多CCD拼接相机中图像传感器不均匀性校正

收稿日期: 2004- 07- 19. � 光电技术应用 多 CCD拼接相机中图像传感器不均匀性校正 王 � 军1 , 杨会玲2 , 刘亚侠1 , 何 � 昕1 , 郝志航1 ( 1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130022; 2. 长春理工大学, 吉林 长春 130022) 摘 � 要: � CCD图像传感器不均匀特性是影响光电测量设备精度的一个重要因素。在分析了 单片 CCD图像传感器不均匀特性基础上,提出了多 CCD拼接相机系统中不均匀特性的校正方法。 大量实验结果 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, 利用该校正方法不仅保持原图像的目标,而且简单快速,具有通用性,能够显著 提高系统测量精度。该方法可行且对其他光电测量设备有参考意义。 关键词: � 不均匀性; 校正; CCD拼接 中图分类号: T N386. 5 � 文献标识码: A � 文章编号: 1001- 5868( 2005) 03- 0261- 03 Correction to the Nonuniformity of Multiple CCDs Butting Camera WANG Jun 1 , YANG Hui�ling2 , L IU Ya�x ia1 , HE Xin1 , HAO Zhi�hang1 ( 1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Scences, Changchun 130022, CHN; 2. Changchum University of Science and Technology, Changchun 130022, CHN) Abstract: � T he miss distance measurement error due to the nonuniform ity of the CCD senso r is an impo rtant factor in the opt ical sy stem. Based on the theo ry of the nonuniformity in one CCD sensor, the method of corr ecting the nonuniformity of mult i�chip CCD butt ing is described. Actual inspect ion show s the methods ment ioned above can corr ect the nonunifo rmity error of the multi� chip CCD but t ing sy stem and improve the accur acy o f the optical sy stem. And it is suitable fo r other opt ical sy stem. Key words: � nonuniformity; corr ect ion; CCD butt ing 1 � 引言 在大视场、高分辨率光电测量设备中, 单片 CCD器件仍不能够满足测量精度和测量视场的要 求, 为了满足测量精度和视场的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 , 需要对多 CCD器件进行拼接 [ 1]。基于多 CCD拼接相机测量 精度不仅取决于光学系统,还取决于 CCD图像传感 器的性能。在面阵 CCD 成像系统中, CCD 各个探 测器单元对相同照度产生的不同输出信号称为 CCD的不均匀性 [ 2]。CCD的响应不均匀性在高精 度测量系统中对成像质量有很大影响, 本文主要在 分析多 CCD拼接相机系统结构和单片 CCD不均匀 特性的基础上, 从数字图像处理的角度,最后提出多 CCD拼接相机系统不均匀特性校正方法。 2 � 多 CCD图像传感器拼接原理 CCD拼接方法主要有两种途径: 一是 CCD器 件直接拼接[ 3] ,二是通过光学系统分光的方法进行 光学拼接。直接拼接是指将 CCD器件在机械上首 尾搭接的方法。由于普通 CCD器件的光敏面以外 的边缘以及引脚的影响,直接拼接时 CCD器件之间 会产生缝隙,实现难度比较大。 光学系统分光的方法主要有以下三种形式:视 场分光、光路分光、光束分光。其中光束分光中棱镜 分束这种方式应用的比较多,这种方法是通过一部 分反射,一部分透过的棱镜将光路分成多路,从而达 到拼接的目的。