高速CCD的CDS控制参数自适应算法研究

书书书 第 43 卷 第 1 期 四 川 大 学 学 报 (工 程 科 学 版 ) Vol． 43 No． 1 2011 年 1 月 JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY (ENGINEERING SCIENCE EDITION)  Jan． 2011 文章编号:1009-3087(2011)01-0143-06 高速 CCD的 CDS控制参数自适应算法研究 莫思特 (四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065) 摘 要:优化相关双采样(CDS)控制参数可以提高电荷耦合器件(CCD)输出信噪比，但是高速 CCD的 CDS控制参 数很难通过实验确定。为了得到较好的 CCD输出信噪比，提出了一种 CDS控制参数自适应算法:在拍摄目标和曝 光参数不变的情况下，改变复位脉冲宽度、噪声采样时刻、数据采样时刻 3 个 CDS控制参数，对每种参数组合采集 一帧图像，计算各帧图像中每个像素的 Tenengrad函数，将每帧像素的 Tenengrad平方和作为清晰度评价参数，选择 清晰度评价参数最大值对应的复位脉冲宽度、噪声采样时刻、数据采样时刻作为 CDS 控制参数，就可使 CCD 输出 达到采用 CDS技术下最好信噪比。根据所提出的方法，在试验电路中，由现场可编程门阵列(FPGA)实现了自适应 算法，并进行了清晰度对比测试。测试 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，与没有采用自适应算法的最好图像相比，测试参数 Edge Profile 从单 位影像高度 507． 4 像素提高到 763． 8 像素，测试参数 MTF 50 从 526． 5 LW/PH提高到 937． 8 LW/PH。试验结果表 明，应用自适应算法可以有效提高 CCD的输出信噪比。 关键词:电荷耦合器件;相关双采样;自适应算法 中图分类号:TP18;TN386． 5 文献标志码:A Adaptive Optimization Agorithm for CDS Control Parameters of High-speed CCD MO Si-te (School of Electrical Eng． and Info．，Sichuan Univ．，Chengdu 610065，China) Abstract:The signal-to-noise ratio of Charge Coupled Devices(CCD)output can be improved by the optimization of control parameters of Correlated Double Sampling (CDS)． However，the control parameters of CDS of high-speed CCDare difficult to determine from experi- ments． An adaptive algorithm was proposed to get a better signal to noise ratio of CCD output． With fixed target and exposure parameters， the CDS control parameters such as the width of reset pulse，the timing of noise sampling and data sampling were tuned． The images on all combination of the CDS control parameters were acquired． The square sum of the Tenengrad function of all pixels on each image was used to evaluate the quality of the image． The combination of three CDS parameters corresponding to the maximum sum was chosen as CDS control parameters，resulting the best signal-to-noise ratio of the CCD out． Finally，the algorithm was implemented in Field-Program- mable Gate Array (FPGA)and the experiments results showed that compared with the best image acquired without adaptive algorithm， the parameters of Edge Profile are improved from 507． 