基于CPLD的图像传感器非均匀性校正

图像传感器是现代视觉信息获取的一种基础器件,它将入射到光敏面上按空间分布的光强信息转换为按时序输出的视频信号,从而能够再现物体的图像信息. 在理想的情况下,当图像传感器受均匀光照时,各光敏元输出的视频信号幅度应该完全相同. 但实际上,由于制作器件的工艺水平、1/f 噪声、光学系统以及电荷传输效率等诸多因素的影响,产生了非均匀性问题,使得在相同的辐照度下,每个光敏元的响应度不可能完全一致,甚至有较大的差异 .

图像传感器的非均匀性直接影响了成像系统的探测灵敏度和空间分辨率,用这样的成像装置观察景物,成像质量必然受到影响,甚至图像会模糊不清. 因此,必须对非均匀性进行校正. 尽管针对非均匀性校正的研究多种多样,但目前在商业上有推广价值的还是2点法,专家和工程师们的着眼点依然是修正和完善2点法,如提高精度和算法处理速度. 此外,一些非线性校正方法,如神经网络校正法、时域高通滤波器法还处于实验室研究阶段.

图像传感器光敏元的光电转换特性曲线反映了其输出(U )与辐照度(H)之间的关系,因此,非均匀性体现为各个光敏元具有各不相同的光电转换曲线. 非均匀性校正的最终目的就是通过校正处理使得图像传感器所有光敏元表现出完全相同的光电转换关系. 2点法是在光敏元的输出与辐照度成线性关系的前提下建立的,它以某一直线作为标准,通过选择合适的斜率和偏置校正系数,将所有光敏元的转换特性均校正为与标准直线重合(即有相同的线性函数) ,从而使所有的光敏元在相同的辐照度下,有相同的输出.

实际上,光敏元的输出与辐照度两者之间通常被认为服从抛物线模型. 显然, 2点法所采用的线性近似是比较粗糙的,使其应用范围局限于图像传感器光电转换线性较好或工作范围较窄的情况. 为此,笔者引入了多点校正方法,该方法将整个饱和辐照度区域划分成若干子区域,每个子区域的光敏元输出与辐照度的关系采用线性函数表示,从而能够更好地逼近抛物线模型,并将图像传感器的工作范围扩展到整个饱和辐照度区域. 为实现多点校正法,笔者设计了基于复杂可编程逻辑器件的硬件校正实现方案,实验表明,该校正系统可将图像传感器CL512J的非均匀度由40%校正到2%. 因此,多点校正法及其实现系统能在不提高制造工艺和进一步研究光敏元结构的基础上,有效地降低图像传感器的非均匀性,获得较为理想的图像质量.

1　非均匀性多点校正法

如果直接利用光电转换关系的抛物线模型进行校正,硬件实现较为困难. 因此,引入多点校正法,利用分段线性函数来逼近非线性响应关系,即将整个饱和辐照度区域划分成若干个子区域,每个子区域的光电转换关系采用线性函数逼近,然后分别对每个子区域采用2点法进行校正处理. 显然,多点校正法是2点校正法的扩展. 假设进行n点校正, 图1给出了在辐照度子区域(Hj, Hj+1 ) ( j = 1, ., n - 1; Hj+1>Hj )的校正示意图.


图1　2点校正法示意图
　　
图中,直线a和b分别表示图像传感器中a和b 2个光敏元在(Hj , Hj+1 )区域内的光电转换特性的逼近直线,直线c表示校正后2个光敏元的转换特性.

从图1可看出,在Hj和Hj+1辐照度下,校正前a和b光敏元的视频输出值分别为Uaj、Ua(j+1) 、Ubj和Ub(j+1) . 由于非均匀性的存在,使得Uaj ≠Ubj、U a (j+1) ≠U b(j+1) . 校正后, a和b 2个光敏元在H j和H j+1辐照度下,均分别有相同的输出: Ucj和Uc(j+1) . 同时也保证了在(Hj , Hj+1 )区域内,相同辐照度下2个光敏元均有相同的输出. 直线i ( i = a, b)可表示为:



式中, Uij为i光敏元校正前的输出; Kij、bij分别为对应直线的斜率和偏置常数为使a和b光敏元的转换特性经校正后均表现为直线c所表示的转换关系,按以下2式选择斜率校正系数Gij和偏置校正系数Cij.



式(2)中, Kc为常数, 表示直线c的斜率. 对Kc的选择具有很强的随意性, 通常选取所有光敏元中最大斜率的光电转换直线或者取过2个不同光照下各个光敏元的算术平均值的直线作为标准. 笔者则以获取尽可能大的Gij作为标准, 因此, 由Gij (最大取值可为250)和(Ui(j+1) - Uij )值可确定(Uc(j+1) - Ucj )值的范围,从而确定Kc值. 同时保证校正后的视频输出值在饱和辐照度范围内随辐照度增强而增大.

式(3)中,Mj为常数. 在保证光电转换曲线分段线性化后的连续性和单值性的情况下,Mj值等于分段点Hj校正后的视频电压值. 同时, 结合Uij以及选择合适的Gij ,保证获取尽可能大Cij. 因此,校正后的视频输出Uc可表示为:



将式(1) 、式(2)和式(3)代入式(4) ,经整理后得:



可见,因为Kc、Mj和Hj均为常数, 经过校正处理后, 在同一辐照度下, 2个光敏元都有相同的视频输出电压并且输出电压值与辐照度大小成一一对应的线性关系. 同理,对有m 个光敏元的传感器采用上述校正原理和校正算法可实现其非均匀性校正.
　
此外,由于不同图像传感器的光电转换曲线各不相同,所以,在辐照度区域的划分时,各边界点应根据具体传感器的特性加以选择,不能一概而论. 笔者所采取的选取原则是,采用实验测取数据,拟合出曲线的大致变化情况,再进行辐照度区域划分.