对于大视场的系统来说, 即使采用 大量的棱镜、场镜、透镜,其畸变与像质都很难校正。 为了克服畸变和像质难以校正的缺点, 本文介绍内 �261� 半导体光电! 2005 年 6 月第 26 卷第 3 期 王 � 军 等: � 多 CCD拼接相机中图像传感器不均匀性校正 视场拼接透镜分束的一种变体即单心球面系统。 单心球面系统拼接方法利用透镜分束的拼接原 理,即将由第一组透镜成像在第一像面上的光束分 成多个,然后由各个小透镜分别成像在第二像面上, 从而达到拼接的目的。其拼接原理如图 1 所示, 它 将第一组透镜改用单心球透镜, 由物方来的光束经 单心球透镜成像在形状为球面的第一像面上, 再经 过 9组转像物镜将第一像面上的像分成 9路各自独 立的光束最后成像在第二像面的 9个平面上。9个 像的排列如图 2所示,图 1中只示出一个截面,可安 置 3个面阵 CCD 器件。如在 9个成像平面上安置 CCD面阵器件即可实现 CCD光机拼接。 图 1 � 系统 CCD 拼接原理图 CCD7 CCD8 CCD9 CCD4 CCD5 CCD6 CCD1 CCD2 CCD3 图 2 � CCD 的排列方式 3 � 单片 CCD不均匀性分析 面阵 CCD各像点的响应度不一致造成输出图 像的不均匀性, 最终表现为图像有水平纹理。对于 m ∀ n大小的 CCD传感器, 由于其响应度不均匀性 存在,在相同的入射照度作用下将引起不同的输出 信号。CCD响应不均匀性一般定义为: 各 CCD 像 元在二分之一饱和辐照度下所输出的原始响应等效 电压信号与其平均值之比 [ 4, 5] ,即 PRUN = 1 V s 1 N �N- 1i= 0 ( V s i - V s ) 2 ( 1) 式中, V s i表示 CCD 传感器第 k 行的所有像元对应 的输出, V s 为 CCD各像元原始响应信号的平均值。 假设 CCD的光谱响应度为 R�= V�s/ ��与波长 无关,且考虑无照射时各个像元输出的暗电流信号 V oi ,于是有 CCD探测器响应关系: V s i = R i�+ V oi ( 2) 式中, �表示会聚到像元光敏感面上的辐照度。 理想情况下,在 CCD各个像元敏感区工作在非 饱和区时,产生的信号应与辐照度成线性关系, 即式 ( 2)中 R i 为一常量。各个像元对应 R i 不同表示各 个像元响应的不均匀性, 实际探测器对不同的入射 辐照度、不同像元具有不同的响应度,其响应曲线不 是线性的。因而, 对应面阵 CCD不均匀性校正应综 合考虑响应度的不均匀性和非线性两个方面。 4 � 单片 CCD不均匀性校正 根据面阵 CCD使用环境的不同, 对像元响应不 均匀性校正可以采用单点、两点、多点校正方法。由 于单点校正法只针对一种入射照度 �( 1)下, 将不同 的像元输出信号校正成平均信号, 具有一定的局限 性,在本系统中, 我们对单片 CCD不均匀性的校正 采用两点校正法。 两点校正法校正是把各个像元的输出信号 V s i 校正为在某两个辐照度点�( 1)和 �( 2)处相一致,即 在入射辐照度 �( 1)和 �( 2)处不同 CCD 像元信号 V si校正为一致的平均信号 V s( 1)和 V s ( 2)。按照线 性关系进行校正时,校正方程为 V si = aiV si + c, � i = 0, 1, 2, #, N - 1 (3) 式中, ai 为第 i 个 CCD像元的校正因子, c为直流基 底常量。 校正过程按照标定和补偿两步进行。先测出 CCD各像元分别在同一照度 �( 1)和 �( 2)下的输出 响应{V si ( 1) }和{V s i ( 2) } ,求出各单元的校正因子: ai = V s(2) - V s (1) V si (2) - V s i (1) (4) 式中, V s ( 1)和 V s ( 2) 为 CCD 各像元在入射照度 �( 1)和 �( 2)作用下原始响应信号的平均值。然后 将实际的各像元信号与各校正因子相乘, 再加上各 像元的偏移量, 即完成对不均匀性的补偿。校正方 程为 V si = a i [ V i - V si ( i ) ] + V s( 1) (5) � � 对单片 CCD不均匀性采用两点法进行校正,可 以取得较好的校正效果, 能够很好地消除各个像元 之间的不均匀性。 5 � 多片 CCD不均匀性的校正方法 基于多 CCD拼接相机系统中,在相同的辐照度 下,各块 CCD响应输出都是不一致的, 同时带有一 定非线性响应特性 [ 6]。