4 pixels per PH to 763． 8 pixels per PH，the parameters of MTF50 improved from 526． 5 LW/PH to 937． 8 LW/PH． It showed that adaptive algorithm can effectively improve the signal to noise ratio of CCD output． Key words:Charge Coupled Devices(CCD) ;Correlated Double Sampling(CDS) ;adaptive algorithms 电荷藕合器件(Charge Coupled Devices，CCD) 在工业、军事、遥感、科学研究、消费电子等领域得到 广泛的应用。在评价 CCD 相机优劣的诸多性能参 数中，噪声特性是最重要的指标之一。CCD 相机噪 声主要来源于 CCD传感器噪声，CCD传感器噪声包 收稿日期:2009 － 12 － 02 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60705005) ;博士点新 教师基金资助项目(20070610031) 作者简介:莫思特(1969 －) ，讲师，硕士． 研究方向:通信工程; 精密仪器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ． E-mail:mosite@ scu． edu． cn 括光子散弹噪声、暗电流噪声、复位噪声、低频噪声、 宽带白噪声等等［1］。其中，光子散弹噪声不能由信 号处理电路进行抑制［2］，暗电流噪声可以通过制冷 或采集并减去哑像元暗电平得到抑制［3 － 4］，复位噪 声、低频噪声和宽带白噪声可由 CDS 技术得到抑 制［5 － 7］。 相关双采样 (Correlated Doubling Sampling， CDS)技术对 CCD噪声抑制起着关键作用，文献［8］ 给出了通过部分复位 CDS 电路充电检测节点进行 降噪的技术，文献［9］介绍了 CDS 信号优化处理方 法，文献［10］ 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了 TDI-CCD 的 CDS 降噪处理，文 献［11］对 CDS 电路进行了仿真。目前各公司的 CCD前端集成电路(Analog Front End，AFE)大都集 成了 CDS模块［12］，CDS 对噪声的抑制能力取决于 准确的 CDS控制参数。文献［13］给出一种应用信 号处理技术提高图像信噪比的方法，文献［14］给出 了相机的几何校准方法。高速 CCD 模拟视频输出 波形复杂，怎样优化选择高速 CCD 的 CDS 控制参 数，以获得最大的信噪比，目前还没有检索到相关文 献。作者提出一种 CDS控制参数自适应控制算法， 用于相机出厂调试时精确控制高速 CCD 的 CDS 控 制参数，最大程度抑制 CCD 噪声，以得到采用 CDS 技术下最佳 CCD信噪比。 1 噪声分析以及 CDS 抑制 CCD 噪声基本 原理 1． 1 复位噪声分析 复位噪声是 CCD 输出电路复位过程中产生的 热噪声，CCD输出电路原理如图 1 所示。 图 1 CCD输出电路原理 Fig． 1 Schematic of output 图 1 中 ，在 A点处的复位噪声电压均方值为: V － RN = KT C0 1 － exp (－ 2tRC0 [ ]) (1) 式中，K 为波尔兹曼常数，T为绝对温度，R为 A点 处的交流对地电阻，t为本次噪声响应时间。图 1 中 时刻 1 为复位时刻，当 t1 取 10 ns时，通过复位产生 噪声为: V － RN12 = KT C0 1 － exp (－ 2t1 RONC0 [ ]) = KT C0 ［1 － exp (－ 20)］≈ KTC0 (2) 复位结束后，漏电压通过 ROFF 对电容 C0放电， 放电时间为 t2，不失一般性，取ROFF = 10 10Ω，t2 = 30 ns，在 T1 截止时产生噪声为: V － RN23 = KT C0 1 － exp (－ 2t2 ROFFC0 [ ]) = KT C0 ［1 － exp (－ 6 × 10 －5) ］≈ 0 (3) 可见，在 T1 截止时基本没有放电现象，时刻 3 仍然保持着在时刻 2 时引入的复位噪声。 