플랫 필드 보정

플랫 필드 보정(FFC)은 디지털 이미징의 품질을 향상시키기 위해 사용되는 기술이다. 검출기(Detector)의 픽셀 대 픽셀 감도의 변화, 광학 경로의 왜곡에 의한 영상 아티팩트의 영향을 취소한다. 개인용 디지털 카메라부터 대형 망원경까지 모든 면에서 표준 교정 절차다.

개요

플랫 필드링은 검출기에서 서로 다른 이득과 암류를 보상하는 과정을 말한다. 일단 검출기를 적절히 평판화하면 균일한 신호가 균일한 출력(평판화)을 생성한다. 그러면 이는 추가적인 신호가 감지되는 현상에 기인하며 체계적인 오류가 아니라는 것을 의미한다.

평면영상은 균일하게 발광된 화면을 영상화하여 획득하므로 프레임 전체에 걸쳐 균일한 색상과 밝기의 이미지를 생성한다. 핸드헬드 카메라의 경우, 화면은 팔 길이 정도의 종이가 될 수 있지만, 조도가 균일하고 별들이 거의 보이지 않는 황혼 무렵에 망원경이 자주 깨끗한 하늘의 조각들을 그려낼 것이다.^[1] 일단 영상이 획득되면 처리가 시작될 수 있다.

플랫 필드는 각 픽셀에 대해 픽셀의 이득과 어두운 전류(또는 어두운 프레임)의 두 개의 숫자로 구성된다. 픽셀의 이득은 검출기에 의해 주어진 신호의 양이 빛의 양(또는 등가물의 양)의 함수에 따라 어떻게 달라지는가 하는 것이다. 이득은 거의 항상 선형 변수로서, 그러한 이득은 단순히 입력 신호와 출력 신호의 비율로 주어진다. 다크 전류는 입사광선이 없을 때 검출기가 방출하는 신호량(검은 프레임)이다. 많은 검출기에서 이것은 시간의 함수가 될 수 있다. 예를 들어, 천문학 망원경에서는 계획된 빛 노출과 같은 시간에 어두운 프레임을 취하는 것이 일반적이다. 광학 시스템의 게인 및 다크프레임도 일련의 중립 밀도 필터를 사용하여 입출력 신호 정보를 제공하고 암흑 전류 및 게인 값을 얻기 위해 최소 제곱을 적용하여 설정할 수 있다.

${\displaystyle C={{(R-D)*m} {(F-D)}}}={(R-D)*G}$

여기서:

• C = 보정된 영상
• R = 원시 이미지
• F = 플랫 필드 이미지
• D = 어두운 필드 또는 어두운 프레임
• m = (F-D)의 이미지 평균 값
• G = 게인 = $m\frac{{\displaystyle }}{F}$- D$\frac{}{}$) ${\$ 스타일 m$\over(F-D)}$

이 방정식에서 대문자는 2D 행렬이고 소문자는 스칼라이다. 모든 매트릭스 연산은 요소별로 수행된다.

천체사진술사가 광 프레임을 포착하려면 광원이 사용자 광학기를 통해 고르게 발산되도록 영상기기의 객관적 렌즈 위에 광원을 배치해야 한다. 그런 다음 사진사는 이미지의 히스토그램을 볼 때 영상 장치의 동적 범위(픽셀 값의 최대 범위)의 약 40~70%에 이르는 피크가 보이도록 영상 장치(CCD) 또는 디지털 단일 렌즈 반사 카메라(DSLR)의 노출을 조정해야 한다. 사진작가는 일반적으로 15~20개의 광선 프레임을 가지고 중앙분리대를 쌓는다. 원하는 조명 프레임을 획득한 후에는 빛이 들어오지 않도록 목표 렌즈를 덮은 다음 15–20개의 어두운 프레임을 취하며 각 노출 시간은 조명 프레임과 동일하다. 이것을 다크 플래트 프레임이라고 한다.

