專利名稱:一種ccd相機圖像信號處理方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域:
本發(fā)明 涉及一種C⑶相機圖像信號處理方法及系統(tǒng),尤其適用于低照度、弱目標的CCD相機系統(tǒng)。
背景技術(shù):
CCD相機的應用非常廣泛,尤其在圖像質(zhì)量要求非??量痰念I域,如醫(yī)學、天文深空觀測等領域,有著不可替代的地位。在CCD相機設計時最為關注的參數(shù)之一就是相機的信噪比(SNR),而在低照度、弱目標的情形下,讀出噪聲是CCD相機噪聲的主要來源。目前對讀出噪聲抑制方法還是上個世紀70年代提出的相關雙采樣法或基于此方法改進的模擬濾波方法,主要包括相關雙采樣法(CDS)、雙斜積分法、開關指數(shù)濾波法、微分取樣法、反射延遲法、相關四采樣等。這些方法在使用時各有側(cè)重,但它們在本質(zhì)上是相同的,其原理都是利用復位噪聲的緩變特性,采用相關處理技術(shù),即都是通過將視頻信號在一個像素周期內(nèi)進行前后兩次采樣,然后分別送至差動放大器的兩個輸入端,在進行視頻信號放大的同時消除復位噪聲。由此可見,傳統(tǒng)的CCD輸出噪聲處理技術(shù)都是在模擬域進行的。它有多種實現(xiàn)形式,但都是模擬電路實現(xiàn),其頻域特性對于CCD信號噪聲特性而言不是最佳的。傳統(tǒng)CCD相機視頻信號處理鏈路框圖如附圖1所示。傳統(tǒng)方法的不足之處在于1)在抑制噪聲的同時,又由于自身電路的存在(如相關雙采樣電路)不可避免的引入電路噪聲。2)雖然已經(jīng)實現(xiàn)了具有相關雙采樣電路的集成芯片,但要想獲得高性能的噪聲效果,還是得利用分立元件搭建相關雙采樣電路,為此又降低了電路的可靠性。3)如圖1所示,目前采用相關雙采樣技術(shù)在低讀出速率時讀出噪聲限制在2e_水平,在IMHz讀出速率時讀出噪聲通常為6e-水平,無法滿足要求更高的低照度、弱目標天文觀測的應用。因而,必須考慮進一步減小讀出噪聲的新思路和新途徑,以提高光學探測器的動態(tài)范圍尤其對弱光目標的探測能力。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于突破傳統(tǒng)CCD相機噪聲的抑制瓶頸,提出一種數(shù)字域濾波的新方案,具體為一種新的CCD相機圖像信號處理方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)思想是利用高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器以遠高于讀出速率的采樣頻率直接將CCD視頻信號數(shù)字化,然后針對CCD視頻信號讀出噪聲的特性設計數(shù)字信號處理算法,將噪聲抑制到亞電子水平。當前大規(guī)模集成電路技術(shù)尤其是高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)為這一新思路的實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎。該新技術(shù)相對EMCCD技術(shù)具有更強的通用性,不僅能減小CCD讀出噪聲,而且也為用高速低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12bit)實現(xiàn)低速高分辨(16bit)的要求提供了一種技術(shù)途徑。本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下 一種CXD相機圖像信號處理方法,包括以下步驟(I)CXD輸出的像元信號經(jīng)放大后,通過高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路對每個像元信號進行多點采樣;采樣得到的數(shù)據(jù)進行量化后輸出數(shù)字信號;(2)數(shù)字信號進行鎖存和同步處理;(3)通過高速傳輸接口將同步處理后的數(shù)字信號發(fā)送到采集/控制計算機,采集/ 控制計算機取得每個像元的所有采樣點的樣本信號;(4)在采集/控制計算機中對每個像元的所有采樣點實施濾波算法,獲得每個像元的像素值,最終得到一幅完整圖像。上述高速傳輸接口采用Camera 1 ink接口協(xié)議。上述步驟(4)所述的濾波算法按照以下方法確定將包含有每個像元一個象元周期內(nèi)所有采樣點的樣本信號的幀格式圖像轉(zhuǎn)換成二維數(shù)組,進行時域分析和頻譜分析,從而確定合適的濾波算法。上述步驟(1)所述的多點采樣優(yōu)選采樣120-200個采樣點。上述步驟(4)所述濾波算法為數(shù)字域相關雙采樣、高斯權(quán)值濾波或各種頻域濾波算法。本發(fā)明提供的一種CXD相機圖像信號處理系統(tǒng),包括通過數(shù)據(jù)傳輸線依次鏈接的 CCD、前置放大電路、高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理電路、高速傳輸接口和采集 /控制計算機,其中,自時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理電路、高速傳輸接口至采集/控制計算機,還建立有控制線鏈接。