0 dB Verstärkung
10e-/count
Das Rauschen der digitalen Daten (Elektronikrauschen) wurde bei 0dB Verstärkung mit
STDADC = 3LSB ermittelt.
Messmaschine
Das digitalisierte Videosignal wird einer Messmaschine zugeführt, um aus den Daten
Informationen für die Regelkreise Belichtungszeitsteuerung, Schwarzwertklemmung,
Offsetkorrektur und Verstärkungsregelung zu ermitteln.
Die Messmaschine wird realisiert mittels eines komplexen programmierbaren Logikbausteins.
Sie ermöglicht die Definition eines Messfensters innerhalb dessen aus dem Signal der Pixel
das Minimum, Maximum und der Mittelwert gewonnen wird.
3.
Szene
Nachfolgend sollen einige Annahmen über Eigenschaften der aufzunehmenden Szene getätigt
werden. Auch wenn diese durchaus sehr unterschiedlich entsprechend einer konkreten
Anwendung sein können, ist es notwendig für eine Analyse einige grundlegende Annahmen
zu treffen.
Da CCDs zwischen 400nm und 1100nm lichtempfindlich sind entstehen Signalphotonen
mittels Reflektion der Strahlung einer leuchtenden Quelle am Objekt. Dieser Fall soll hier
untersucht werden
Damit ist die Dynamik in einer Szene (bei hinreichender Ausdehnung einzelner Objekte)
über deren Abstand und Reflektionskoeffizienten bestimmt und erreicht schnell Werte von
60dB und mehr. Extrem wird die Situation beim Auftreten von Objekten mit einem
Reflektionkoeffizienten ca. 1 (z.B. Spiegel eines PKW, chirurgische Instrumente).
Diese "bright spots" sind um den Faktor 100 bis 1000 heller als ihre Umgebung.
Unsere Messungen zeigen, dass eine mittlere Sättigung von 25% des CCD bei
natürlichen Szenen zu einem subjektiv guten Bildeindruck führen, natürlich unter
Inkaufnahme partieller Überstrahlungen und Unterbelichtungen.
Für die ersten einfachen Analysen soll eine zeitlich konstante Szene angenommen werden.
4.
Monitor
Hauptproblem bei der Darstellung eines Videosignals auf einem (Röhren)Monitor ist dessen
endlicher Dynamikbereich, was die Anzahl der darstellbaren Graustufen im günstigsten Fall
auf ca. 7 Bit begrenzt. Dies lässt sich mittels einfacher Testgeneratoren /Software zeigen,
ebenfalls sind diese ein geeignetes Mittel zur optimalen Einstellung von Helligkeit und
Kontrast des Monitors.
3
5.
Genauigkeit der Messdaten
Nachfolgend soll abgeschätzt werden, wie genau die Objektdaten in Videosignal repräsentiert
werden. Dabei ist es prinzipiell gleichgültig, ob der Signalwert desselben Pixels bei
konstanter Szene von Aufnahme zu Aufnahme betrachtete wird oder das Signal eines über
mehrere Pixel ausgedehnten Objektes innerhalb einer Aufnahme.
0 dB Verstärkung
mittlere Elektronenzahl in den CCD-Pixeln bei 25% Sättigung:
daraus infolge des Poissonprozesses ein Rauschen von
10 000e-
STDPOI = 100e-
infolge der PRNU ergibt sich ein Rauschen von 2% von 10 000eSTDPRNU = 200e-
hinzu kommt das auf Elektronen umgerechnete
Elektronikrauschen mit
STDEL = 30e-
Die geometrische Addition der unkorrelierten Eingangsgrößen führt auf ein Rauschen von
STD 0dB = 226 eentsprechend 22.6 counts
Damit beträgt die Messgenauigkeit eine Pixels ca. 2% vom Signalwert bei 25%
Aussteuerung.
Unterstellt man eine gaussförmige Amplitudenverteilung, so können die max. Grenzen mit
+/- 6% angenommen werden.
20 dB Verstärkung
mittlere Elektronenzahl in den CCD-Pixeln bei 25% Videosignal:
daraus infolge des Poissonprozesses ein Rauschen von
welches sich im Videosignal nach 20dB Verstärkung
widerspiegelt mit
1000e-
STDPOI = 32e-
STDPOIV = 320e-
infolge der PRNU ergibt sich ein Rauschen von 2% von 1000eSTDPRNU = 20ewelches sich im Videosignal nach 20dB Verstärkung
4
widerspiegelt mit
STDPRNUV = 200e-
hinzu kommt das auf Elektronen umgerechnete
Elektronikrauschen nach 20dB Verstärkung mit
STDELV = 300e-
Die geometrische Addition der unkorrelierten Eingangsgrößen führt auf ein Rauschen von
STD 20dB = 482 eentsprechend 48.2 counts
Damit beträgt die Messgenauigkeit eine Pixels ca 5% vom Signalwert.
Unterstellt man eine gaussförmige Amplitudenverteilung, so können die max. Grenzen mit
+/- 15% angenommen werden.