X선 영상촬영에서

X선 영상촬영에서 획득한 투영 영상은 일반적으로 영상 화질의 제한 요인 중 하나인 고정 패턴 노이즈에 시달린다. 광자 변환 수율의 불균형, 광자 변환 수율의 불균형으로 인한 검출기 응답의 변화, 충전 손실, 충전 트랩 또는 판독 성능의 변화에서 비롯될 수 있다. 또한 섬광기 스크린은 표면에 먼지 및/또는 긁힌 자국이 누적되어 획득한 모든 X선 투영 영상에 체계적인 패턴이 발생할 수 있다. X선 컴퓨터단층촬영(CT)에서 고정형 노이즈는 달성 가능한 공간 분해능을 현저히 저하시키는 것으로 알려져 있으며 일반적으로 재구성된 영상에서 링 또는 밴드 아티팩트로 이어진다. 고정 패턴 노이즈는 플랫 필드 보정을 통해 쉽게 제거할 수 있다. 기존의 플랫 필드 보정에서는 샘플이 없는 투영 영상을 X선 빔을 켠 상태에서 획득하는데, 이를 플랫 필드(F)와 다크 필드(D)라고 한다. 획득한 플랫 및 다크 필드를 기반으로, 샘플과 함께 측정된 투영 영상(P)은 다음에 따라 새 영상(N)으로 정규화된다.^[3]

${\displaystyle N={(P-D)}\over {(F-D)}}}$

동적 플랫 필드 보정

기존의 플랫 필드 보정은 고정 패턴 노이즈를 크게 감소시키는 우아하고 쉬운 절차지만, X선 빔, 섬광기 응답 및 CCD 감도의 역학성에 크게 의존한다. 그러나 실제로 이러한 가정은 근사적으로만 충족된다. 실제로 검출기 요소는 강도에 따라, 비선형 응답 기능으로 특징지어지며, 입사 빔은 흔히 시간에 의존하는 불균일성을 보여, 기존의 FFC를 부적절하게 만든다. 싱크로트론 X선 단층 촬영에서 많은 요인들이 플랫 필드 변동을 일으킬 수 있다: 싱크로트론의 휨 자석의 불안정성, 미러와 단색화기의 수냉으로 인한 온도 변화 또는 섬광기와 기타 빔라인 구성 요소의 진동. 후자는 평야에서 가장 큰 변동을 담당한다. 그러한 변동을 다루기 위해, 각 개별 투영에 대해 플랫 필드를 추정하는 동적 플랫 필드 보정 절차를 사용할 수 있다. 실제 스캔 이전 및/또는 후방으로 획득되는 플랫 필드 집합의 주성분 분석을 통해 고유 플랫 필드를 계산할 수 있다. 그런 다음 가장 중요한 고유 플랫 필드의 선형 조합을 사용하여 각 X선 투영을 개별적으로 정규화할 수 있다.^[3]

${\displaystyle N_{j}={{{}={{P_{j}-{\bar{D}}}{{\bar {F}+\sum_{k}w_{jk}u_{{\bar {D}}}}이상 \}}}}$

• ${\displaystyle N_{}}$ ${\displaystyle j_{}}$ ${\$ $$= 강도 정규화된 X선 투영
• ${\displaystyle P_{}}$ ${\displaystyle j_{}}$ ${\$ =$$ 원시 X선 투영
• ${\displaystyle \stackrel{}{F}}$의${\$ $$= 평균 플랫 필드 이미지(플랫 필드 평균)
• ${\displaystyle u_{}}$ ${\displaystyle k_{}}$ ${\$ $$= k-th번째 고유 플랫 필드
• ${\displaystyle w_{}}$ ${\displaystyle j_{}}$ ${\displaystyle k_{}}$ ${\$ $$= 고유 플랫 필드 $u{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle k_{}}$ ${\$의 중량
• ${\displaystyle \stackrel{\text{'}}{D}}$ ${\$ $$= 평균 다크 필드(암흑 필드의 평균)

참고 항목

• 바이어스 프레임
• 다크 프레임
• 고정형 노이즈
• 비그닝

참조

• 올슨, 더그; 두, 창용.; 장, 샤오둥; 후, 롄보.; 김, 호진;; 힐덤, 에드워드. AgCam; 원격 센서 2010, 2, 464-477의 방사선량 보정
• V. Van Nieuwenhove, J. De Beenhouwer, F. De Carlo, L. Mancini, F. Marone, and J. Sijbers (2015). "Dynamic intensity normalization using eigen flat fields in X-ray imaging". Optics Express. 23 (21): 27975–27989. Bibcode:2015OExpr..2327975V. doi:10.1364/OE.23.027975. hdl:10067/1302930151162165141. PMID 26480456.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)

외부 링크

• 플랫 필드 보정