Flachfeldkorrektur - Flat-field correction

Die Helligkeitsschwankung aufgrund von Vignettierung , wie hier gezeigt, kann durch selektives Aufhellen des Bildumfangs korrigiert werden.

Die Flachfeldkorrektur (FFC) ist eine Technik zur Verbesserung der Qualität der digitalen Bildgebung . Es hebt die Auswirkungen von Bildartefakten auf, die durch Schwankungen der Pixel-zu-Pixel-Empfindlichkeit des Detektors und durch Verzerrungen im Strahlengang verursacht werden. Es ist ein Standard-Kalibrierungsverfahren für alle Bereiche, von persönlichen Digitalkameras bis hin zu großen Teleskopen.

Überblick

Flat Fielding bezieht sich auf den Prozess der Kompensation unterschiedlicher Verstärkungen und Dunkelströme in einem Detektor. Sobald ein Detektor ein geeignetes Flachfeld aufweist, erzeugt ein gleichmäßiges Signal eine gleichmäßige Ausgabe (daher ein Flachfeld). Dies bedeutet dann, dass jedes weitere Signal auf das erkannte Phänomen und nicht auf einen systematischen Fehler zurückzuführen ist .

Ein Flachfeldbild wird durch Abbilden eines gleichmäßig beleuchteten Bildschirms aufgenommen, wodurch ein Bild mit einheitlicher Farbe und Helligkeit über den Rahmen erzeugt wird. Bei Handkameras kann der Bildschirm ein Stück Papier auf Armeslänge sein, aber ein Teleskop bildet in der Dämmerung häufig einen klaren Himmelsfleck ab, wenn die Beleuchtung gleichmäßig ist und nur wenige, wenn überhaupt, Sterne sichtbar sind. Sobald die Bilder aufgenommen wurden, kann die Verarbeitung beginnen.

Ein Flachfeld besteht aus zwei Zahlen für jedes Pixel, der Verstärkung des Pixels und seinem Dunkelstrom (oder dunklen Rahmen ). Die Verstärkung des Pixels gibt an, wie sich die vom Detektor abgegebene Signalmenge in Abhängigkeit von der Lichtmenge (oder einer äquivalenten Menge) ändert. Die Verstärkung ist fast immer eine lineare Variable, daher wird die Verstärkung einfach als Verhältnis der Eingangs- und Ausgangssignale angegeben. Der Dunkelstrom ist die Signalmenge, die vom Detektor ausgegeben wird, wenn kein Licht einfällt (daher dunkler Rahmen). Bei vielen Detektoren kann dies auch eine Funktion der Zeit sein. Beispielsweise ist es bei astronomischen Teleskopen üblich, einen dunklen Rahmen zur gleichen Zeit wie die geplante Belichtung aufzunehmen. Die Verstärkung und der Dunkelrahmen für optische Systeme können auch festgelegt werden, indem eine Reihe von Neutralfiltern verwendet wird , um Eingangs- / Ausgangssignalinformationen zu erhalten, und eine Anpassung der kleinsten Quadrate angewendet wird, um die Werte für den Dunkelstrom und die Dunkelverstärkung zu erhalten.

wo:

  • C = korrigiertes Bild
  • R = Rohbild
  • F = Flachfeldbild
  • D = dunkles Feld oder dunkler Rahmen
  • m = bildgemittelter Wert von (FD)
  • G = Gewinn =

In dieser Gleichung sind Großbuchstaben 2D-Matrizen und Kleinbuchstaben Skalare. Alle Matrixoperationen werden Element für Element ausgeführt.

Damit ein Astrofotograf einen Lichtrahmen erfassen kann, muss er eine Lichtquelle so über der Objektivlinse des Abbildungsinstruments platzieren, dass die Lichtquelle gleichmäßig durch die Optik des Benutzers austritt. Der Fotograf muss dann die Belichtung seines Bildgebungsgeräts (CCD ( Charge Coupled Device ) oder DSLR ( Digital Single Lens Reflex Camera )) so einstellen , dass beim Betrachten des Histogramms des Bildes ein Peak von etwa 40–70% von erreicht wird Der dynamische Bereich (maximaler Bereich der Pixelwerte) des Abbildungsgeräts wird angezeigt. Der Fotograf nimmt normalerweise 15 bis 20 helle Bilder auf und führt eine mittlere Stapelung durch. Sobald die gewünschten Lichtbilder aufgenommen wurden, wird die Objektivlinse abgedeckt, so dass kein Licht eindringen kann. Anschließend werden 15 bis 20 dunkle Bilder aufgenommen, die jeweils die gleiche Belichtungszeit wie ein Lichtbild haben. Diese werden als Dark-Flat-Frames bezeichnet.

