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信息轉(zhuǎn)換為按時序輸出的視頻信號,從而能夠再現(xiàn)物體的圖像信息. 在理想的情況下,當圖像傳感器受均勻光照時,各光敏元輸出的視頻信號幅度應(yīng)該完全相同. 但實際上,由于制作器件的工藝水平、1/f 噪聲、光學系統(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,甚至圖像會模糊不清. 因此,必須對非均勻性進行校正. 盡管針對非均勻性校正的研究多種多樣,但目前在商業(yè)上有推廣價值的還是2點法,專家和工程師們的著眼點依然是修正和完善2點法,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、時域高通濾波器法還處于實驗室研究階段。

　　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準,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準直線重合(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。

　　實際上,光敏元的輸出與輻照度兩者之間通常被認為服從拋物線模型. 顯然, 2點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,筆者引入了多點校正方法,該方法將整個飽和輻照度區(qū)域劃分成若干子區(qū)域,每個子區(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展到整個飽和輻照度區(qū)域. 為實現(xiàn)多點校正法,筆者設(shè)計了基于復雜可編程邏輯器件的硬件校正實現(xiàn)方案,實驗表明,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,多點校正法及其實現(xiàn)系統(tǒng)能在不提高制造工藝和進一步研究光敏元結(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　非均勻性多點校正法

　　如果直接利用光電轉(zhuǎn)換關(guān)系的拋物線模型進行校正,硬件實現(xiàn)較為困難. 因此,引入多點校正法,利用分段線性函數(shù)來逼近非線性響應(yīng)關(guān)系,即將整個飽和輻照度區(qū)域劃分成若干個子區(qū)域,每個子區(qū)域的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系采用線性函數(shù)逼近,然后分別對每個子區(qū)域采用2點法進行校正處理. 顯然,多點校正法是2點校正法的擴展. 假設(shè)進行n點校正, 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個光敏元的轉(zhuǎn)換特性。