上述高速傳輸接口為Cameral ink接口電路。上述高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路是具有16位、160Msps的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明不僅可以降低噪聲,提高相機信噪比,而且簡化了相機系統(tǒng)的硬件設計,提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。同時隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展,為繼續(xù)優(yōu)化噪聲抑制算法和提高運算速度提供了技術(shù)基礎。具體表現(xiàn)在以下優(yōu)點1、系統(tǒng)的可靠性和集成度得以提高本發(fā)明所采用的噪聲濾波方案是在數(shù)字域進行的,與傳統(tǒng)設計方案相比省去了相關雙采樣電路,提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度。2、噪聲濾波算法設計靈活、實用性和通用性強本發(fā)明提出了一種CCD輸出視頻信號進行直接高速數(shù)字化的新技術(shù)方案。該方案能夠針對CCD視頻信號的噪聲特性設計最佳的數(shù)字信號處理算法,從而獲得更好的噪聲抑制能力。其中時域濾波算法有數(shù)字域相關雙采樣、高斯權(quán)值濾波。另外,也可以采用各種頻域濾波算法。3、為CCD相機系統(tǒng)設計提供一個新概念和通用平臺,大大降低了開發(fā)成本和周期可基于軟件來實現(xiàn)新算法和使用新技術(shù),大大降低了開發(fā)成本和周期,使CCD相機系統(tǒng)能跟上技術(shù)發(fā)展的水平。而且該相機系統(tǒng)還可以根據(jù)需要,修改采集軟件中的濾波算法及相機控制信號來改變相機系統(tǒng)功能。
圖1為傳統(tǒng)方案CCD讀出噪聲和讀出速率的典型關系圖。
圖2為傳統(tǒng)CXD相機系統(tǒng)視頻信號處理鏈路框圖。圖3為本發(fā)明所提供的CXD相機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖4為本發(fā)明所提供的CXD相機系統(tǒng)的時序接口電路。圖5為本發(fā)明所提供的CCD相機系統(tǒng)采集軟件功能框圖。圖6為本發(fā)明CXD讀出噪聲和讀出速率的關系圖。附圖標號說明 1-前置放大電路,2-模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路,3-時序驅(qū)動及數(shù)據(jù)處理FPGA,4-Camera Link接口,5-采集/控制計算機。
具體實施例方式本發(fā)明是基于高速傳輸協(xié)議接口(如=Camera link接口協(xié)議)的相機系統(tǒng),系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖3所示,CXD輸出的像元信號經(jīng)由前置放大電路后,直接通過高速模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換電路進行采樣,為了滿足后期算法對樣本點的要求,每個像元采樣120至200個點, 然后通過時序驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理FPGA鎖存同步處理,再經(jīng)Camera Link接口發(fā)送到采集計算機,在采集計算機中利用采集軟件對視頻信號進行濾波處理,并顯示圖像。本發(fā)明提供的一種CXD相機視頻信號處理方法,具體包括以下步驟0)(XD相機加電工作后,在驅(qū)動脈沖的作用下,CXD輸出像元信號;1)對步驟0) CCD輸出的視頻信號進行隔直、放大,使輸出的視頻信號幅度與后續(xù)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入信號量程相匹配;2)對經(jīng)過步驟1)的每個像元信號進行多點采樣(一般采樣120-200個采樣點),
量化后輸出數(shù)字信號;3)將步驟2)中獲得的大量數(shù)據(jù)通過CameraLink接口電路發(fā)送到采集/控制計算機;4)在采集/控制計算機中對每個像元的樣本信號實施濾波算法,獲得每個像元的像素值,并顯示和保存處理后得到的圖像。濾波算法可以是數(shù)字域相關雙采樣、高斯權(quán)值濾波或各種頻域濾波算法。下面為了能更好的說明本發(fā)明如何實現(xiàn),結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。