1． 2 CDS工作原理 CDS工作原理如图 2 所示。 图 2 CDS工作原理 Fig． 2 Principle of CDS 图 2(a)为 CDS电路原理，图 2(b)为与 CDS相 关的波形控制。在 CCD输出信号中，时刻 1 为复位 时刻，时刻 2 为噪声采样时刻 SHP，时刻 3 为 CCD 数据采样时刻 SHD。设 SHP电平为 VSHP，SHD电平 为 VSHD，则 VSHP为噪声与参考电平之和，VSHD为 CCD 视频信号与噪声之和，通过差分放大器，可实现 VSHP 减 VSHD，得到 Vout = VSHP– VSHD。 1． 3 CDS对噪声的抑制 根据式(2)、(3)的分析，对于复位噪声来说，噪 声采样时刻和数据采样时刻的复位噪声基本相同， 都为 KT /C0。VSHP = VREF + KT /C0，VSHD = VVIDEO + KT /C0，Vout = VSHP– VSHD = VREF － VVIDEO。可见， CDS技术可以抑制复位噪声。 441 四川大学学报(工程科学版) 第 43 卷 若输入噪声由1 / f 噪声(e2F / f )和白噪声(e 2 w) 组成，则输入噪声的功率谱密度为: e2n = e 2 F / f + e 2 w (4) 由式(4)表示的噪声经过 CDS 后，得到输出噪 声与 ωcΔτ的关系如图 3 所示。 图 3 1 / f 噪声与白噪声随 ωcΔτ 的变化 Fig． 3 Effects of ωcΔτ on 1 / f noise and white noise 从图 3 可以看出，选择 ωcΔτ ＜ 0． 5，CDS 可以 抑制 1 / f噪声和白噪声。 2 选择高速 CCD 的 CDS 控制参数存在的 问题 2． 1 高速 CCD测试系统 高速 CCD测试系统由 CCD 控制电路、CCD 时 序控制与模数转换电路、现场可编程门阵列(Field- Programmable Gate Array，FPGA)控制电路、联合图 像专家组(Joint Photographic Experts Group，JPEG) 图像压缩控制电路、嵌入式 ARM 控制电路、电源控 制电路 6 个电路模块组成，各电路模块组成结构如 图 4 所示。 图 4 中，CCD 控制电路采用 SONY 公司设计生 产的 ICX274，时序与模数转换电路采用 ANALOG DEVICES公司设计生产的 AD9923A，FPGA 采用 Xilinx公司设计生产的 XC3S1200E，图像压缩芯片 采用 TOKYO公司设计生产的 TE3310RPF，ARM 芯 片采用 ATMEL公司设计生产的 AT91RM9200。 图 4 CCD测试系统结构图 Fig． 4 Diagram of CCD testing system ICX274 是 200 万像素每秒 15 帧的高清高速 CCD，AD9923A 是 AFE 集成电路，内含放大、CDS、 ADC、垂直时序驱动、水平时序驱动等电路模块。 XC3S1200E用于对 CCD的数字视频信号进行 Bayer 转换、RGB转 YUV、白平衡控制以及其他数字视频 处理。TE3310RPF 用于压缩图像数据。AT91RM9200 用于对 AD9923A、XC3S1200E、TE3310RPF进行控制，并 将图像数据通过网络传输给客户端。 2． 2 调试 CDS控制参数存在的问题 在图 4 的测试系统中，给 CCD加上垂直和水平 驱动时序后，就驱动 CCD 输出模拟视频信号，模拟 视频信号输入到 AFE 进行 CDS 和 ADC，示波器测 量的复位信号、CCD模拟输出信号如图 5 所示。 图 5 中，上边波形为复位波形，下边波形为 CCD输出波形，从 CCD 输出波形可以看出，在复位 信号下沿有一个很陡的负脉冲，导致 CCD输出信号 产生一个负的尖峰。这个尖峰导致很难从输出波形 图 5 实测复位信号与 CCD输出信号 Fig． 5 Reset signal and CCD output signal 确定 SHP。在 SHD 阶段，波形不稳定，也不好选择 可以使信噪比最好的 SHD。在测试电路中，CCD 输 出时钟为 36 MHz，在调整 SHP 和 SHD 时，可分为 48 个相位调整，等效时钟为 36 × 48 MHz = 1 728 MHz，这个频率对于用示波器来确定 SHP、SHD 与 CCD输出信号的关系是有困难的，因为从芯片内部 541第 1 期 莫思特:高速 CCD的 CDS控制参数自适应算法研究 采样点到芯片引脚的输出存在相位差，示波器观测 的波形与内部采样点有随机延时。