Measuring the noise of imaging sensors in the presence of vibrations and illumination flickering: modeling, algorithm, and experiments - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Accéder directement au contenu
Rapport (Rapport De Recherche) Année : 2015

Measuring the noise of imaging sensors in the presence of vibrations and illumination flickering: modeling, algorithm, and experiments

Mesure du bruit des capteurs d'images en présence de vibrations et d'un scintillement de l'illumination: modélisation, algorithme et expériences

Michel Grediac
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 866100

Résumé

This report discusses camera noise estimation from a series of raw images of an arbitrary natural static scene, acquired with the same camera settings. Although it seems natural to characterize noise from the random time fluctuation of pixel intensity, it turns out that these fluctuations may also be caused by illumination flickering and mechanical micro-vibrations affecting the camera. In this context, the contributions are twofold. First, a theoretical model of image formation in the presence of illumination flickering and of vibrations is discussed. This parametric model is based on a Cox process. It is shown that illumination flickering changes the standard affine relation between noise variance and average intensity to a quadratic relation. Second, under these conditions an algorithm is proposed to estimate the main parameters governing sensor noise, namely the gain, the offset, and the read-out noise. The rolling shutter effect, which potentially affects the output of any focal-plane shutter camera, is also considered. Experiments show that this simple method gives results consistent with the photon transfer method which needs a special experimental setting and several data acquisitions, and with an algorithm based on a single image. The main practical result is to show that flickering, which is generally considered as an artifact, plays here a positive role since it finally enables us to estimate any of the sensor parameters. This report provides additional experiments to a published paper.
Ce rapport traite de l'estimation du bruit d'une caméra à partir d'une séquence d'images brutes d'une scène naturelle statique, acquise avec des réglages de caméra constants. Bien qu'il semble naturel de caractériser le bruit à partir des fluctuations aléatoires de l'intensité des pixels au cours du temps, il s'avère que ces fluctuations peuvent être causées par le scintillement de l'illumination et par des micro-vibrations mécaniques affectant la caméra. Dans ce cadre, nous proposons deux contributions. Un modèle théorique de la formation d'une image en présence de scintillement et de vibrations est d'abord discuté. Ce modèle paramétrique est basé sur un processus de Cox. Il est démontré que le scintillement de l'illumination transforme la relation affine classique entre variance du bruit et intensité moyenne en une relation quadratique. Dans ses conditions, un algorithme est ensuite proposé pour estimer les principaux paramètres régissant le bruit d'un capteur, à savoir le gain, le biais, et le bruit de lecture. L'effet "rolling shutter", qui peut affecter la sortie de toute caméra à obturateur plan focal, est également considéré. Des expériences montrent que cette méthode simple donne des résultats cohérents avec la méthode du transfert de photons qui demande un protocole expérimental spécifique et plusieurs acquisitions, et avec un algorithme basé sur une image unique. Le résultat pratique principal est de montrer que le scintillement joue ici un rôle positif car il permet d'estimer tous les paramètres du bruit du capteur. Ce rapport ajoute des expériences supplémentaires à un article publié.
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Dates et versions

hal-01104124 , version 1 (16-01-2015)

Identifiants

  • HAL Id : hal-01104124 , version 1

Citer

Frédéric Sur, Michel Grediac. Measuring the noise of imaging sensors in the presence of vibrations and illumination flickering: modeling, algorithm, and experiments. [Research Report] RR-8672, Inria Nancy - Grand Est (Villers-lès-Nancy, France); Université Blaise Pascal; INRIA. 2015. ⟨hal-01104124⟩
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