Aus obigen Abschätzungen ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:
Das Rauschen eines einzelnen Pixels innerhalb einer Szene ist insbesondere bei maximaler
Verstärkung zu groß um es als Eingangsgröße für eine Regelung (5 % genau) zu verwenden.
Eine geforderte Regelgenauigkeit von ca. 5% erfordert die Mittelung von mehreren Pixeln.
Aus dieser zunächst trivial klingenden Erkenntnis folgt andererseits das u. U. die
Übersteuerung einzelner Pixel nicht zu vermeiden ist.
Für die dark reference Pixel gilt näherungsweise nur das Elektronikrauschen welches mit der
Verstärkung zunimmt.
Um einen Maximalen Dynamikbereich am ADC sicherzustellen ist es sinnvoll, den Zielwert
für die Schwarzwertregelung mit der Vertärkung zu erhöhen.
Ebenfalls bewirkt ein Mittelwert aus mehreren Pixeln das die Regelung für Integrationszeit
und Verstärkung in gewissen Maße resistent gegenüber partiellen Überstrahlungen ist.
Nachfolgend soll untersucht werden, wie sich ein " Bright Spot " auf das Ergebnis einer
Mittelwertregelung auswirkt.
Dabei wird davon ausgegangen, dass wie im Abschnitt Szene beschrieben, ein " Bright Spot "
immer zur vollständigen Sättigung von Pixeln führt:
Damit wird eine mittelwertbezogene Integrationszeit- oder Verstärkungsregelung die Werte
der übrigen Pixel des Messfensters soweit reduzieren, bis der Mittelwert aus " Bright Spot"
Pixeln und restlichen Pixeln wieder dem Sollwert entspricht.
Es gilt:
NMF
NBS
RF
=
=
=
XS
XMAX
=
=
Anzahl der Pixel im Messfenster
Anzahl der Pixel im Messfenster, die einen " Bright Spot" abbilden
Reduktion des Signals hervorgerufen durch die konstant maximal
gesättigten Pixel des " Bright Spot "
Sollwert der Pixelsignale
Maximalwert der Pixelsignale
5
NMF x XS = ( NMF - NBS) x RF x XS + NBS x XMAX
entsprechend umgeformt ergibt sich:
NBS / NMF = ( XS x (1 - RF)) / ( XMAX - RF x XS)
Für einen Sollwert der Pixelsignale von 1000 counts und eine ebenfalls angenommene
zulässige Abweichung des Sollwerts von 5 % ( RF = 0,95) darf damit das Verhältnis der
" Bright Spot " Pixel zum gesamten Messfenster nicht größer sein als
NBS / NMF = 1,59%.
Damit ist festzustellen, dass der Einfluss eines " Bright Spot " auf das Regelergebnis einer
integralen Regelung relativ gering ist. Von der anderen Seite betrachtet werden aber wenige
helle Pixel aber immer überstrahlt sein.
7.
Reaktionsgeschwindigkeit und zeitliche Verschachtelung der Regelkreise
Bei CCD - Interlinesensoren verlaufen Integrationsphase und Auslesephase zeitlich parallel.
Damit ist bereits eine neue Ladungsintegration abgeschlossen, wenn das komplette
Videosignal die Verarbeitungskette einschließlich der Messmaschine durchlaufen hat.
Somit können Änderungen an der Integrationszeit sinnvoll nur zu jedem zweiten Zyklus
vorgenommen werden.
Die übrigen Regelungen können theoretisch aus jedem Videobild Informationen ziehen und
Einflussgrößen ableiten.
Aus der kettenförmigen Anordung der einzelnen Stufen folgt deren gegenseitige
Beeinflussung. Besondere Bedeutung kommt der Schwarzwertregelung zu, da sie das Signal
für die anderen Stufen entsprechend normiert.
Da eine CCD - Videokamera wie oben erwähnt ein zeitdiskret arbeitendes System ist
erscheint es sinnvoll, eine zeitliche Abfolge der einzelnen Regelzyklen festzulegen.
Geeignet ist dafür eine Tabelle, die Auslesezyklen des CCD modulo m hochzählt
und bei den entsprechende Stufen einzelne Regelungen startet.
Durch Parametrisierung der Tabelleninhalte sind effektive Tests und Optimierungen
der einzelnen Regelkreise möglich.
8.
Diskussion
Eine CCD-Videokamera stellt mit ihren Regelkreisen ein komplexes
informationsverarbeitendes System dar.
6
Im Beitrag wurden einige einfache sensorspezifische und signaltheoretische Probleme dieser
Regelkreise angesprochen.
Für anspruchsvolle Visualisierungsaufgaben ist ein tieferes Verständnis und entsprechende
Optimierung der Regelkreise unerlässlich.
Dies kann nur in Zusammenarbeit mit dem Kamerahersteller geschehen.
Der Hoffnung, das sich diese Problematik durch den Einsatz von hochdynamischen CMOSSensoren quasi von selbst erledigt, muss widersprochen werden. Spätestens bei der Reduktion
der Bitzahl des Sensors auf die des Monitors ist ein Regelkreis zu entwerfen.
Dr.-Ing. Bernd Schlichting
KAPPA Opto-electronics GmbH
Gleichen
05508-974-0
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