实测时发现，在 示波器上显示为较好 CDS控制参数，图像质量却不 如在示波器上显示的较差 CDS 控制参数，因此，必 须采用其他方法确定 CDS 控制参数。复位脉冲的 宽度选择会影响到输出信噪比，复位脉冲太窄，复位 不完全，复位脉冲太宽，影响电荷输出。因此，通过 示波器很难确定 SHP的最佳时刻。 3 CDS控制参数自适应算法 3． 1 CDS控制参数自适应算法 CDS控制参数自适应算法思想是在拍摄目标和 曝光参数不变的情况下，改变复位脉冲宽度、噪声采 样时刻、数据采样时刻 3 个 CDS 控制参数，对每种 参数组合采集一帧图像，计算各帧图像中清晰度评 价参数，选择清晰度评价参数最大值对应的复位脉 冲宽度、噪声采样时刻、数据采样时刻作为 CDS 控 制参数，就可使 CCD 输出达到采用 CDS 技术下最 好信噪比。 图像清晰度采用基于 Sobel 梯度算子的 Tenen- grad 函数来评价［15］。 Sobel梯度算子为: Sx = － 1 0 1 － 2 0 2 －  1 0 1 ，Sy = 1 2 1 0 0 0 － 1 － 2 －  1 (5) 设 Isub(x，y)代表图像 I 中以(x，y)为中心的8 邻域子图，令 Tx = Isub(x，y)·Sx，Ty = Isub(x，y)· Sy，Tenengrad函数定义为:F = T 2 x + T 2槡 y ，清晰度 评价参数定义为: E = ∑ M－1 x = 0 ∑ N－1 y = 0 (T2x + T 2 y) (6) 将一个 CCD 像素周期等分为 8n 个相位，设复 位脉宽为Prg，SHP采样时刻为Pshp，SHD采样时刻为 Pshd，Prg的动态范围为 P［n + 1］到 P［2n］，Pshp的动 态范围为 Prg+1 到 P［4n］，Pshd 的动态范围为 P［4n + 1］到 P［8n］，如图 6 所示。 固定拍摄对象，分别取 Prg、Pshp、Pshd 为不同的 值，在每种组合下，计算清晰度评价函数 E，取使得 E 值最大的的 Prg、Pshp、Pshd 组合作为 CDS 控制参数设 定值。 Prg、Pshp、Pshd 取值组合数:4n × (3n + 2n)/2 = 10n2，在 n = 10，每秒10帧时，算法运行时间为100 s。 图 6 CDS控制参数示意图 Fig． 6 Control parameters of CDS 3． 2 CDS控制参数自适应算法实现 3． 2． 1 FPGA算法步骤 在图 4 所示的系统中，CDS 采样时刻自适应算 法由 XC3S1200E 完成。对于 AD9923A 来说，RG、 SHP、SHD可调的相位有 48 个，n = 48 /8 = 6，Prg、 Pshp、Pshd 取值组合数:10n 2 = 360。 XC3S1200E运行软件用硬件描述语言VHDL设计，定义 寄存器REG_RG、REG_SHP、REG_SHD用于遍历RG、SHP、 SHD组合，定义Tenengrad 函数的评价参数为E_Tenengrad， 定义MAX_E_Tenengrad、MAX_REG_RG、MAX_REG_SHP、 MAX_REG_SHD存储 E_Tenengrad最大值以及相应的寄 存器设置，REG_RG、REG_SHP、REG_SHD的初始值分 别设为:REG_RG = 6，REG_SHP = 6，REG_SHD = 24， MAX_E_Tenengrad 初始化为 0，设 VD 为场同步，CDS 采样时刻自适应算法步骤如下: 1)在VD下沿，设置RG =REG_RG，SHP =REG_SHP， SHD =REG_SHD。 2)在一场内，计算 E_Tenengrad。 3)如果 E_Tenengrad大于MAX_E_Tenengrad，则设 置MAX_E_Tenengrad = E_Tenengrad，MAX_REG_RG = REG_RG，MAX_REG_SHP = REG_SHP，MAX_REG_SHD = REG_SHD。 4)REG_ SHD = REG_ SHD +1，如果REG_ SHD ＜ 48，则返回步骤1)，否则，REG_ SHD =24。 5)REG_SHP = REG_SHP +1，如果 REG_SHP ＜24， 则返回步骤1)。 6)REG_RG =REG_ RG +1，REG_SHP = REG_ RG， 如果REG_ RG ＜24，则返回步骤1)。 7)设置RG = MAX_REG_RG，SHP = MAX_REG_SHP， SHD = MAX_REG_SHD，计算结束。 3． 2． 2 Tenengrad 函数评价参数算法 FPGA的输入为Bayer格式的视频信号，计算 E_Tenengrad 值时，先将 Bayer 信号转换为 RGB 信 号，再将 RGB 信号转换为 YUV 信号，用 YUV 信号 的 Y值计算 E_Tenengrad。 