本發(fā)明提供的一種用于低照度、弱目標的CCD相機系統(tǒng),參見圖3,是基于本發(fā)明所提供的CCD相機系統(tǒng)功能框圖,主要由前置放大電路1、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2、時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理電路3,高速傳輸接口電路(本方案采用的是Camera Link接口,只要能滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的接口電路都可以),以及采集控制計算機5組成,下面結(jié)合附圖3、4、5,詳細介紹各部分的功能前置放大電路1 對CCD讀出放大器輸出的視頻信號進行隔直、放大,使輸出視頻信號的幅度與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2的輸入信號量程相匹配;模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2:對前置放大電路1輸出的像元信號進行量化,輸出數(shù)字信號;附圖3中給出了一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路實例,本發(fā)明采用的是凌力而特公司(Linear Technology)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2209,LTC2209是具有16位、160Msps高性能高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有卓越的77. IdB基帶信噪比(SNR)性能和IOOdB基帶無寄生動態(tài)范圍(SFDR)。滿足樣本數(shù)目多以及精度高的要求。時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理FPGA電路3 產(chǎn)生CXD驅(qū)動時序信號、對模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2輸出的數(shù)字視頻信號數(shù)據(jù)按照一定的時序格式要求與相機系統(tǒng)的同步控制信號通過Camera link輸出接口發(fā)送 給采集計算機。如附圖4所示,時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理FPGA電路將采集到的海量數(shù)據(jù)與幀頭數(shù)據(jù)(幀頭數(shù)據(jù)信號FHDATA) —起在控制信號(如幀有效信號 (FVAL),行有效信號(LVAL))作用下按一定的格式發(fā)送給采集控制計算機。Cameralink接口電路4 通過該接口電路,將采集到海量數(shù)據(jù)經(jīng)由采集卡高速傳輸?shù)讲杉嬎銠C。并將采集控制計算機發(fā)來的控制信號發(fā)送到時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理電路3, 來改變相機的工作狀態(tài)(如調(diào)整曝光時間,切換工作模式等)。附圖3中給出了一個實例, 本發(fā)明采用是NI公司的PCIe-1429采集卡,它美國國家儀器公司(National Instruments, 簡稱NI)2005年1月推出的首款基于PCI Express的圖像采集板卡,適用于高吞吐量的視覺應用,可以在Camera Link攝像頭高速度、高分辨率和高像素深度的情況下采集圖像,執(zhí)行復雜的圖像采集應用。采集控制計算機5:本發(fā)明的采集軟件與傳統(tǒng)采集軟件的不同之處在于,本系統(tǒng)采集到的每幀數(shù)據(jù)不再是一幅圖像,而是所有像元波形的樣本點,必須對每個像元采樣周期進行濾波處理才能得到該像元的真實像素值。本方案的采集軟件采用Labview編寫,并在采集程序中嵌入MatLab程序以便于數(shù)據(jù)處理。采集軟件功能框圖如附圖5所示,在采集軟件中為了便于對像元采樣信號的分析,將獲得的幀格式圖像轉(zhuǎn)換成二維數(shù)組,對其進行時域分析和頻譜分析,為濾波算法的編寫提供依據(jù)。該采集軟件除了可以很方便的控制相機工作狀態(tài)以外,還具有以下優(yōu)點1)可以方便的調(diào)用Labview已有的顯示模塊和數(shù)據(jù)分析控件(如波形顯示,頻譜分析等),還可以根據(jù)需要擴展軟件功能。2)利用Matlab強大的矩陣運算功能,通過Matlab編寫的濾波算法從采集的樣本點中快速復原出圖像。并通過圖像評價模塊,對濾波算法進行改進,直至用戶滿意為止。下面對選定的高斯權(quán)值濾波算法作進一步描述通過分析CXD輸出信號的特點,發(fā)現(xiàn)CXD輸出信號在一個像元周期內(nèi),參考電平和像元輸出附近采樣數(shù)據(jù)的相關性明顯比其兩邊較遠處的高得多,也就是說,此處的采樣點包含了更多的有用信息,所以對該處的采樣數(shù)據(jù)賦予更大的權(quán)值可以有效抑制輸出噪聲。 這樣對一個像元周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)賦予的權(quán)值近似高斯概率分布函數(shù)的鐘形,為了達到數(shù)字相關雙采樣的效果,其中前一半?yún)⒖茧娖讲蓸又档臋?quán)值系數(shù)取負值,獲取每個像元值的算法如式1所示
