基于CPLD的圖像傳感器非均勻性校正研究

　　圖像傳感器是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件,它將入射到光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為按時(shí)序輸出的視頻信號(hào),從而能夠再現(xiàn)物體的圖像信息. 在理想的情況下,當(dāng)圖像傳感器受均勻光照時(shí),各光敏元輸出的視頻信號(hào)幅度應(yīng)該完全相同. 但實(shí)際上,由于制作器件的工藝水平、1/f 噪聲、光學(xué)系統(tǒng)以及電荷傳輸效率等諸多因素的影響,產(chǎn)生了非均勻性問題,使得在相同的輻照度下,每個(gè)光敏元的響應(yīng)度不可能完全一致,甚至有較大的差異。

　　圖像傳感器的非均勻性直接影響了成像系統(tǒng)的探測靈敏度和空間分辨率,用這樣的成像裝置觀察景物,成像質(zhì)量必然受到影響,甚至圖像會(huì)模糊不清. 因此,必須對(duì)非均勻性進(jìn)行校正. 盡管針對(duì)非均勻性校正的研究多種多樣,但目前在商業(yè)上有推廣價(jià)值的還是2點(diǎn)法,專家和工程師們的著眼點(diǎn)依然是修正和完善2點(diǎn)法,如提高精度和算法處理速度. 此外,一些非線性校正方法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正法、時(shí)域高通濾波器法還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

　　圖像傳感器光敏元的光電轉(zhuǎn)換特性曲線反映了其輸出(U )與輻照度(H)之間的關(guān)系,因此,非均勻性體現(xiàn)為各個(gè)光敏元具有各不相同的光電轉(zhuǎn)換曲線. 非均勻性校正的最終目的就是通過校正處理使得圖像傳感器所有光敏元表現(xiàn)出完全相同的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系. 2點(diǎn)法是在光敏元的輸出與輻照度成線性關(guān)系的前提下建立的,它以某一直線作為標(biāo)準(zhǔn),通過選擇合適的斜率和偏置校正系數(shù),將所有光敏元的轉(zhuǎn)換特性均校正為與標(biāo)準(zhǔn)直線重合(即有相同的線性函數(shù)) ,從而使所有的光敏元在相同的輻照度下,有相同的輸出。

　　實(shí)際上,光敏元的輸出與輻照度兩者之間通常被認(rèn)為服從拋物線模型. 顯然, 2點(diǎn)法所采用的線性近似是比較粗糙的,使其應(yīng)用范圍局限于圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換線性較好或工作范圍較窄的情況. 為此,筆者引入了多點(diǎn)校正方法,該方法將整個(gè)飽和輻照度區(qū)域劃分成若干子區(qū)域,每個(gè)子區(qū)域的光敏元輸出與輻照度的關(guān)系采用線性函數(shù)表示,從而能夠更好地逼近拋物線模型,并將圖像傳感器的工作范圍擴(kuò)展到整個(gè)飽和輻照度區(qū)域. 為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)校正法,筆者設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件的硬件校正實(shí)現(xiàn)方案,實(shí)驗(yàn)表明,該校正系統(tǒng)可將圖像傳感器CL512J的非均勻度由40%校正到2%. 因此,多點(diǎn)校正法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能在不提高制造工藝和進(jìn)一步研究光敏元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,有效地降低圖像傳感器的非均勻性,獲得較為理想的圖像質(zhì)量。

　　1　非均勻性多點(diǎn)校正法

　　如果直接利用光電轉(zhuǎn)換關(guān)系的拋物線模型進(jìn)行校正,硬件實(shí)現(xiàn)較為困難. 因此,引入多點(diǎn)校正法,利用分段線性函數(shù)來逼近非線性響應(yīng)關(guān)系,即將整個(gè)飽和輻照度區(qū)域劃分成若干個(gè)子區(qū)域,每個(gè)子區(qū)域的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系采用線性函數(shù)逼近,然后分別對(duì)每個(gè)子區(qū)域采用2點(diǎn)法進(jìn)行校正處理. 顯然,多點(diǎn)校正法是2點(diǎn)校正法的擴(kuò)展. 假設(shè)進(jìn)行n點(diǎn)校正, 圖1給出了在輻照度子區(qū)域(Hj, Hj+1 ) ( j = 1, ., n - 1; Hj+1>Hj )的校正示意圖。

圖1　2點(diǎn)校正法示意圖

　　圖中,直線a和b分別表示圖像傳感器中a和b 2個(gè)光敏元在(Hj , Hj+1 )區(qū)域內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換特性的逼近直線,直線c表示校正后2個(gè)光敏元的轉(zhuǎn)換特性。