641 四川大学学报(工程科学版) 第 43 卷 ICX274 光敏像素单元阵列的 Bayer 排列方式 如图 7 所示。 图 7 ICX274 的 Bayer排列方式 Fig． 7 Bayer arrangement 设图 7 中 6、7、10、11 点的 RGB 值分别为 R6、 G6、B6、R7、G7、B7、R10、G10、B10、R11、G11、B11，用 V1、 V2、V3……V16 表示各点经相关双采样得到的电压 值。则 6、7、10、11 点的 RGB的计算方法: R6 = (V5 + V7)/2，G6 = V6，B6 = (V2 + V10)/2; R7 = V7，G7 = (V3 + V6 + V8 + V11)/4， B7 = (V2 + V4 + V10 + V12)/4; R10 = (V5 + V7 + V13 + V15)/4， G10 = (V6 + V9 + V11 + V14)/4，B10 = V10; R11 = (V7 + V15)/2，G11 = V11，B11 = (V10 + V12)/      2 (7) RGB转换 YUV的算法如下［16］: 设 R、G、B、Y、Cr、Cb为转换点的相应值，精度为 8 位整数，由 R、G、B信号值计算 Y信号值的算法: Y = 0． 299 × R + 0． 578 × G + 0． 114 × B (8) 将计算得到的 Y 值 代入式(6) ，就可以计算以 Tenengrad 函数为基础的清晰度评价参数。 4 测试结果 以 ISO12233 标准分辨率测试卡为拍摄对象，将 YUV 数字视频信号传到 TE3310RPF 压缩后，由 AT91RM9200 将数据传输到计算机。在不采用本文 技术的情况下，手工调试 CDS 参数的方法是:依靠 示波器测试波形，调整 CDS 控制参数，然后，采集图 片，并用计算机计算所采集图片的解像率，反复调 整，以达到解像率最佳。采集通过手工调试设定的 CDS控制参数能得到的最高解像率的图像以及经过 自适应算法计算的 CDS控制参数的图像，将采集的 图像用图像处理软件 Imatest V3． 1 分析 Edge Profile 和 MTF50 两个参数，测试结果如图 8 所示。 从图 8 可以看出，经过自适应算法后，Edge Profile从单位影像高度 507． 4 像素提高到 763． 8 像 素，为手工调试的 1． 505 倍;MTF50 从 526． 5 LW/ 图 8 手工调试与自适应算法调试后的解像率对比 Fig． 8 The definition on adaptive algorithm contrast with manual debugging PH提高到 937． 8 LW/PH，为手工调试的 1． 781 倍 。 5 结 论 提出的 CDS 控制参数自适应算法可以优化与 CDS相关的复位信号脉宽、噪声采样时刻、数据采样 时刻。对比由手工调试设定的 CDS 控制参数得到的 最高解像率图像以及自适应算法计算的 CDS 控制参 741第 1 期 莫思特:高速 CCD的 CDS控制参数自适应算法研究 数得到图像的测试结果可以看出，通过自适应算法得 到的图像，参数 Edge Profile 从单位影像高度 507． 4 像素提高到 763． 8 像素，参数 MTF50 从 526． 5 LW/ PH提高到 937． 8 LW/PH。图像质量得到明显提高， 所提出的算法可以有效提高 CCD采集信号信噪比。 参考文献: ［1］Tong Shoufeng，Ruan Jin，Hao Zhihang． Noise reducing scheme on output signal of CCD［J］． Optics and Precision Engineering，2000，8(2) :140 － 145．［佟首峰，阮锦，郝 志航． CCD 图像传感器降噪技术的研究［J］． 光学精密 工程，2000，8(2) :140 － 145．］ ［2］Kriss M A，Parulski K A，Lewis D． Critical technologies for still imaging systems［C］/ /Proc of SPIE． 1989，1082:157 － 183． ［3］Janesick J，Elliott T． Sandbox CCDs［C］/ /Proc of SPIE． 1995，2415:2 － 42． 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