In-1η- X
Σ w Σ w Pix = ——^^ (式 υ
Σ Σ
i = η/ = 0 式中,Si是第i個采樣值,α i為第i個采樣點的加權(quán)系數(shù),而且α i = α (2η+1_0, 一個像元周期內(nèi)采樣2η個樣本點,其中前η個是參考電平的采樣點數(shù)。由以上操作可以看出對CCD輸出的像元數(shù)據(jù)直接采樣,并進行權(quán)值濾波,既可以得到模擬電路中相關雙采樣的效果,又可以省去相關雙采樣電路引人的噪聲,從而可以提高信號的信噪比。
權(quán)利要求
1.一種C⑶相機圖像信號處理方法,包括以下步驟(1)CCD輸出的像元信號經(jīng)放大后,通過高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路對每個像元信號進行多點采樣;采樣得到的數(shù)據(jù)進行量化后輸出數(shù)字信號;(2)數(shù)字信號進行鎖存和同步處理;(3)通過高速傳輸接口將同步處理后的數(shù)字信號發(fā)送到采集/控制計算機,采集/控制計算機取得每個像元的所有采樣點的樣本信號;(4)在采集/控制計算機中對每個像元的所有采樣點實施濾波算法,獲得每個像元的像素值,最終得到一幅完整圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CCD相機圖像信號處理方法,其特征在于所述高速傳輸接口采用Camera link接口協(xié)議。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CCD相機圖像信號處理方法,其特征在于,步驟(4)所述的濾波算法按照以下方法確定將包含有每個像元一個象元周期內(nèi)所有采樣點的樣本信號的幀格式圖像轉(zhuǎn)換成二維數(shù)組,進行時域分析和頻譜分析,從而確定合適的濾波算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CCD相機圖像信號處理方法,其特征在于步驟(1)所述的多點采樣是采樣120-200個采樣點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CCD相機圖像信號處理方法,其特征在于步驟(4)所述濾波算法為數(shù)字域相關雙采樣、高斯權(quán)值濾波或各種頻域濾波算法。
6.一種C⑶相機圖像信號處理系統(tǒng),其特征在于包括通過數(shù)據(jù)傳輸線依次鏈接的 CCD、前置放大電路、高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理電路、高速傳輸接口和采集 /控制計算機,其中,自時序驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理電路、高速傳輸接口至采集/控制計算機,還建立有控制線鏈接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CCD相機圖像信號處理系統(tǒng),其特征在于所述高速傳輸接口 為 Cameral ink 接口電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CCD相機圖像信號處理系統(tǒng),其特征在于所述高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路是具有16位、160Msps的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明為突破傳統(tǒng)CCD相機噪聲的抑制瓶頸,提出一種數(shù)字域濾波的新方案,具體為一種新的CCD相機圖像信號處理方法及系統(tǒng)。本發(fā)明利用高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器以遠高于讀出速率的采樣頻率直接將CCD視頻信號數(shù)字化,然后針對CCD視頻信號讀出噪聲的特性設計數(shù)字信號處理算法,將噪聲抑制到亞電子水平。當前大規(guī)模集成電路技術(shù)尤其是高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)為這一新思路的實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎。該新技術(shù)相對EMCCD技術(shù)具有更強的通用性,不僅能減小CCD讀出噪聲,而且也為用高速低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12bit)實現(xiàn)低速高分辨(16bit)的要求提供了一種技術(shù)途徑。
文檔編號H04N5/217GK102223470SQ20111015681
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者姚大雷, 文延, 江寶坦, 汶德勝, 王宏, 邱躍洪, 陳智, 高博 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所