在单片 CCD图像传感器不 均匀性校正的方法基础上, 也利用两点校正法对 9 �262� SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS � Vol. 26 No. 3 June 2005 块 CCD图像传感器不均匀性进行校正。 在本系统中,将 CCD图像传感器响应采取 8 bit 数据采集、量化,按照 256级灰度进行数据处理。在 标定和校正的过程中,对面阵 CCD图像传感器的增 益、偏置、信号放大器等参数进行控制, 并考虑到量 化误差的因素, 可以把灰度级作为探测器响应的指 标进行校正。具体校正步骤如下: ( 1)在保证各个 CCD图像传感器偏置和增益相 同条件下,利用同一光源 �( 1)作为原始响应信号, 分别对 9块 CCD图像传感器进行图像采集, 采集出 来的图像对应响应平均值为 V s ( i ) , i= 1, 2, #, 9。 由均方差公式: = � 9 i= 1 ( V s ( i ) - V s) 8 ( 6) 其中, V s= 1 9 �9 i= 1 V s( i ) ,根据公式( 6) ,将 9块 CCD图 像传感器对应的信号放大器的倍数进行调整, 选择 均方差最小,这样就可以保证各块 CCD之间响应辐 照度输出基本保持一致; ( 2)在保证了各块 CCD之间响应辐照度输出一 致的前提下, 我们采用两点校正方法分别对每块 CCD进行不均匀性校正。首先利用光源 �( 1) 和 �( 2)作为 CCD的信号源,分别采集到对应两组不同 响应的图像数据 { V s1 ( 1) , V s2 ( 1) , #, V s9 ( 1) } 和 {V s1 ( 2) , V s2 ( 2) , #, V s9 ( 2) }。根据公式( 4)和( 5)分 别对单块 CCD进行不均匀性校正; ( 3)对 9块 CCD图像传感器分别进行了两点法 校正后,最后再将 9块 CCD图像传感器在一起进行 加权平均校正。 在本系统实验中,将图 2( a)所示图像进行两点 法不均匀性校正,结果如图 2( b) ,对应 9 块 CCD 校 正后的结果选择 CCD2和 CCD5校正后的结果分别 如图 3( a)和图 3( b)。从结果可以得出, 在不同块 CCD间,通过两点法校正和加权平均校正后, 满足 了各块 CCD不均匀性校正的要求。 图 3 � 采用两点法校正前后的图像比较 图 4 � 不同块 CCD 经校正后的图像比较 6 � 结束语 CCD图像传感器不均匀性影响了光电测量设 备的精度。本文在分析 CCD图像传感器不均匀性 特性基础上,提出两点校正方法,本方法具有操作简 单,数据处理迅速,测量更加准确的特点。通过实验 表明, 利用两点法校正 CCD 图像传感器不均匀性, 提高了系统测量精度, 且对于其他光电设备也有参 考价值。 参考文献: [ 1] � Tsai R Y . A versatile camera calibr ation technique for high accuracy 3D machine v ision metro lo gy using o ff� the�shelf TV camera and lenses [ J ] . IEEE J. Automat ion, 1987, 3( 4) : 323�334. [ 2] � 刘贤德. CCD 及其应用原理[ M ] .武汉: 华中理工大学 出版社, 1990. 307�311. [ 3] � 王文生, 刘广利. 条带式 CCD相机及光学拼接 [ J] . 半 导体光电, 1999, 20( 6) : 382�384. [ 4] � 高建贞. 一种快速实用的灰度校正算法[ J] . 中国图象 图形学报, 2002, 7( 6) : 548�552. [ 5] � 王 � 钰, 陈 � 前. 实时红外图像非均匀性校正技术研 究[ J] . 激光与红外, 1999, 29( 4) : 229�231. [ 6] � 刘 � 罡, 高晓东, 曹学东.大视场光电测量系统实时测 量精度的综合评定[ J] . 光电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 , 2001, 28( 6) : 10�13. 作者简介: 王 � 军( 1979- ) , 男, 江苏徐州人, 2000 年毕业 于长春光学精密机械学院电子工程系, 同年考入长 春光学精密机械与物理研究所攻读博士学位,主要 从事光电设备测量及图像处理方面的研究。 E�mail: w jyhl@ 126. com �263� 半导体光电! 2005 年 6 月第 26 卷第 3 期 王 � 军 等: � 多 CCD拼接相机中图像传感器不均匀性校正