In der Röntgenbildgebung

Bei der Röntgenbildgebung leiden die aufgenommenen Projektionsbilder im Allgemeinen unter Rauschen mit festem Muster, was einer der begrenzenden Faktoren für die Bildqualität ist. Dies kann auf Strahlinhomogenität, Verstärkungsschwankungen der Detektorantwort aufgrund von Inhomogenitäten in der Photonenumwandlungsausbeute, Verlusten beim Ladungstransport, Ladungsfallen oder Schwankungen in der Leistung des Auslesens zurückzuführen sein. Außerdem kann sich auf dem Szintillatorschirm Staub und / oder Kratzer auf seiner Oberfläche ansammeln, was zu systematischen Mustern in jedem aufgenommenen Röntgenprojektionsbild führt. Bei der Röntgen-Computertomographie (CT) ist bekannt, dass Rauschen mit festem Muster die erreichbare räumliche Auflösung erheblich verschlechtert und im Allgemeinen zu Ring- oder Bandartefakten in den rekonstruierten Bildern führt. Festes Musterrauschen kann mithilfe der Flachfeldkorrektur leicht entfernt werden. Bei der herkömmlichen Flachfeldkorrektur werden Projektionsbilder ohne Probe mit und ohne eingeschalteten Röntgenstrahl aufgenommen, die als Flachfelder (F) und Dunkelfelder (D) bezeichnet werden. Basierend auf den erfassten flachen und dunklen Feldern werden die gemessenen Projektionsbilder (P) mit der Probe dann auf neue Bilder (N) normalisiert, und zwar gemäß:

Dynamische Flachfeldkorrektur

Während die herkömmliche Flachfeldkorrektur ein elegantes und einfaches Verfahren ist, das das Rauschen mit festem Muster weitgehend reduziert, hängt sie stark von der Stationarität des Röntgenstrahls, der Szintillatorantwort und der CCD-Empfindlichkeit ab. In der Praxis ist diese Annahme jedoch nur annähernd erfüllt. In der Tat sind Detektorelemente durch intensitätsabhängige, nichtlineare Antwortfunktionen gekennzeichnet, und der einfallende Strahl zeigt häufig zeitabhängige Ungleichmäßigkeiten, die herkömmliche FFC unangemessen machen. Bei der Synchrotron-Röntgentomographie können viele Faktoren zu Flachfeldschwankungen führen: Instabilität der Biegemagnete des Synchrotrons, Temperaturschwankungen aufgrund der Wasserkühlung in Spiegeln und Monochromator oder Vibrationen des Szintillators und anderer Strahllinienkomponenten. Letzterer ist für die größten Schwankungen in den flachen Feldern verantwortlich. Um mit solchen Variationen umzugehen, kann ein dynamisches Flachfeldkorrekturverfahren verwendet werden, das ein Flachfeld für jede einzelne Projektion schätzt. Durch Hauptkomponentenanalyse eines Satzes flacher Felder, die vor und / oder nach dem eigentlichen Scan erfasst werden, können eigene flache Felder berechnet werden. Eine lineare Kombination der wichtigsten flachen Eigenfelder kann dann verwendet werden, um jede Röntgenprojektion einzeln zu normalisieren:

  • = intensitätsnormalisierte Röntgenprojektion
  • = rohe Röntgenprojektion
  • = mittleres Flachfeldbild (Durchschnitt der Flachfelder)
  • = k-te Eigenebene
  • = Gewicht des eigenen flachen Feldes
  • = mittleres Dunkelfeld (Durchschnitt der Dunkelfelder)

Siehe auch

Verweise

Externe Links